飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在綠色數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用研究

趙曉峰，林武雋，楊子靖，劉永彬

（中國(guó)電信股份有限公司北京分公司，北京100010）

1 前 言

當(dāng)前國(guó)內(nèi)IDC產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，節(jié)能減排技術(shù)已迅速成為數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)企業(yè)所重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。而作為數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵配套設(shè)施的傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)，因效率低、耗電高、占地大、維護(hù)難等弊端屢被詬病。

為了能夠在保障數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)安全可靠的基礎(chǔ)上，打造出綠色高效的供電解決方案，進(jìn)一步節(jié)能減排，降低數(shù)據(jù)中心的PUE指標(biāo)，中國(guó)電信北京公司從電源供電系統(tǒng)節(jié)能新技術(shù)研究入手積極追求數(shù)據(jù)中心的資源節(jié)約和降本增效，通過(guò)測(cè)試、使用磁懸浮飛輪儲(chǔ)能UPS電源系統(tǒng)，為綠色數(shù)據(jù)中心的供電方式提供了新的解決方案。

2 飛輪儲(chǔ)能UPS電源系統(tǒng)的原理和優(yōu)勢(shì)

2.1 工作原理

磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是一種技術(shù)上更為先進(jìn)、綠色環(huán)保的電能存儲(chǔ)技術(shù)。它在磁懸浮真空環(huán)境下通過(guò)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的飛輪來(lái)儲(chǔ)存能量，可以在市電中斷時(shí)給UPS設(shè)備的逆變器持續(xù)供電幾秒到十幾分鐘時(shí)間，直至后備柴油發(fā)電機(jī)恢復(fù)對(duì)重要負(fù)載的供電［1，2］。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)中心市電電源的可靠性能夠達(dá)到99.9%以上，在斷電的情況下自動(dòng)配置的柴油發(fā)電機(jī)能在15 s內(nèi)迅速啟動(dòng)并恢復(fù)對(duì)重要負(fù)載的供電，采用飛輪儲(chǔ)能設(shè)備替代鉛酸蓄電池作為UPS的后備電源完全可行。飛輪UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 飛輪UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

北京電信率先在亦莊局?jǐn)?shù)據(jù)中心綜合樓利用現(xiàn)有的部分供電設(shè)備及高低壓變配電系統(tǒng)搭建并測(cè)試了一套飛輪儲(chǔ)能UPS電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)的飛輪儲(chǔ)能裝置使用美國(guó)VYCON公司2臺(tái)單機(jī)功率為215 kW的VDC－CE飛輪設(shè)備，如圖2所示。

圖2 北京電信亦莊數(shù)碼港二期飛輪機(jī)房

在市電輸入正常的情況下，飛輪儲(chǔ)能UPS向負(fù)載設(shè)備提供高品質(zhì)的電力供應(yīng)，同時(shí)對(duì)飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行“充電”。飛輪儲(chǔ)能UPS將外界輸入的電能驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將電能轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能（機(jī)械能）儲(chǔ)存起來(lái)。在正常待機(jī)時(shí)，飛輪的轉(zhuǎn)速保持在36 000轉(zhuǎn)/分［3］。

在市電質(zhì)量無(wú)法滿足飛輪儲(chǔ)能UPS正常運(yùn)轉(zhuǎn)或市電中斷的情況下，飛輪儲(chǔ)能裝置將飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)飛輪儲(chǔ)能UPS的相應(yīng)裝置轉(zhuǎn)變成電能輸出，以滿足不同負(fù)載的需求。

一旦市電恢復(fù)正常，飛輪儲(chǔ)能UPS則會(huì)立即恢復(fù)正常供電狀態(tài)，同時(shí)對(duì)飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行“充電”，使飛輪的轉(zhuǎn)速最高達(dá)到36 000轉(zhuǎn)/分，即“充滿狀態(tài)”。

同時(shí)，飛輪儲(chǔ)能UPS電源系統(tǒng)還具備電壓控制、停電保護(hù)以及瞬間斷電保護(hù)等功能，能夠提供良好的穩(wěn)定的電源，能在關(guān)鍵負(fù)載、電網(wǎng)電壓下降、波動(dòng)或停電情況下進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。

從亦莊局的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，飛輪儲(chǔ)能UPS電源系統(tǒng)一般經(jīng)過(guò)20分鐘即可從啟動(dòng)狀態(tài)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速（36 000轉(zhuǎn)/分），即充滿電的狀態(tài)。一旦市電異?；蛑袛?，飛輪儲(chǔ)能裝置則轉(zhuǎn)為輸出狀態(tài)，并提供儲(chǔ)存的能量，此時(shí)飛輪的轉(zhuǎn)速在降低，在轉(zhuǎn)速為18 000轉(zhuǎn)/分左右時(shí)，輸出電壓低于設(shè)定值，將自動(dòng)切斷輸出。根據(jù)負(fù)載的不同，飛輪儲(chǔ)能裝置一般能夠持續(xù)供電30 s到100 s，足夠后備柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)。在市電恢復(fù)后，UPS系統(tǒng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，飛輪儲(chǔ)能裝置則停止輸出并轉(zhuǎn)為儲(chǔ)能狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到36 000轉(zhuǎn)/分時(shí)，重新充滿能量。

2.2 性能特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)UPS供電系統(tǒng)大量采用鉛酸蓄電池作為后備電源，雖然自動(dòng)油機(jī)可以很快啟動(dòng)并帶載，但由于技術(shù)和現(xiàn)實(shí)原因，鉛酸蓄電池后備時(shí)間一般達(dá)到20分鐘以上，而且鉛酸蓄電池還存在著諸如占地面積大、故障率高、維護(hù)周期密集、維護(hù)成本高、使用壽命短、受充放電次數(shù)的限制，對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重以及對(duì)工作溫度和環(huán)境指標(biāo)要求高等問(wèn)題。與鉛酸蓄電池相比，飛輪儲(chǔ)能設(shè)備則具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）作為一種機(jī)械儲(chǔ)能的方式，飛輪儲(chǔ)能的可靠性高，其工作壽命長(zhǎng)達(dá)20年，在工作壽命期間系統(tǒng)工作能夠保持穩(wěn)定可靠。同時(shí)，飛輪儲(chǔ)能UPS電源系統(tǒng)是一種在線互動(dòng)式的UPS電源系統(tǒng)，與傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)相比，其設(shè)計(jì)理念更為簡(jiǎn)單可靠，而這正是數(shù)據(jù)中心對(duì)UPS提出的首要要求。

（2）效率高、節(jié)電潛力大。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，負(fù)載在額定負(fù)載50%以下時(shí)，飛輪UPS的效率高達(dá)97%，在40%帶載率時(shí)是96%，而傳統(tǒng)蓄電池這兩項(xiàng)數(shù)據(jù)分別是85%～87%和82%～83%［4］。由于其系統(tǒng)效率很高，所以較之傳統(tǒng)蓄電池式UPS大大節(jié)省了耗電量。對(duì)于數(shù)據(jù)中心更有意義的是，飛輪儲(chǔ)能UPS電源系統(tǒng)在輕載（20%～30%）環(huán)境下，也能夠達(dá)到96%以上的系統(tǒng)效率。另外，傳統(tǒng)UPS中的蓄電池有效工作溫度為20℃～25℃，并且溫度每升高或降低10℃，其性能都會(huì)下降一半甚至更多。當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)25℃之后，溫度每升高1℃，蓄電池壽命將縮短一年。而飛輪UPS對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力很強(qiáng)，可以在0℃到40℃之間正常運(yùn)轉(zhuǎn)，它不會(huì)因外界因素而發(fā)生退化現(xiàn)象，機(jī)房?jī)?nèi)不需要配置空調(diào)系統(tǒng)，大大節(jié)省了空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)耗電量［5］。根據(jù)北京電信在實(shí)際使用過(guò)程中的數(shù)據(jù)測(cè)算，對(duì)于額定容量為6 MVA的數(shù)據(jù)中心，使用飛輪UPS電源系統(tǒng)一年可節(jié)約電費(fèi)超過(guò)600萬(wàn)元。

（3）在環(huán)境保護(hù)方面，飛輪設(shè)備綠色環(huán)保，不會(huì)產(chǎn)生鉛酸蓄電池所特有的鉛污染。參照《鉛酸蓄電池單位產(chǎn)量綜合能耗計(jì)算方法及限額》，鉛酸蓄電池單位產(chǎn)量綜合能耗2.7 kg（標(biāo)準(zhǔn)煤）/kVAh。對(duì)于單塊12 V/200 Ah的鉛酸蓄電池，按每組96塊，20年共計(jì)更換4次，使用飛輪儲(chǔ)能UPS電源系統(tǒng)可減少2.49噸（標(biāo)準(zhǔn)煤）的排放量以及1.5噸鉛粉的使用。

同時(shí)還應(yīng)看到，飛輪儲(chǔ)能設(shè)備由于技術(shù)、成本等因素，一次性投資過(guò)高，更適合應(yīng)用于大功率場(chǎng)合，同時(shí)其對(duì)后備油機(jī)及高低壓變配電設(shè)備的自動(dòng)化切換程度要求較高，目前在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還相對(duì)較少。但是，飛輪儲(chǔ)能設(shè)備替代鉛酸蓄電池作為UPS的后備電源具備的優(yōu)勢(shì)十分明顯，建議政府及企事業(yè)單位共同參與，推動(dòng)飛輪儲(chǔ)能設(shè)備在國(guó)內(nèi)的良性發(fā)展和應(yīng)用。

3 結(jié)論和建議

數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展對(duì)用電設(shè)備的供電質(zhì)量提出了更高的要求，磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)，是對(duì)傳統(tǒng)UPS供電技術(shù)的一種探索和創(chuàng)新，是通信設(shè)備不間斷供電的重要發(fā)展方向。本文通過(guò)對(duì)磁懸浮飛輪儲(chǔ)能UPS電源系統(tǒng)工作原理的介紹、以及工程實(shí)踐應(yīng)用中論證了其替換傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)的可行性。目前，國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能供電技術(shù)剛剛起步，其產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)和技術(shù)可行性方面已經(jīng)得到了初步驗(yàn)證。在節(jié)能降耗、綠色生產(chǎn)的大環(huán)境下，隨著電網(wǎng)質(zhì)量的提高和技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)必將在大型數(shù)據(jù)中心、工礦企業(yè)、醫(yī)療、軍隊(duì)等行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

［1］ Bitterly J.G.Flywheel technology：past，present，and 21st century projects.IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，1998，13：13－16.

［2］ 鄧成博.革命性的技術(shù)，革命性的選擇（一）——最新一代免蓄電池磁懸浮飛輪儲(chǔ)能UPS的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì).通信電源技術(shù)2008，25（1）：67－68.

［3］ VYCON VDC and VDC XE User Manual（CE VERSION）.美國(guó) VYCON公司，2008，（11）：1－40.

［4］ 戴興建，鄧占峰，劉 剛等.大容量先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能電源技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，（7）：71－73.

［5］ 陳 鳳，張 花，陳月琴等.數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的新技術(shù)應(yīng)用研究［J］.電源學(xué)報(bào)，2013，（2）：31－33.