儲(chǔ)能系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

徐 堅(jiān)

（中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)的中心，包括計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)等核心設(shè)備，還包括供電、制冷、機(jī)柜、布線、消防和監(jiān)控系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施。

研究數(shù)據(jù)顯示，2010-2017年，我國IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）市場規(guī)模增長近7倍，年均增長率達(dá)到40%。2017年后，我國數(shù)據(jù)中心的市場規(guī)模繼續(xù)保持快速增長，預(yù)計(jì)2019年將超過1800億元，其中約70%是新建數(shù)據(jù)中心。與之相應(yīng)的是能源消耗在逐年攀升。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，電費(fèi)支出占數(shù)據(jù)中心年運(yùn)營成本的95%。降低能耗節(jié)約電費(fèi)支出，成為數(shù)據(jù)中心可持續(xù)發(fā)展的重要因素。儲(chǔ)能技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用從基本概念發(fā)展為走向低碳經(jīng)濟(jì)不可或缺的技術(shù)前提，成為推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的必要條件。將儲(chǔ)能式產(chǎn)品和數(shù)據(jù)中心運(yùn)行有機(jī)結(jié)合，針對數(shù)據(jù)中心能耗問題進(jìn)行改善，最大限度節(jié)約能耗，減少電費(fèi)開支，是數(shù)據(jù)中心迫在眉睫的事情。

1 儲(chǔ)能技術(shù)分析

1993年實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)，引導(dǎo)用戶錯(cuò)峰用電，以均衡電力負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)供需平衡，優(yōu)化資源配置，并產(chǎn)生錯(cuò)峰價(jià)值，提高整體經(jīng)濟(jì)效益。峰、谷價(jià)差的存在，給儲(chǔ)能通過“低儲(chǔ)高發(fā)”提供了節(jié)支空間。數(shù)據(jù)中心出于供電可靠性的要求，配套建設(shè)時(shí)，對于IT設(shè)備和空調(diào)末端都配置了大量的UPS設(shè)備和蓄電池組，以為數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能提供必要條件。電池循環(huán)壽命大幅提高的儲(chǔ)能型蓄電池和儲(chǔ)能型UPS等新技術(shù)應(yīng)用到數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，為數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能掃清了最后障礙。

1.1 儲(chǔ)能型電池

儲(chǔ)能式UPS主要采用鉛碳電池和鋰電池作為儲(chǔ)能電池。由于鋰電池價(jià)格偏高且存在因過度充電導(dǎo)致發(fā)熱、燃燒等安全問題，未能在數(shù)據(jù)中心普及。鉛碳電池從傳統(tǒng)的鉛酸電池演化而來，是鉛酸蓄電池領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池在部分荷電態(tài)下工作時(shí)，負(fù)極容易產(chǎn)生硫酸鹽化現(xiàn)象，導(dǎo)致電池提前失效。儲(chǔ)能鉛碳電池是在負(fù)極活性物質(zhì)中加入配方比例的高比表面積碳材料制成鉛碳混合負(fù)極，抑制硫酸鉛結(jié)晶長大，有效克服了普通鉛酸電池在循環(huán)過程中負(fù)極硫酸鹽化問題。

和普通鉛酸電池相比，儲(chǔ)能鉛碳電池具有以下優(yōu)勢：抑制部分荷電態(tài)（PSOC）下負(fù)極硫酸鹽化，改善了電池失效；PSOC循環(huán)壽命大幅延長，提高了4～8倍；充電接受能力是普通電池的2～3倍，快速充放電能力大幅提升；保持鉛酸電池性價(jià)比高的特點(diǎn)；使用安全穩(wěn)定節(jié)能，可廣泛應(yīng)用于各種新能源和節(jié)能領(lǐng)域。

某品牌鉛碳電池與普通鉛酸蓄電池功率對比，如表1所示。

可見，鉛碳電池有優(yōu)異的產(chǎn)品性能和低廉的價(jià)格，適用在數(shù)據(jù)中心大量應(yīng)用。

表1 鉛酸蓄電池功率對比表

1.2 儲(chǔ)能UPS

常規(guī)數(shù)據(jù)中心市電可靠性高，電池很少放電，即使偶爾有放電，按照10h率充電，可以及時(shí)補(bǔ)充回電力。按照我國現(xiàn)行峰谷電價(jià)時(shí)段分布，谷價(jià)電時(shí)間一般為8 h。為保證電池放電后的回充量和最大限度利用電池放電特性，要求UPS主機(jī)要具備40%額定功率以上的充電能力，具備市電和電池聯(lián)合供電的功能。

儲(chǔ)能式UPS（又稱儲(chǔ)能式不間斷電源，SPS）不僅具備在線式UPS的全部功能，為關(guān)鍵負(fù)載提供穩(wěn)定的電力保障，還可優(yōu)化UPS性能、無功補(bǔ)償設(shè)備和穩(wěn)壓設(shè)備的投入，同時(shí)可通過儲(chǔ)能電池對電網(wǎng)削峰填谷，利用峰谷電價(jià)為企業(yè)創(chuàng)收，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的主動(dòng)式工作和對新能源的綜合利用[3]。

儲(chǔ)能式UPS具備以下特點(diǎn)：

（1）完整的UPS功能：SPS相當(dāng)于完整的UPS，具備在線式UPS的功能，市電與電池工作相互切換時(shí)間0 ms，輸出穩(wěn)壓精度小于1%，全面保障負(fù)載不間斷供電；

（2）雙倍額定功率輸出：SPS可與電網(wǎng)并行輸出，在市電供電狀態(tài)下，SPS可達(dá)到2倍的額定負(fù)載功率輸出，并長期穩(wěn)定運(yùn)行；

（3）削峰填谷、創(chuàng)造價(jià)值：可在任意時(shí)間對電池進(jìn)行充放電，放電時(shí)間和放電深度可通過系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，系統(tǒng)可利用峰谷差價(jià)對電網(wǎng)進(jìn)行削峰填谷，降低電費(fèi)支出；

（4）優(yōu)異的性能參數(shù)：AC/DC轉(zhuǎn)換效率98%以上，DC/AC轉(zhuǎn)換效率98%以上，系統(tǒng)負(fù)載功率因數(shù)為1，峰值系數(shù)為5:1，可滿足電機(jī)、電感和電容等多諧波、非線性負(fù)載的應(yīng)用。

1.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)按照0.1C向負(fù)載供電，其余不足的功率由市電補(bǔ)充。這種工作方式的儲(chǔ)能電池放電容量最高，達(dá)到系統(tǒng)收益最佳狀態(tài)。以下為SPS的幾種工作模式。

1.3.1 市電正常時(shí)

（1）電價(jià)峰值時(shí)段：電池處于放電狀態(tài)，放電深度控制在60%～70%，放電功率按0.1C，功率不足由市電補(bǔ)充。當(dāng)放電深度達(dá)到70%或已經(jīng)不處于電價(jià)峰值時(shí)段時(shí)，由整流器輸出，電池組停止放電，確保供電可靠性、不間斷性。

（2）電價(jià)平值時(shí)期：電池處于浮充狀態(tài)，整流模塊輸出的直流電壓和當(dāng)前電池組電壓相等，負(fù)載完全由市電供電，此時(shí)對電池組只有微小的充電電流。

（3）電價(jià)谷值時(shí)段：市電同時(shí)為電池充電和負(fù)載供電，整流模塊剩余的容量用于電池組充電。

1.3.2 市電異常

市電出現(xiàn)異常時(shí)，電池組直接投入工作，實(shí)現(xiàn)0 ms切換。市電恢復(fù)后，整流器重新投入工作，及時(shí)補(bǔ)充電池組電量并繼續(xù)為負(fù)載供電。

按照最壞的情況，即峰值時(shí)段電池組放電深度已達(dá)70%，電池組SOC為30%時(shí)出現(xiàn)市電異常。此時(shí)，由剩余的電池容量為負(fù)載供電。電池組容量設(shè)計(jì)是按30%的電池容量能滿足后備時(shí)間的要求選取的，故此極限情況下仍可滿足后備需求。

1.3.3 UPS逆變器異常

此時(shí)，靜態(tài)開關(guān)可無縫切換到旁路供電，市電經(jīng)由旁路繼續(xù)為負(fù)載供電。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析

以數(shù)據(jù)中心常用的250 kVA UPS主機(jī)為例。UPS系統(tǒng)后備時(shí)間選15 min，正常配置需要2組200 Ah/480 V蓄電池組[2]；儲(chǔ)能系統(tǒng)按照放電60%容量，剩余容量滿足15 min后備時(shí)間；需配置5組200 Ah/480 V蓄電池組。250 kVA UPS按滿載放電，5組蓄電池組60%容量放電時(shí)間約為38 min[1]，每天放出電量約為151kW·h。如果按照0.1C放電，其余不足功率由UPS補(bǔ)充。5組蓄電池組60%容量放電時(shí)間約為5 h[1]，每天放出電量約為240 kW·h。以北京地區(qū)峰谷電差1元和系統(tǒng)充放電效率85%計(jì)算，滿載放電每天可以節(jié)約電費(fèi)128.35元，0.1C放電每天可以節(jié)約204元電費(fèi)。以鉛碳電池60% DOD循環(huán)次數(shù)3 000次計(jì)算，滿載放電在電池生命周期內(nèi)可節(jié)約電費(fèi)385 050元，0.1C放電可節(jié)約電費(fèi)612000元。儲(chǔ)能系統(tǒng)效益對比結(jié)果，如表2所示。

通過表2比較分析，采用第二種方式可以充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)勢，達(dá)到收益最大化，即增加電池部分投資3.54年即可收回成本。按照儲(chǔ)能電池3 000次循環(huán)壽命計(jì)算，生命周期內(nèi)純收益達(dá)34.8萬元。以一個(gè)2000機(jī)架規(guī)模的數(shù)據(jù)中心為例，約需要40套這樣的UPS儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的收益相當(dāng)可觀。

3 結(jié) 論

數(shù)據(jù)中心的負(fù)載特性、運(yùn)營方式和國家峰谷電價(jià)的政策，都給儲(chǔ)能系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用提供了發(fā)展機(jī)遇。在眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，以鉛碳電池等為主導(dǎo)的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，在安全性、循環(huán)使用壽命和經(jīng)濟(jì)性等方面均在不斷研發(fā)并取得重大突破。儲(chǔ)能式UPS作為儲(chǔ)能技術(shù)的配套產(chǎn)品，具備普通UPS的全部功能，同時(shí)具備高效率、高可靠性和低運(yùn)營成本等優(yōu)勢，已成為儲(chǔ)能電池在數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)配套產(chǎn)品。隨著數(shù)據(jù)中心高速發(fā)展，儲(chǔ)能系統(tǒng)必將在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

表2 儲(chǔ)能系統(tǒng)效益對比