中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：數(shù)據(jù)中心UPS供配電系統(tǒng)是非常重要的一個(gè)子系統(tǒng)。用戶對(duì)UPS供配電系統(tǒng)的要求,主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:高可用性、全生命周期的總成本、對(duì)運(yùn)輸安裝就位及場地的適應(yīng)性以及使用操作維護(hù)過程中的靈活性。基于用戶這三方面的要求,三相UPS電源究竟要往何處去?
新的運(yùn)行模式-革命性的超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式
重新審視歷史上出現(xiàn)的雙變換、后備式、在線互動(dòng)式和Delta變換等電氣變換技術(shù),今天市場上5kVA以上的UPS大都采用雙變換模式,這好像是天經(jīng)地義的。但是,仔細(xì)研究會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)事實(shí),傳統(tǒng)的逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式(雙變換模式)千辛萬苦,將市電通過整流器和逆變器進(jìn)行能量的兩次100%轉(zhuǎn)換,好不容易輸出了1%精度的交流電給負(fù)載供電,但是看看IT設(shè)備對(duì)交流電源的要求(-20%,+10%,40～70Hz),可以發(fā)現(xiàn)1%的電壓精度其實(shí)對(duì)IT設(shè)備沒有多大價(jià)值。相反,在雙變換模式下,能量經(jīng)過兩次100%的轉(zhuǎn)換后效率較低(90%～95%),最要命的問題是電容、電感、功率器件IGBT等每秒鐘都要承受所有的負(fù)載電流,元器件的疲勞老化嚴(yán)重,壽命降低,從而可用性降低。從本質(zhì)上來說,傳統(tǒng)的逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式(雙變換)就是一種低可用性的模式(圖1)。
為了提高可用性,降低TCO(提高效率),早在2010年,行業(yè)里面又推出了一種新的運(yùn)行模式,叫做ECO模式(經(jīng)濟(jì)模式),也叫做旁路優(yōu)先運(yùn)行模式。該種模式下,絕大部分的時(shí)間UPS都是工作在旁路。當(dāng)旁路市電超出了IT設(shè)備能夠允許的范圍(設(shè)定的窗口)之后,它將會(huì)自動(dòng)的切換回逆變器運(yùn)行模式。這種模式相當(dāng)于是市電直通,輸入的性能指標(biāo)就是IT負(fù)載的性能指標(biāo),即UPS輸入功率因數(shù)=IT設(shè)備的功率因數(shù)(0.90～0.95),輸入的諧波電流=IT的設(shè)備的諧波電流(15%～30%)。這種模式的好處是市電直供,效率可達(dá)99%。ECO模式的缺點(diǎn)是,市電電網(wǎng)的故障是千變?nèi)f化的,在某些情況下,它不能夠保證百分之百地能從旁路模式切換到逆變器模式,它會(huì)有一個(gè)切換時(shí)間,當(dāng)切換時(shí)間超過IT設(shè)備能夠承受的范圍時(shí),就會(huì)造成IT設(shè)備重啟,使得IT應(yīng)用的可用性降低。
可見逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式(雙變換模式)和普通旁路優(yōu)先運(yùn)行模式在可用性方面都有較大的弱點(diǎn)。2012年施耐德研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了第三種模式-即超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式(E變換模式)。它不是普通的旁路優(yōu)先模式。如圖1所示,該模式下,逆變器與旁路市電并聯(lián)工作,逆變器精確控制的結(jié)果是最終實(shí)現(xiàn)由旁路市電提供有功功率(基波電流),逆變器提供無功功率(諧波電流),兩者合起來就是IT負(fù)載所需要的電流。因此市電的輸入功率因數(shù)可以做到>0.99,輸入的諧波電流<3%。該模式下UPS提供一級(jí)供電質(zhì)量,保證IT設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí),逆變器還可以給電池提供10%的充電能力。
當(dāng)市電電網(wǎng)有問題時(shí),會(huì)自動(dòng)關(guān)斷旁路市電供電,由逆變器100%的給負(fù)載供電,由于逆變器本身一直在工作,因此也就不存在切換時(shí)間,或者說切換時(shí)間=0ms,從而保證了可用性。同時(shí)特殊的可控硅關(guān)斷控制技術(shù),也確保電池的能量在任何情況下都不會(huì)倒灌回電網(wǎng)。
仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn),超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式最大的優(yōu)點(diǎn)其實(shí)是:電容、電感、功率器件等沒有承受所有的負(fù)載電流,長期處于輕載運(yùn)行,因此元器件的疲勞老化輕微,壽命延長,系統(tǒng)可用性提高?？梢哉f超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式理論上就是一種高可用性的運(yùn)行模式。另外,在這種模式之下,我們看到效率也非常高,可以達(dá)到98.8%。
總結(jié)如下:超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式下功率器件負(fù)載率低,器件疲勞老化輕微,是一種高可用性的運(yùn)行模式。輸入功率因數(shù)0.99,輸入諧波含量<3%。輸出供電質(zhì)量達(dá)到國際一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),切換時(shí)間為零毫秒,效率高達(dá)98.8%以上。滿足了用戶高可用性、高效率、高輸入性能指標(biāo)的要求,這是非常完美的一種模式。這種模式是施耐德在2012年獲得的技術(shù)專利,并在2014年開始全面應(yīng)用到GalaxyV系列產(chǎn)品。
下面計(jì)算對(duì)比一下超級(jí)旁度優(yōu)先模式(E變換)和傳統(tǒng)的逆變器優(yōu)先模式(雙變換)的能耗。以1000kW的IT負(fù)載為例,施耐德Galaxy7000系列UPS雙變換模式的效率是94.3%,而GalaxyV系列UPS超級(jí)旁路優(yōu)先模式的效率可以達(dá)到99.1%,效率差是4.8%。再考慮到空調(diào)的耗電,總共加起來了兩個(gè)系統(tǒng)的效率差是6.4%,在1000kW負(fù)荷下,每年節(jié)省365×24×6.4%×1000=56萬度電,三相大功率UPS一般使用壽命都是十年以上,十年下來,它可以節(jié)省560萬度電。
多電平逆變器技術(shù)(圖2)
三相UPS電源的第二個(gè)重要的趨勢是新型逆變器技術(shù)的發(fā)展。前面已經(jīng)介紹了超級(jí)旁路優(yōu)先模式的好處,如高可用性、高效率、高輸入性能指標(biāo)、一級(jí)供電質(zhì)量等,但是某些行業(yè)用戶,它的使用習(xí)慣或者是行業(yè)的規(guī)范要求UPS要運(yùn)行在逆變器優(yōu)先模式(雙變換)。思維的慣性,也使得相當(dāng)大一部分用戶在相當(dāng)長時(shí)間段內(nèi)還是喜歡運(yùn)行在逆變器優(yōu)先模式,這點(diǎn),從到今天為止還有用戶偏好工頻機(jī)就可以看出來?？梢灶A(yù)見,今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式和逆變器優(yōu)先運(yùn)行模式在中國將會(huì)長期共存。
因此UPS廠家也必須在逆變器技術(shù)方面進(jìn)行研究。傳統(tǒng)的工頻機(jī)和高頻機(jī)都采用的是兩電平逆變器的技術(shù)。工頻機(jī)的直流母線電壓為432V。高頻機(jī)的直流母線電壓是750～800V。高頻機(jī)由于效率高、體積小、重量輕,早在上世紀(jì)90年代就是各個(gè)廠家重要的技術(shù)發(fā)展方向。
但高頻機(jī)兩電平逆變器架構(gòu)中其功率器件IGBT的承壓就是直流母線電壓750～800V,這樣就必須挑選耐壓值為1200V甚至1500V的IGBT功率器件。研究功率器件發(fā)現(xiàn),耐壓值越高的功率器件,其失效率越高(是耐壓值800V器件的十倍)。因此為了提高逆變器的可用性,必須降低功率器件的承壓。
三電平逆變器應(yīng)運(yùn)而生,它通過增加功率器件串聯(lián)來分擔(dān)高頻機(jī)的800V直流母線電壓,使得每一只器件的承壓降低到了400V,這樣我們就可以選擇600或者800V耐壓的功率器件。從而提高可用性。400V電壓甚至低于工頻機(jī)的432V的直流母線電壓,從理論上說,三電平逆變器的高頻機(jī)的可用性已經(jīng)高于傳統(tǒng)的兩電平逆變器工頻機(jī)。
進(jìn)一步又開發(fā)出了四電平逆變器,使得功率器件的承壓降低到直流母線電壓的1/3即266V。因此我們可以采用500V或者是600V耐壓的功率器件,使得逆變器的可用性得到進(jìn)一步的提高。
同時(shí)從效率的角度來講,兩電平逆變器的效率大概能做到94.5%,三電平逆變器的效率可以做到96%,四電平逆變器的效率可以做到97%。
但是多電平逆變器帶來了一個(gè)不好的地方,功率器件的數(shù)量增加了。使得制造成本提高,理論上故障率也會(huì)提高。因此從這個(gè)角度出發(fā),不可能無限制地采用比如說五電平六電平的逆變器,也沒有必要。
研發(fā)人員又重新思考,回到了三電平逆變器。但是它是一個(gè)采用混合型架構(gòu)的三電平逆變器(圖3),增加了一個(gè)零電壓開關(guān)的控制環(huán)節(jié),目的是使得IGBT的開關(guān)損耗減少了50%,同時(shí)功率器件的數(shù)量也得到了降低。
采用混合三電平逆變器的效率達(dá)到了97.5%,只用了24個(gè)功率器件(四電平架構(gòu)要用到50個(gè)功率器件)。因此新型的混合三電平逆變器技術(shù),它不但提高了效率,降低了元器件的數(shù)量,降低了成本,同時(shí)理論上來講,由于元器件的數(shù)量的降低,它的可用性也得到了提高。
從后備到儲(chǔ)能-電池角色的轉(zhuǎn)變
第三個(gè)重要的趨勢是電池角色的轉(zhuǎn)變,從以前的后備角色的被動(dòng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變到今天的儲(chǔ)能角色的主動(dòng)工作狀態(tài)(圖4)。
UPS供配電系統(tǒng)是由UPS主機(jī)、電池、配電系統(tǒng)等構(gòu)成的,電池在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中占有重要的地位,其成本的占比也非常高。對(duì)于大功率UPS系統(tǒng)來講,在10～15年的生命周期中,電池要更換2～3次,因此電池的成本甚至要高于UPS主機(jī)的成本。
傳統(tǒng)的UPS供配電系統(tǒng)當(dāng)中,電池的角色是個(gè)什么樣的定位呢?絕大多數(shù)情況下,電池處于后備的被動(dòng)工作的狀態(tài)。數(shù)據(jù)表明,2016年中國10kV電網(wǎng)的可用性是比較高的。城市范圍內(nèi)10kV平均每年的斷電次數(shù)為1.2次,平均每年的斷電時(shí)間是5.2h,其中有3.5h是有提前預(yù)告的維護(hù)性斷電,只有1.7h是屬于突發(fā)性的斷電?？梢哉f,每年電池大概會(huì)有2次的使用機(jī)會(huì),那么電池每次會(huì)放電多長時(shí)間呢?大型的數(shù)據(jù)中心,都會(huì)配備發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)在市電中斷以后,在1min內(nèi)就會(huì)完成啟動(dòng)并處于可以供電的狀態(tài)。也就是說其實(shí)電池在每年2次的放電過程中,每次只工作了1min,這是絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心電池的真實(shí)的運(yùn)行模式。
UPS系統(tǒng)中,UPS主機(jī)每秒鐘都在工作,我們花在UPS的上面的錢是有價(jià)值的,但是電池我們花的錢更多,結(jié)果卻是每年僅工作2次,每次只工作1min,而且電池日常維護(hù)工作量還是比較大的。
產(chǎn)生上面問題的原因是電池以前是處于一種被動(dòng)工作的后備的角色和定位,如果換一種思路,將電池定位成主動(dòng)工作的儲(chǔ)能的角色,最終發(fā)現(xiàn)情況完全不一樣了。讓電池主動(dòng)工作,使電池從一個(gè)使用機(jī)會(huì)很少的消耗品變成頻繁工作的利潤來源或者是平衡電網(wǎng)的一個(gè)利器,電池的價(jià)值就會(huì)得到極大的發(fā)揮。
大型數(shù)據(jù)中心里面,UPS供配電系統(tǒng)的耗電量是非常驚人的。如果搭建兩條1250kW的UPS母線,支撐1000kW的IT負(fù)荷,加上UPS系統(tǒng)的損耗,10年下來總計(jì)電量為9200萬度電。中國的很多城市采用峰谷電價(jià)計(jì)費(fèi)模式,思考一下,如果把電池定位成一個(gè)分布式的儲(chǔ)能系統(tǒng),控制電池根據(jù)峰谷計(jì)費(fèi)的時(shí)段,進(jìn)行主動(dòng)的充電和主動(dòng)的放電,利用電價(jià)差進(jìn)行套利,情況會(huì)怎么樣呢?
一般來講峰谷電價(jià)差大約是1.1元/kWh,傳統(tǒng)的12V100Ah的鉛酸蓄電池,它所儲(chǔ)存的電能大致是1.2kWh,如果每天進(jìn)行2次充放電,刨除我們預(yù)留的20%～30%的容量以及考慮充放電效率,會(huì)發(fā)現(xiàn)每只電池每天能夠掙到0.75×2=1.5(元),一年掙到550元,一只12V/100Ah鉛酸蓄電池采購成本大約1000元,即兩年即可收回電池成本。
那么儲(chǔ)能定位帶來的另外一個(gè)功能就是扛峰(削峰)的功能(圖5)。對(duì)于大型的數(shù)據(jù)中心(特別是ColoIDC),從設(shè)計(jì)師和用戶的角度,希望申請(qǐng)到一臺(tái)電網(wǎng)變壓器,能夠盡力的發(fā)揮變壓器的容量,讓它能夠帶更多的IT負(fù)載,可以賣出更多的機(jī)柜,可以掙到更多的錢,這樣的話,這個(gè)數(shù)據(jù)中心的商業(yè)模式才更加成功。怎樣才能夠讓一個(gè)2500kVA的變壓器能夠帶更多的負(fù)載呢?很明顯就是要提高負(fù)載率。但是IT負(fù)載它不是一條直線,它是一條曲線,根據(jù)不同類型的應(yīng)用,峰峰值在5%～20%之間。如果設(shè)計(jì)負(fù)載率太高,當(dāng)IT在峰值的這一點(diǎn)的時(shí)候,就會(huì)超過變壓器的容量,也就是過載。這個(gè)是不被允許的。
思考一下,在IT負(fù)載的峰值的時(shí)候,可否用電池儲(chǔ)存的能量來為超出變壓器能力的這一塊峰值負(fù)荷供電,這樣變壓器就不會(huì)過載了。其實(shí)這就要求UPS有這么一個(gè)功能,叫做扛峰的功能,它可以同時(shí)從電網(wǎng)吸收能量,加上電池組儲(chǔ)存的能量,一起給逆變器供電,來帶IT負(fù)載。有了扛峰這個(gè)功能就可以真正的提高變壓器的負(fù)載率,同時(shí)又不用擔(dān)心過載。對(duì)于IDC數(shù)據(jù)中心來講,是非常重要而實(shí)用的一個(gè)功能。
傳統(tǒng)的被動(dòng)的后備工作模式下,電池每年工作2次每次放電1min,加上每半年一次的對(duì)電池的維護(hù)充放電的操作,一年下來電池的充放電次數(shù)平均不超過10次。但是如果進(jìn)行主動(dòng)的儲(chǔ)能工作模式,峰谷電價(jià)套利和扛峰運(yùn)行,給電池帶來了新的問題,即電池的循環(huán)次數(shù)大大提高,每年要求500～1000次循環(huán)次數(shù),10年運(yùn)行期內(nèi),共計(jì)5000～10000次循環(huán)。
傳統(tǒng)的鉛酸電池的循環(huán)壽命只有500～800次,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了這個(gè)要求。因此,必然的,從2010年起,鋰電池開始進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。只有鋰電池才能夠滿足這種主動(dòng)的儲(chǔ)能工作模式的循環(huán)壽命要求。
目前鋰電池的循環(huán)壽命可以達(dá)到7000～1萬次,寧德時(shí)代最新的鋰電池理論上的循環(huán)壽命達(dá)到了15000次。如果按照每年1000次的放電循環(huán)的話,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)鋰電池也可以用到十年以上,跟UPS主機(jī)的使用壽命相匹配了,再也不用每3～5年更換一次電池了。
鋰電池不單單是具有更長的循環(huán)壽命,可以將UPS系統(tǒng)帶入嶄新的分布式儲(chǔ)能定位,鋰電池與鉛酸電池比,還具有如下優(yōu)點(diǎn):體積為1/3,重量為1/3,理論日歷壽命15年(匹配UPS生命),內(nèi)置BMS電池管理系統(tǒng)(不需要人工維護(hù)管理),適合0～50℃環(huán)境溫度,1C快速充電,全生命周期TCO降低30%等。隨著新能源電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等的驅(qū)動(dòng),鋰電池初期采購成本進(jìn)一步降低,會(huì)加速進(jìn)入數(shù)據(jù)中心。
為了使得電池具有主動(dòng)的儲(chǔ)能工作的能力,UPS主機(jī)的設(shè)計(jì)和功能也必須進(jìn)行改變。比如說它應(yīng)該具有主動(dòng)控制的峰谷電價(jià)充放電的工作模式。比如,它應(yīng)該具有讓電網(wǎng)和電池的能量同時(shí)加起來給逆變器供電的這種扛峰的功能。另外,為了能夠?qū)︿囯姵乜焖倩貨_,UPS還必須具有大功率的充電功能。傳統(tǒng)的三相大功率UPS的充電能力是10%～20%,而新型的能夠兼容鋰電池的三相UPS的充電功率可以達(dá)到35%～80%。
如果UPS不做出這些硬件和軟件控制上的改進(jìn),當(dāng)然它也能夠跟鋰電池進(jìn)行配合工作,只不過它是把鋰電池當(dāng)成了普通的鉛酸電池來使用,根本沒有發(fā)揮鋰電池這種主動(dòng)的儲(chǔ)能的工作模式帶來的好處。
需要高度注意的是,今天的用戶即使不采用鋰電池,也應(yīng)該采購具有兼容鋰電池的UPS主機(jī)(35%～80%充電能力、峰谷電價(jià)套利功能、扛峰功能),否則用戶在接下來的10年時(shí)間中都會(huì)被套在注定競爭力越來越弱的鉛酸蓄電池上面。
模塊化、類模塊化技術(shù)-單相和三相功率模塊
三相UPS電源的第四個(gè)發(fā)展趨勢是模塊化和類模塊化架構(gòu)的應(yīng)用。大型數(shù)據(jù)中心一般要搭建多條大功率UPS供配電系統(tǒng),比如說搭建多條1500kW的UPS母線,傳統(tǒng)的方案是采用多臺(tái)UPS并機(jī),比如說3臺(tái)500kW或者是四臺(tái)500kW的并聯(lián)。如圖6所示,UPS主機(jī)的外圍需要大量的配電柜、內(nèi)置每臺(tái)UPS的輸入輸出旁路等的斷路器,并通過多條交直流電纜將配電柜、電池開關(guān)柜和UPS主機(jī)進(jìn)行連接。這是非常典型的傳統(tǒng)的多臺(tái)并機(jī)的大功率UPS系統(tǒng)。
這種系統(tǒng)操作起來是非常復(fù)雜的,因?yàn)閿嗦菲鞣浅６?而且有操作順序的要求。新型的模塊化和類模塊化的UPS供配電系統(tǒng),徹底地改變了這種復(fù)雜狀態(tài)。如圖6所示,一套大功率的模塊化UPS供配電系統(tǒng),每一個(gè)UPS功率柜是250kW,根據(jù)功率的需求,可以用多個(gè)250kW的功率柜進(jìn)行并聯(lián),而且可以共用一個(gè)大功率靜態(tài)旁路柜來提高整個(gè)系統(tǒng)的可用性。我們可以看到在UPS主機(jī)的外圍只需要少量的輸入輸出配電柜和交直流電纜,因?yàn)?50kW的功率柜之間都是采用銅母排進(jìn)行連接的,用銅母排取代了電纜,250kW功率柜的內(nèi)部都有自動(dòng)控制的接觸器,取代了人工操作的外圍的斷路器。
因此新型的模塊化大功率的UPS的并機(jī)系統(tǒng),由于采用了這種柜體間銅母排連接和內(nèi)置接觸器的模塊化和類模塊化的輕預(yù)制化架構(gòu),大大的簡化了整個(gè)UPS供配電系統(tǒng),操作維護(hù)簡單,降低了人為的故障,提高了可用性。模塊化類模塊化架構(gòu),還可以降低制造采購和維護(hù)成本,降低維修時(shí)間,提高可用性。
對(duì)于大功率的UPS供配電系統(tǒng)來講,采用的功率模塊更傾向于單相模塊,每相功率較大,這樣可以降低并聯(lián)的節(jié)點(diǎn)數(shù),降低并聯(lián)環(huán)流,提高可用性,例如250kW的功率柜,內(nèi)部是6個(gè)42kW單相模塊,兩兩并聯(lián),分別形成ABC相,一共3個(gè)并聯(lián)點(diǎn),每個(gè)是2模塊并聯(lián)。但如果采用5個(gè)50kW三相模塊并聯(lián),就有3個(gè)并聯(lián)點(diǎn),每個(gè)是5模塊并聯(lián),復(fù)雜程度增加,環(huán)流增加,可用性降低。
對(duì)于中等功率的UPS系統(tǒng)來講,由于功率不大(<200kW),需要并聯(lián)的模塊數(shù)不多,更多的還是采用三相功率模塊。施耐德在最新的VS系列UPS系統(tǒng)里面采用了50kW的三相功率模塊,可以看到由于采用了混合三電平的逆變器,功率模塊的效率達(dá)到了97.5%,只有3U安裝高度,重量低至38kg,一個(gè)人就可以進(jìn)行更換。
前面講到的四個(gè)方面的技術(shù)變化趨勢,都應(yīng)用在施耐德GalaxyV系列的家族里面。施耐德在2010年搭建了V系列的研發(fā)平臺(tái),在此之上不斷地取得相關(guān)的技術(shù)專利,比如說在2010年取得的四電平逆變器的專利,2012年取得的超級(jí)旁路優(yōu)先運(yùn)行模式,2018年取得的混合三電平逆變器技術(shù)專利等等,都應(yīng)用在我們相關(guān)的V系列家族產(chǎn)品里面。到今天為止,V系列家族已經(jīng)涵蓋10～4000kW的功率段,成為UPS市場上耀眼的明星,引領(lǐng)了UPS技術(shù)的發(fā)展方向。
