UPS+储能的应用及效益分析

现代生活不断产生并需求大量数据,这些数据存储在数据中心。伴随着5G、无人驾驶、物联网、人工智能等大数据的应用,数据中心将会以惊人速度发展。众所周知,数据中心是用电大户,研究数据中心节能及节省电费是数据中心建设的重点,而数据中心不间断电源系统(UPS)的普遍使用为节能技术的应用提供了先天条件。因此,UPS储能成为近年数据中心节能的热门话题。本文在此分享数据中心领域UPS+储能联合供电的新概念。

（来源：微信公众号“UPS应用”ID：upsapp作者：张丽娟）

UPS与储能系统的应用和痛点

1UPS的应用和痛点

1UPS的应用

UPS在停电时为重要设备供电,A级数据中心设有柴油发电机时,UPS电池后备时间要求不低于15min,通常采用铅酸电池。为了保证数据中心信息设备供电质量和供电可靠性,UPS是必需的,与经济效益无关。

2UPS痛点

•由于很少停电,整个电池生命周期放电次数很少,电池变成休眠资产,形成资源浪费;

•UPS电池长期处于浮充状态,电池健康状况不明;

•一般使用铅酸电池,电池4～5年就要更换。

2储能系统的应用和痛点

1储能系统的应用

储能系统主要是削峰填谷,利用峰谷电价差套利。储能系统不是必需的,没有经济效益就没有安装的价值。

2储能系统的痛点

•各地峰谷电价不同,很多地方峰谷电价差小,设置电池储能系统连投资成本都收不回来,即使峰谷电价差大的地方,电池储能投资收益也不是很高,所以很难引起大规模投资;

•一般纯储能项目的回本周期7～8年,用户或投资方不愿意投资;

•由于深度放电会影响电池寿命,所以储能系统电池要预留部分容量不能使用(铅碳电池要留30%～40%),这也是一种资源浪费。

SPS系统概念

UPS+储能(Storage Power Supply)简称SPS系统,是指UPS和储能相融合的系统,它的概念是增加配置电池的容量,并且由铅酸电池改用铅碳电池,利用夜间低谷电价时充电,在白天高峰电价时放出部分电量,进行峰谷套利,剩余电量作为UPS备电之用。偶尔停电时,电池放电到80%～100%,对电池寿命影响不大。

1电池储能系统(BESS)组成

BESS主要由电池系统(Battery System,BS)、功率转换系统(Power Conversion System,PCS)、电池监系统(Battery Monitoring System,BMS)、电能管理系统(Energy Management System,EMS)等4部分组成;同时,在实际应用中,为便于设计、管理及控制通常将电池系统、PCS、BMS重新组合成模块化BESS,而EMS主要用于监测、管理与控制一个或多个模块化BESS。图1为BESS的系统结构示意图。

2UPS储能系统(SPS,StoragePowerSupply)

1SPS是将UPS及储能系统(UPS+BESS)融合在一起,是完美的储能备电结合;

2SPS概念是在新建的UPS系统,采用优化后适合经常放电的UPS系列,并增加UPS的电池容量,不采用铅酸电池而改用铅碳电池,利用峰谷电价充放电,每天放出部分电池电量进行套利,馀下电量满足UPS的后备时间要求;

3偶尔停电时放电到80%～100%,对电池寿命影响不大;

4以铅碳电池50%+30%DOD(两充两放),可循环3,300天计算,每天使用,可使用9年,比一般铅酸电池寿命长一倍。

3SPS系统与电池储能系统比较

1SPS的UPS优化后,具有UPS及PCS功能,UPS优化成本远比一个PCS便宜;

2原来UPS要用2组铅酸电池(举例),现改用4组铅碳电池,只增加两组电池的成本,比储能系统要投资4组铅碳电池少很多;

3由于UPS一般有电池房间,所以不用单设集装箱,节省投资;

4UPS与电池房间已设有空调,所以不需要再额外装设;

5UPS与电池房间空调电费已计入原有成本,不会在储能收益扣除。

由此可见,SPS系统所增加的投资(2组铅碳电池和UPS优化费用)比电池储能系统少很多。SPS系统与电池储能系统比较见表1。

4SPS存在问题及解决方法

1SPS存在问题

电池大功率放电会严重影响铅酸/铅碳电池的寿命;

电池大功率放电放出的容量远低于铅酸/铅碳电池

电池的额定容量;

电池容量增加,SPS充电能力要加大;

电池每天多次转换充放电模式,可能影响SPS的可靠性。

2SPS解决方法

•SPS的UPS要有与市电联合供电的功能。

SPS电池固定以0.1C功率向负载供电,不足的负载功率由市电供应。这样可以降低电池的放电功率,保持电池的循环寿命及提高电池的可放电容量;

•增加SPS充电能力;

•UPS厂家需要优化UPS,控制策略分为储能模式和应急模式,设备既要适合天天放电及每天多次充放电转换,又要保持UPS原来的安全可靠性。

SPS的电池容量配置计算方法

SPS的电池容量配置是根据储能放电深度(DOD)与UPS需要的备电时间来计算。计算方法及原理如下:

UPS备电要求:备电15 min,按铅酸电池标准,电池寿命末期放电容量余下80%,等于备电12 min;若以50%DOD计算,SPS要满足电池末期放电12min,SPS电池容量配置是40 min。

计算原理:

SPS电池容量按40 min配置,SPS每天以0.1C放电50%,相当于满功率放电20 min,电池剩余满功率备电时间20 min;在电池末期,电池满功率可放电总时间是32 min(80%),每天仍以0.1C放电50%(相当于满功率放电20 min),余下满功率备电时间12min。

SPS的附加效益分析和经济收益计算

1SPS附加效益

1如上SPS配置40 min电池,在放电前备电后备时间是40 min,储能放电后,备电时间是20 min,两者都多于15 min备电的要求;

2UPS不加储能时电池在浮充使用,电池健康状况不明。而SPS天天充放电,由电池放电的电压可以准确知道电池的健康状况,这是最有用的非经济价值;

3利用峰谷电价差套利,除了可以收回设备增加的成本外,还有很佳的节省电费的收益;

4铅碳电池以50%DOD充放电,可以使用10年,是铅酸电池寿命的两倍。寿命周期内可以节省一次更换电池的费用。

2铅碳电池经济分析实例(见表2)

依据以下条件:

1UPS按500kVA计算;

2电价以江苏省峰谷平均电价计算;

3电池每天以50%+30%两充两放方式(首高峰放电50%,平段充电30%,次高峰放电30%),电池可以使用3,300天(9年);

4按满功率放电与0.1C放电作比较。

结束语

UPS+储能是储能技术的很好应用。近期有很多数据中心开始积极研究与尝试这一新概念。一旦大型数据中心广泛采用SPS,将来中小机房将会仿效,使得储能系统在数据中心的应用形成大趋势。从国家层面上来说,谷电的利用提高了电能的利用率,实现了资源的优化配置,节约了能源;对于企业来说降低了运行成本、提高了经济效益。

作者简介

张丽娟:中国建筑标准设计研究院有限公司,数据中心设计研发部总工程师。主要研究和擅长领域:数据中心电气系统设计。主要代表作品为作为负责人牵头的项目、科研、标准等。光环新网上海嘉定数据中心设计、某国家级数据中心设计(涉密)、沧州华为云计算中心等项目;《数据中心基础设施运行维护标准》、《绿色数据中心评价技术细则》、《数据中心工程设计与安装》等国标、行标及国家标准图集的编制。获得奖项:部级优秀设计一等奖2项、集团优秀工程奖2项、科技进步奖1项、中国建筑学会2017～2018一等奖1项;

吴晓晖:男,硕士,中国建筑标准设计研究院数据中心研发部副主任,高级工程师,北京工业大学动力工程专业硕士研究生指导老师;国家绿色数据中心工作专家委员会顾问。参编国家标准《数据中心基础设施运行维护标准》,团体标准《数据中心人才标准》,《绿色数据中心评估准则》等。主持完成大中小型数据中心项目几十项,集团内科研课题研究3项,获得数据中心相关发明专利一项,软件著作权2项。

文宝玉:1977年毕业于香港理工大学电机工程系,自1981年从事蓄电池行业,至今已36年。前任公司-标定工程有限公司,是日本汤浅电池的独家代理,将阀控式电池引进中国,当时在蓄电池行业享有很高知名度。2010年加入上海西恩迪蓄电池有限公司负责铅酸电池销售,2014年起主管C&D铅碳电池推广,凭对电池的熟悉和C&D的测试数据,令储能行业的人士都认同铅碳电池,现在主推UPS+储能概念,对储能行业的发展有一定的贡献。