當(dāng)前,數(shù)據(jù)中心正在走進(jìn)5G智能物聯(lián)時代,新型數(shù)據(jù)中心對其基礎(chǔ)供電系統(tǒng)又提出了新的挑戰(zhàn)。作為一種獨(dú)立的商業(yè)運(yùn)行模式,現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心在設(shè)計建造、運(yùn)營維護(hù)、高效節(jié)能、綠色環(huán)保幾個方面都對基礎(chǔ)電力保護(hù)系統(tǒng)提出新的要求。
設(shè)計建造方面 關(guān)注綜合建造成本,要求采用高性價比產(chǎn)品和方案,提高投入產(chǎn)出比。同時還要求具有快速部署與彈性發(fā)展的特點(diǎn),以靈活適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。
運(yùn)營維護(hù)方面 既要考慮在數(shù)據(jù)中心的整個生命周期內(nèi)降低電力保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本,又要能夠快速故障檢測及快速維修,以降低由設(shè)備自身故障而帶來的運(yùn)營風(fēng)險。
高效節(jié)能方面 電力保護(hù)系統(tǒng)自身能耗如何進(jìn)一步降低,特別是在長時間低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下的能耗如何降低,有效提高電能轉(zhuǎn)換率,以有效降低非生產(chǎn)型電力損耗。同時還有義務(wù)幫助數(shù)據(jù)中心在可靠供電前提下合理調(diào)度電能,降低能耗成本。
綠色環(huán)保方面 綠色環(huán)保是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的一個永恒的話題,從企業(yè)的社會責(zé)任和自身的利益兩方面出發(fā)均要求數(shù)據(jù)中心減少碳排放以及自然資源消耗(如降低對物理環(huán)境、冷卻、水的需求等),以及減少有害材料的使用量(特別是鉛、汞等金屬)等。
綜上所述,對于電力保護(hù)系統(tǒng)的核心產(chǎn)品UPS來說,在其硬件結(jié)構(gòu)架構(gòu)、運(yùn)行性能/功能、能量存儲方式、電能轉(zhuǎn)換及管理等幾個方面的設(shè)計都需要做出有針對性的研究。
為了更好地說明如何對UPS進(jìn)行針對性的設(shè)計才能適應(yīng)現(xiàn)代新型數(shù)據(jù)中心的發(fā)展,在這里讓我們以伊頓剛剛上市的一款新型大功率UPS系統(tǒng)93PR 600kW系統(tǒng)為例來進(jìn)行簡要的分析。
伊頓93PR 600kW系統(tǒng)是伊頓在2020年上市的一款新型的不間斷電力保護(hù)系統(tǒng),它集成了伊頓的多項研究成果和專利技術(shù),目的是為現(xiàn)代新型數(shù)據(jù)中心提供完善的電力保護(hù)方案。與當(dāng)前市場上常規(guī)的UPS系統(tǒng)的區(qū)別之一在于它的儲能方式的變化。
1 鋰電UPS系統(tǒng)
采用鋰電池來替代目前流行的鉛酸免維護(hù)電池,可大大降低數(shù)據(jù)中心中有害金屬的使用量,在行業(yè)中已經(jīng)研究并使用超過了10年的時間。
大量的研究和實(shí)踐證明,采用鋰電池作為電能儲存設(shè)備具有極大優(yōu)勢:相比于傳統(tǒng)鉛酸電池,在25℃環(huán)境工作溫度時,鋰電池可提供2.4倍長的使用壽命,且在0～40℃的環(huán)境溫度中鋰電池均可正常工作,當(dāng)環(huán)溫升高或降低時,鋰電池的使用壽命優(yōu)勢更會顯著提升。不僅如此,在其它指標(biāo)上,鋰電池系統(tǒng)也優(yōu)于鉛酸電池系統(tǒng),同樣延時時間配置的電池組,鋰電系統(tǒng)的體積比鉛酸電池減少了42%;重量減少了25%;生命周期內(nèi)的充放電循環(huán)次數(shù)提升了8倍。
當(dāng)前,人們對鋰電池的最大的疑慮莫過于安全性和價格兩個因素了。在人們的普遍印象中鋰電池的安全風(fēng)險高,且價格貴,這是影響目前鋰進(jìn)鉛退的重要原因。
實(shí)際上,鋰電池的安全可靠性要比鉛酸電池更高一些,由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同,對于鉛酸電池在使用期間的某些安全風(fēng)險,例如熱失控現(xiàn)象、腐蝕氣體排放、漏液等現(xiàn)象在鋰電池使用中是不會出現(xiàn)的。而且在安全監(jiān)控管理上,鉛酸電池一般往往需要使用額外的單體電池監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對每一塊鉛酸電池的充放電電流以及工作溫度等重要參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。這需要在每一塊鉛酸電池上加裝傳感器和大量的布線工程來實(shí)現(xiàn),對于大量使用鉛酸電池的數(shù)據(jù)中心來說,這是額外的一項工程負(fù)擔(dān),且由此導(dǎo)致每一塊電池上平均增加數(shù)百至上千元的額外監(jiān)控成本。反觀鋰電池系統(tǒng),由于充放電管理方式的不同,所有鋰電池已經(jīng)內(nèi)置標(biāo)配了BMS電池管理系統(tǒng),再無需客戶額外采購,鋰電池的BMS系統(tǒng)就可在管理電池的充放電的同時又監(jiān)控到鋰電池內(nèi)每一個電池單元的各項參數(shù),提高鋰電池的安全監(jiān)控能力。這些電池的數(shù)據(jù)是有機(jī)會集成到UPS上，使UPS和鋰電池更好配合工作，提升整體的安全型性能。例如，伊頓的93PR600kW系統(tǒng)已經(jīng)內(nèi)置了目前主流的數(shù)據(jù)中心用鋰電池的BMS數(shù)據(jù)通訊能力，由UPS內(nèi)部控制系統(tǒng)來處理鋰電池的管理信息數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化情況來對電池的充放電進(jìn)行相應(yīng)的處理。與此同時，93PR的人機(jī)界面(包括UPS上額監(jiān)控顯示屏幕、LED故障指示燈、智能監(jiān)控通訊接口)可向現(xiàn)場管理人員提供預(yù)警信息，通知現(xiàn)場操作人員進(jìn)行相應(yīng)額操作處理，確保用戶負(fù)載、UPS、鋰電池系統(tǒng)安全可靠。
在投入市場應(yīng)用初期,鋰電池的采購價格的確是非常高的,但隨著鋰電池應(yīng)用的逐漸進(jìn)展,設(shè)計生產(chǎn)技術(shù)的逐漸發(fā)展,鋰電池的價格和鉛酸電池的價格差距在逐漸的縮小,目前,從多個市場監(jiān)測數(shù)據(jù)來看,同等儲能能力的鋰電池組與鉛酸電池的初次采購價格差異已控制在30%以內(nèi)。若將電池的監(jiān)控系統(tǒng)的采購安裝考慮在內(nèi),鉛酸電池系統(tǒng)的綜合采購價格已經(jīng)沒有優(yōu)勢可言了。若再考慮到整個生命周期內(nèi)的電池系統(tǒng)的綜合采購、維護(hù)成本、鋰電池更長的使用壽命延長電池了更換周期、鋰電池系統(tǒng)由于工作溫度范圍寬廣而無需大量的冷卻資源以及日常維護(hù)保養(yǎng)成本的降低等一系列因素,數(shù)據(jù)顯示在同等應(yīng)用情況的前提下,在應(yīng)用6～7年,鋰電池系統(tǒng)的綜合使用成本已經(jīng)開始明顯低于鉛酸電池系統(tǒng)了,在應(yīng)用到10～12年,鋰電池的綜合成本已經(jīng)接近鉛酸電池的一半了。這對商業(yè)數(shù)據(jù)中心用戶來說,是非?？捎^的了。
2 鋰電儲能UPS系統(tǒng)
對于數(shù)據(jù)中心用戶來說,鋰電池的應(yīng)用雖然可以有效地降低用戶的綜合使用成本和減少有害重金屬的使用,但這種UPS系統(tǒng)還不是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心最為適合的方案。
UPS系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施中供電系統(tǒng)中最為核心的設(shè)備,它負(fù)責(zé)整個供電系統(tǒng)的調(diào)配。UPS儲能系統(tǒng)閑置容量及鋰電池方案的出現(xiàn)為能量的智能調(diào)度提供可能性。
如圖1所示,由于數(shù)據(jù)應(yīng)用有高峰期和低峰期之分,使得數(shù)據(jù)中心的電力使用情況就相應(yīng)的有峰值和波谷之分。數(shù)據(jù)中心日常所支付的電費(fèi)也由電度電費(fèi)和基本電費(fèi)兩部分組成:按用電時段分為峰時段、平時段及谷時段,乘以相應(yīng)時段實(shí)際用電量可得電度電費(fèi);基本電費(fèi)按電力用戶與供電公司簽訂的(合同)最大需量×基本電費(fèi)單價所得數(shù)值收取費(fèi)用。這就使得數(shù)據(jù)中心的大量電力消耗都發(fā)生在高電價時段。如何合理調(diào)節(jié)電力的使用量，盡量減少使用高電價的電力成為UPS系統(tǒng)幫助數(shù)據(jù)中心降低運(yùn)營成本的一個重要方向，即通過UPS系統(tǒng)的智能電力調(diào)配達(dá)到電力應(yīng)用的削峰填谷的目的。
這就要求UPS系統(tǒng)對其整流器、充電器、直流母線系統(tǒng)的精確控制和監(jiān)控能力。憑借著多項運(yùn)算及控制處理專利技術(shù),伊頓93PR600kW系統(tǒng)具備了這種智能電力調(diào)配功能,在鋰電儲能系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)上,預(yù)留部分容量以應(yīng)對在市電斷電期間仍然為重要負(fù)荷提供后備電源的前提下,在電價低時對鋰電池系統(tǒng)充電儲能;在電價高時精確控制市電供電與鋰電池放電電力的比例以平移高峰時段用電量,削峰填谷;在負(fù)荷高峰時段放電以避免用電量溢出。在同等的電力使用量的情況下,通過削峰填谷的智能電力調(diào)配來達(dá)到節(jié)約數(shù)據(jù)中心電費(fèi)開支的目的(見圖2)。
3 鋰電儲能模塊化UPS系統(tǒng)
高性能模塊化UPS系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心UPS系統(tǒng)的必備條件。高性能UPS系統(tǒng)可以為數(shù)據(jù)中心提供可靠安全的電力保護(hù),并且減少UPS設(shè)備自身的能耗,提升用戶的操作維護(hù)的便捷性。模塊化UPS架構(gòu)的靈活性和一定的冗余/增容擴(kuò)展能力。這些是大家有目共睹的。這里就不在贅述了。
憑借伊頓的多項知名專利技術(shù)和先進(jìn)技術(shù)的引用,伊頓93PR 600kW系統(tǒng)的具有如下特性:
①采用三電平整流逆變技術(shù)和碳化硅混合型材料,達(dá)到優(yōu)異的設(shè)計滿載雙轉(zhuǎn)換效率97.5%;
②具有極佳的低負(fù)載運(yùn)行效率。伊頓的VMMS智能模塊休眠技術(shù)的使用,在20%低負(fù)載下的實(shí)際雙轉(zhuǎn)換效率可接近或達(dá)到97.5%;
③最大化的系統(tǒng)運(yùn)行效率:采用伊頓的ESS交流直供技術(shù),不同模式下轉(zhuǎn)換時間<4ms的前提下,低負(fù)載節(jié)能模式下最大系統(tǒng)效率可達(dá)99%;
④快速的故障處理及維護(hù)/維修能力,熱插拔模塊化結(jié)構(gòu),MTTR<5min在線維護(hù)不斷電,使得客戶自主快速故障處理成為可能。
4 結(jié)束語
綜上所述，適應(yīng)新形勢下的新基建的電力保護(hù)系統(tǒng)必須具備優(yōu)異的工作性能、靈活的模塊化結(jié)構(gòu)、支持鋰電池儲能系統(tǒng)和智能的能量調(diào)配能力。
作者簡介
郭憙號,伊頓電能質(zhì)量業(yè)務(wù)部關(guān)鍵電力解決方案事業(yè)部中國區(qū)產(chǎn)品經(jīng)理。1997年加入美國愛克賽公司(Powerware),從事UPS產(chǎn)品技術(shù)引進(jìn)及推廣工作；2004年隨著Powerware公司被伊頓公司收購加入伊頓電氣集團(tuán)電能質(zhì)量業(yè)務(wù)部。一直從事以UPS為核心的關(guān)鍵電力保護(hù)方案應(yīng)用的市場研究。
（來源：《數(shù)據(jù)中心建設(shè)+》雜志）
