現代生活不斷產生并需求大量數據,這些數據存儲在數據中心。伴隨著5G、無人駕駛、物聯網、人工智能等大數據的應用,數據中心將會以驚人速度發展。眾所周知,數據中心是用電大戶,研究數據中心節能及節省電費是數據中心建設的重點,而數據中心不間斷電源系統(UPS)的普遍使用為節能技術的應用提供了先天條件。因此,UPS儲能成為近年數據中心節能的熱門話題。本文在此分享數據中心領域UPS+儲能聯合供電的新概念。

UPS與儲能系統的應用和痛點

1UPS的應用和痛點

1UPS的應用

UPS在停電時為重要設備供電,A級數據中心設有柴油發電機時,UPS電池后備時間要求不低于15min,通常采用鉛酸電池。為了保證數據中心信息設備供電質量和供電可靠性,UPS是必需的,與經濟效益無關。

2UPS痛點

•由于很少停電,整個電池生命周期放電次數很少,電池變成休眠資產,形成資源浪費;

•UPS電池長期處于浮充狀態,電池健康狀況不明;

•一般使用鉛酸電池,電池4～5年就要更換。

2儲能系統的應用和痛點

1儲能系統的應用

儲能系統主要是削峰填谷,利用峰谷電價差套利。儲能系統不是必需的,沒有經濟效益就沒有安裝的價值。

2儲能系統的痛點

•各地峰谷電價不同,很多地方峰谷電價差小,設置電池儲能系統連投資成本都收不回來,即使峰谷電價差大的地方,電池儲能投資收益也不是很高,所以很難引起大規模投資;

•一般純儲能項目的回本周期7～8年,用戶或投資方不愿意投資;

•由于深度放電會影響電池壽命,所以儲能系統電池要預留部分容量不能使用(鉛碳電池要留30%～40%),這也是一種資源浪費。

SPS系統概念

UPS+儲能(Storage Power Supply)簡稱SPS系統,是指UPS和儲能相融合的系統,它的概念是增加配置電池的容量,并且由鉛酸電池改用鉛碳電池,利用夜間低谷電價時充電,在白天高峰電價時放出部分電量,進行峰谷套利,剩余電量作為UPS備電之用。偶爾停電時,電池放電到80%～100%,對電池壽命影響不大。

1電池儲能系統(BESS)組成

BESS主要由電池系統(Battery System,BS)、功率轉換系統(Power Conversion System,PCS)、電池監系統(Battery Monitoring System,BMS)、電能管理系統(Energy Management System,EMS)等4部分組成;同時,在實際應用中,為便于設計、管理及控制通常將電池系統、PCS、BMS重新組合成模塊化BESS,而EMS主要用于監測、管理與控制一個或多個模塊化BESS。圖1為BESS的系統結構示意圖。


2UPS儲能系統(SPS,StoragePowerSupply)

1SPS是將UPS及儲能系統(UPS+BESS)融合在一起,是完美的儲能備電結合;

2SPS概念是在新建的UPS系統,采用優化后適合經常放電的UPS系列,并增加UPS的電池容量,不采用鉛酸電池而改用鉛碳電池,利用峰谷電價充放電,每天放出部分電池電量進行套利,馀下電量滿足UPS的后備時間要求;

3偶爾停電時放電到80%～100%,對電池壽命影響不大;

4以鉛碳電池50%+30%DOD(兩充兩放),可循環3,300天計算,每天使用,可使用9年,比一般鉛酸電池壽命長一倍。

3SPS系統與電池儲能系統比較

1SPS的UPS優化后,具有UPS及PCS功能,UPS優化成本遠比一個PCS便宜;

2原來UPS要用2組鉛酸電池(舉例),現改用4組鉛碳電池,只增加兩組電池的成本,比儲能系統要投資4組鉛碳電池少很多;

3由于UPS一般有電池房間,所以不用單設集裝箱,節省投資;

4UPS與電池房間已設有空調,所以不需要再額外裝設;

5UPS與電池房間空調電費已計入原有成本,不會在儲能收益扣除。

由此可見,SPS系統所增加的投資(2組鉛碳電池和UPS優化費用)比電池儲能系統少很多。SPS系統與電池儲能系統比較見表1。


4SPS存在問題及解決方法

1SPS存在問題

電池大功率放電會嚴重影響鉛酸/鉛碳電池的壽命;

電池大功率放電放出的容量遠低于鉛酸/鉛碳電池

電池的額定容量;

電池容量增加,SPS充電能力要加大;

電池每天多次轉換充放電模式,可能影響SPS的可靠性。

2SPS解決方法

•SPS的UPS要有與市電聯合供電的功能。

SPS電池固定以0.1C功率向負載供電,不足的負載功率由市電供應。這樣可以降低電池的放電功率,保持電池的循環壽命及提高電池的可放電容量;

•增加SPS充電能力;

•UPS廠家需要優化UPS,控制策略分為儲能模式和應急模式,設備既要適合天天放電及每天多次充放電轉換,又要保持UPS原來的安全可靠性。

SPS的電池容量配置計算方法

SPS的電池容量配置是根據儲能放電深度(DOD)與UPS需要的備電時間來計算。計算方法及原理如下:

UPS備電要求:備電15 min,按鉛酸電池標準,電池壽命末期放電容量余下80%,等于備電12 min;若以50%DOD計算,SPS要滿足電池末期放電12min,SPS電池容量配置是40 min。

計算原理:

SPS電池容量按40 min配置,SPS每天以0.1C放電50%,相當于滿功率放電20 min,電池剩余滿功率備電時間20 min;在電池末期,電池滿功率可放電總時間是32 min(80%),每天仍以0.1C放電50%(相當于滿功率放電20 min),余下滿功率備電時間12min。

SPS的附加效益分析和經濟收益計算

1SPS附加效益

1如上SPS配置40 min電池,在放電前備電后備時間是40 min,儲能放電后,備電時間是20 min,兩者都多于15 min備電的要求;

2UPS不加儲能時電池在浮充使用,電池健康狀況不明。而SPS天天充放電,由電池放電的電壓可以準確知道電池的健康狀況,這是最有用的非經濟價值;

3利用峰谷電價差套利,除了可以收回設備增加的成本外,還有很佳的節省電費的收益;

4鉛碳電池以50%DOD充放電,可以使用10年,是鉛酸電池壽命的兩倍。壽命周期內可以節省一次更換電池的費用。

2鉛碳電池經濟分析實例(見表2)

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依據以下條件:

1UPS按500kVA計算;

2電價以江蘇省峰谷平均電價計算;

3電池每天以50%+30%兩充兩放方式(首高峰放電50%,平段充電30%,次高峰放電30%),電池可以使用3,300天(9年);

4按滿功率放電與0.1C放電作比較。

結束語

UPS+儲能是儲能技術的很好應用。近期有很多數據中心開始積極研究與嘗試這一新概念。一旦大型數據中心廣泛采用SPS,將來中小機房將會仿效,使得儲能系統在數據中心的應用形成大趨勢。從國家層面上來說,谷電的利用提高了電能的利用率,實現了資源的優化配置,節約了能源;對于企業來說降低了運行成本、提高了經濟效益。