現(xiàn)代生活不斷產(chǎn)生并需求大量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)中心。伴隨著5G、無人駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等大數(shù)據(jù)的應(yīng)用,數(shù)據(jù)中心將會以驚人速度發(fā)展。眾所周知,數(shù)據(jù)中心是用電大戶,研究數(shù)據(jù)中心節(jié)能及節(jié)省電費(fèi)是數(shù)據(jù)中心建設(shè)的重點(diǎn),而數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)(UPS)的普遍使用為節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用提供了先天條件。因此,UPS儲能成為近年數(shù)據(jù)中心節(jié)能的熱門話題。本文在此分享數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域UPS+儲能聯(lián)合供電的新概念。

UPS與儲能系統(tǒng)的應(yīng)用和痛點(diǎn)

1UPS的應(yīng)用和痛點(diǎn)

1UPS的應(yīng)用

UPS在停電時為重要設(shè)備供電,A級數(shù)據(jù)中心設(shè)有柴油發(fā)電機(jī)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(shù)據(jù)中心信息設(shè)備供電質(zhì)量和供電可靠性,UPS是必需的,與經(jīng)濟(jì)效益無關(guān)。

2UPS痛點(diǎn)

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

•UPS電池長期處于浮充狀態(tài),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(tǒng)的應(yīng)用和痛點(diǎn)

1儲能系統(tǒng)的應(yīng)用

儲能系統(tǒng)主要是削峰填谷,利用峰谷電價差套利。儲能系統(tǒng)不是必需的,沒有經(jīng)濟(jì)效益就沒有安裝的價值。

2儲能系統(tǒng)的痛點(diǎn)

•各地峰谷電價不同,很多地方峰谷電價差小,設(shè)置電池儲能系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)電池要預(yù)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(fèi)。

SPS系統(tǒng)概念

UPS+儲能(Storage Power Supply)簡稱SPS系統(tǒng),是指UPS和儲能相融合的系統(tǒng),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(jìn)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(tǒng)(BESS)組成

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


2UPS儲能系統(tǒng)(SPS,StoragePowerSupply)

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

2SPS概念是在新建的UPS系統(tǒng),采用優(yōu)化后適合經(jīng)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(jìn)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(huán)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(tǒng)與電池儲能系統(tǒng)比較

1SPS的UPS優(yōu)化后,具有UPS及PCS功能,UPS優(yōu)化成本遠(yuǎn)比一個PCS便宜;

2原來UPS要用2組鉛酸電池(舉例),現(xiàn)改用4組鉛碳電池,只增加兩組電池的成本,比儲能系統(tǒng)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(shè)集裝箱,節(jié)省投資;

4UPS與電池房間已設(shè)有空調(diào),所以不需要再額外裝設(shè);

5UPS與電池房間空調(diào)電費(fèi)已計入原有成本,不會在儲能收益扣除。

由此可見,SPS系統(tǒng)所增加的投資(2組鉛碳電池和UPS優(yōu)化費(fèi)用)比電池儲能系統(tǒng)少很多。SPS系統(tǒng)與電池儲能系統(tǒng)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(yán)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(yuǎn)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(zhuǎn)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(lián)合供電的功能。

SPS電池固定以0.1C功率向負(fù)載供電,不足的負(fù)載功率由市電供應(yīng)。這樣可以降低電池的放電功率,保持電池的循環(huán)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(yōu)化UPS,控制策略分為儲能模式和應(yīng)急模式,設(shè)備既要適合天天放電及每天多次充放電轉(zhuǎn)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(jù)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(biāo)準(zhǔn),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(dāng)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(dāng)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(jīng)濟(jì)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(zhǔn)確知道電池的健康狀況,這是最有用的非經(jīng)濟(jì)價值;

3利用峰谷電價差套利,除了可以收回設(shè)備增加的成本外,還有很佳的節(jié)省電費(fèi)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(nèi)可以節(jié)省一次更換電池的費(fèi)用。

2鉛碳電池經(jīng)濟(jì)分析實例(見表2)

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依據(jù)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(jié)束語

UPS+儲能是儲能技術(shù)的很好應(yīng)用。近期有很多數(shù)據(jù)中心開始積極研究與嘗試這一新概念。一旦大型數(shù)據(jù)中心廣泛采用SPS,將來中小機(jī)房將會仿效,使得儲能系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)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(xiàn)了資源的優(yōu)化配置,節(jié)約了能源;對于企業(yè)來說降低了運(yùn)行成本、提高了經(jīng)濟(jì)效益。