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　　1 背景及需求概述

　　數(shù)據(jù)中心(DataCenter),通常是指在一個物理空間內(nèi)實現(xiàn)信息的集中處理、存儲、傳輸、交換和管理。數(shù)據(jù)中心是一整套復雜的設(shè)施,不僅包括計算機、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲等核心設(shè)備,還包含供電、制冷、機柜、消防和監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵物理基礎(chǔ)設(shè)施。

　　近年來,隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的爆炸式增長及IT技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心正在發(fā)展成為一個具有戰(zhàn)略意義的新興產(chǎn)業(yè),成為新一代信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。在電子信息及制造技術(shù)飛速提升的前提下,數(shù)據(jù)中心機房的建設(shè)規(guī)模及設(shè)備密度都取得了長足的增長。

　　然而由于能效管理的不盡完善,設(shè)備的智能化程度缺乏等原因,數(shù)據(jù)中心也正在呈現(xiàn)著諸如能耗過大、負載量激增、主設(shè)備運行故障等一系列問題,并且變得越來越嚴峻。

　　與此同時,儲能式UPS的應(yīng)運而生,表明儲能技術(shù)已從一個基本概念發(fā)展成為當前社會走向低碳經(jīng)濟所不可或缺的技術(shù)前提,成為了推動能源轉(zhuǎn)型的必要條件。將儲能式產(chǎn)品與數(shù)據(jù)中心的運行現(xiàn)狀進行有機結(jié)合,針對數(shù)據(jù)中心所存在的問題進行改善,最大限度地提高節(jié)能和智能化管理程度,是數(shù)據(jù)中心當前迫在眉睫的需求。

　　(1)數(shù)據(jù)中心負載特性

　　近年來,在金融、通信、電力、工業(yè)自動化控制等領(lǐng)域,總電源功率需求量達1200～3000kVA的大型機房已屢見不鮮。多臺大型主機及大量的服務(wù)器、路由器、交換機、磁盤陣列機被集中安放在同一數(shù)據(jù)中心機房內(nèi),這樣的機房必須具備向用戶提供大數(shù)據(jù)吞吐量、高數(shù)據(jù)傳輸率的連續(xù)工作能力。顯然,穩(wěn)定、可靠、純凈的電源是數(shù)據(jù)中心各種設(shè)備連續(xù)、正常、高效運行的重要前提,供電系統(tǒng)不僅要為機房設(shè)備提供不間斷供電,還必須確保在網(wǎng)絡(luò)上運行的數(shù)據(jù)、語音和圖像等信息資源能高效、可靠、安全地進行遠程處理、存儲和傳輸,這都使得不間斷的供電保障系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心內(nèi)不可或缺的必要設(shè)備。

　　當前數(shù)據(jù)中心大多采用在線式UPS為負載提供穩(wěn)定的供電保障。然而,數(shù)據(jù)中心內(nèi)除服務(wù)器、路由器、交換機等關(guān)鍵負載外,還配備照明、制冷、監(jiān)控、水循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)備,設(shè)備情況復雜,對供電保障系統(tǒng)的過載能力、峰值因數(shù)等指標也有較高要求,常規(guī)的在線式UPS現(xiàn)已很難滿足當前數(shù)據(jù)中心的需求。

　　(2)供電系統(tǒng)可靠性

　　從可靠性角度分析,在數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中,串聯(lián)級數(shù)越多,其故障節(jié)點就會增加,供電可靠性就會相應(yīng)降低。反之,并聯(lián)個數(shù)越多,其系統(tǒng)供電可靠性就會越高。目前大多數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)在線式UPS系統(tǒng),采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)(見圖1),故障節(jié)點較多,因而具有較高的故障率和相對較低的可靠性。

　　因此,要保持供電系統(tǒng)的供電可靠性,除了保證供電系統(tǒng)自身的可靠性指標外,還需要簡化系統(tǒng)串聯(lián)級數(shù)。儲能式UPS的誕生,則成為了改善數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu),可以從根本上減少設(shè)備的故障節(jié)點和故障率,使得儲能設(shè)備向著高穩(wěn)定性、智能化方向發(fā)展,設(shè)備運行安全可靠,在線維護更加方便。

　　(3)數(shù)據(jù)中心運營成本

　　隨著云計算的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心的建設(shè)呈現(xiàn)向大型化發(fā)展的趨勢。超過100個機架的數(shù)據(jù)中心比例逐年上升,2016年預計達到61%。同時,大型數(shù)據(jù)中心的電力消耗也是相當驚人,對企業(yè)來說,數(shù)據(jù)中心電費已成為很大一筆開支,大幅侵蝕著企業(yè)的經(jīng)營利潤。

　　以一個建設(shè)規(guī)模為1000個機架的數(shù)據(jù)中心為例,假設(shè)每個機架功率平均為3kW,1000個機架最終負荷為3000kW,每個小時耗電3000kWh,則全年電力能耗為:3000kW×24h×365天=26280000(kWh),按照1元/kWh計算,全年需花電費2628萬元,加上UPS供電設(shè)備、空調(diào)、照明、其他電力能耗等,對一個PUE值為2的數(shù)據(jù)中心而言,每年僅電費就高達5256萬元。

　　PUE是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標,是指數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源之比,其越接近于1,表示一個數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高,越符合低碳、節(jié)能的標準。而降低數(shù)據(jù)中心PUE的最有效手段就是壓縮非IT設(shè)備的能耗。

　　傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心通常采用在線式UPS作為關(guān)鍵負載不間斷供電的保障,在線式UPS的運行效率較低,在85%～95%之間,長期運行所帶來的電力損耗驚人,運行成本很高。因此,優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施,在數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)真正的綠色節(jié)能,進一步降低能耗、提升數(shù)據(jù)中心運營效率就是十分必要和緊迫的。儲能式UPS在效率上實現(xiàn)了這一突破,其效率高達98%,比傳統(tǒng)在線式UPS高出5%～10%,這使得運營成本大大降低。對于上述3MW的數(shù)據(jù)中心來說,供電效率每提高1%,一年節(jié)省電費就超過100萬元。儲能式UPS的跨越式突破,將大大減少數(shù)據(jù)中心的運營成本,為企業(yè)大幅度節(jié)省用電開支,也將成為未來數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)發(fā)展中最為重要的一環(huán)。

　　(4)后備時間保障

　　在數(shù)據(jù)中心建造過程中,后備供電時間的選擇問題正面臨兩難。若需保障較長的后備時間,則蓄電池首次投資成本很高,并且由于電池生命周期較短,每個周期都需進行再投資,是一筆不小的花費。若只保障較短的后備時間,電池投資成本可適當降低,但市電中斷時可能會因未及時處理保存而導致關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失損毀等嚴重后果。

　　此外,如圖2所示,數(shù)據(jù)中心通常采用可靠的2N供電體系,大多情況下電網(wǎng)穩(wěn)定性良好,加之數(shù)據(jù)中心的雙路供電保障,電池則長期備用,利用率很低,造成很大一部分投資浪費,且電池長期處于浮充狀態(tài),會產(chǎn)生發(fā)熱和效率損耗,影響電池的使用性能和壽命。據(jù)統(tǒng)計,2014年,中國鉛酸蓄電池產(chǎn)量22069.77萬千伏安時,同比2013年增長4.58%。而這些電池大多都未被很好的利用,是一種巨大的能源浪費。

　　用戶在配置供電系統(tǒng)時,既希望關(guān)鍵負載可以保持較長的后備時間,也希望降低電池成本,減少投資浪費,而由于傳統(tǒng)電池后備供電時間和成本之間的矛盾問題,用戶在投資電池時也一直持審慎態(tài)度。儲能式UPS化被動為主動,通過應(yīng)用新型儲能電池,對其進行充分調(diào)動,使得設(shè)備和電池的充放電行為成為工作常態(tài),從而避免了電池閑置,也解決了用戶因擔心投資浪費而導致的電池配備容量小、設(shè)備后備時間過短的問題。

　　(5)峰谷用電現(xiàn)狀

　　為鼓勵錯峰用電,我國自1993年在上海市實行峰谷分時電價,引導用戶錯峰用電,以均衡電力負荷,實現(xiàn)供需平衡,優(yōu)化資源配置,并產(chǎn)生錯峰價值,提高整體經(jīng)濟效益。儲能式UPS的應(yīng)用,能對電網(wǎng)的合理使用起“削峰填谷”作用,即通過儲存電網(wǎng)夜間用電低谷時充足的閑余電能,到白天用電高峰時反饋輸出,對于電量消耗很大的數(shù)據(jù)中心來說,通過儲能式UPS,合理利用峰谷差價,可以節(jié)約巨額的電費開銷。

　　一天的用電高峰多分布于8時至22時,而用電低谷則集中在23時至次日7時。電力生產(chǎn)的穩(wěn)定性與需求波動性矛盾決定了實施分時電價成為最佳的選擇,通過分時電價調(diào)節(jié)需求,實現(xiàn)供求平衡。

　　以河北省南部為例,一般工商業(yè)及其他用電(電壓等級:不滿1kV)分時電價情況為尖峰時段(8～11時、16～21時):1.1213元/kWh;

　　峰時段(8～11時、16～21時):0.9863元/kWh;

　　平時段(6～8時、11～16時、21～22時):0.7162元/kWh;

　　谷時段(22時～次日6時):0.4461元/kWh

　　注:每年7月1日至9月30日期間執(zhí)行尖峰時段電價

　　簡單算一筆賬,從電價角度來看,每度電峰谷電價差為0.7元左右,假設(shè)一個數(shù)據(jù)中心配備了600kWh的儲能電池,每天在電價低谷時段儲存電量,高峰時段放出供負載使用,電池的生命周期為8～10年,則兩個生命周期內(nèi),僅通過儲能設(shè)備削峰填谷節(jié)省的電費支出就可達將近200萬元。

　　2 儲能式UPS

　　儲能式UPS(又稱SPS,儲能式不間斷電源),是先控電氣遵循“節(jié)能、綠色、環(huán)保”理念而推出的一款產(chǎn)品,其不僅具備在線式UPS的全部功能,為關(guān)鍵負載提供穩(wěn)定的電力保障,還可優(yōu)化UPS性能,節(jié)省油機、無功補償設(shè)備和穩(wěn)壓設(shè)備的投入。同時還可通過儲能電池,對電網(wǎng)削峰填谷,利用峰谷電價為企業(yè)創(chuàng)收,實現(xiàn)整套系統(tǒng)的主動式工作,并可實現(xiàn)對新能源的綜合利用。廣泛適用于數(shù)據(jù)中心、交通、金融、醫(yī)療、通信等行業(yè)。

　　SPS儲能式不間斷電源系統(tǒng)采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)AC/AC和DC/AC的并行輸出,如圖3所示,因此某一線路中單個部件損壞并不會影響整個系統(tǒng)的正常運行,相比于傳統(tǒng)UPS的串聯(lián)式結(jié)構(gòu),其線路中任一處故障都會影響系統(tǒng)的正常輸出,儲能式UPS具備了更高的可靠性。