当前,数据中心正在走进5G智能物联时代,新型数据中心对其基础供电系统又提出了新的挑战。作为一种独立的商业运行模式,现代数据中心在设计建造、运营维护、高效节能、绿色环保几个方面都对基础电力保护系统提出新的要求。
设计建造方面，关注综合建造成本,要求采用高性价比产品和方案,提高投入产出比。同时还要求具有快速部署与弹性发展的特点,以灵活适应业务发展的需求。
运营维护方面 既要考虑在数据中心的整个生命周期内降低电力保护系统的运行维护成本,又要能够快速故障检测及快速维修,以降低由设备自身故障而带来的运营风险。
高效节能方面，电力保护系统自身能耗如何进一步降低,特别是在长时间低负载运行状态下的能耗如何降低,有效提高电能转换率,以有效降低非生产型电力损耗。同时还有义务帮助数据中心在可靠供电前提下合理调度电能,降低能耗成本。
绿色环保方面，绿色环保是现代数据中心的一个永恒的话题,从企业的社会责任和自身的利益两方面出发均要求数据中心减少碳排放以及自然资源消耗(如降低对物理环境、冷却、水的需求等),以及减少有害材料的使用量(特别是铅、汞等金属)等。
综上所述,对于电力保护系统的核心产品UPS来说,在其硬件结构架构、运行性能/功能、能量存储方式、电能转换及管理等几个方面的设计都需要做出有针对性的研究。
为了更好地说明如何对UPS进行针对性的设计才能适应现代新型数据中心的发展,在这里让我们以伊顿刚刚上市的一款新型大功率UPS系统93PR 600kW系统为例来进行简要的分析。
伊顿93PR 600kW系统是伊顿在2020年上市的一款新型的不间断电力保护系统,它集成了伊顿的多项研究成果和专利技术,目的是为现代新型数据中心提供完善的电力保护方案。与当前市场上常规的UPS系统的区别之一在于它的储能方式的变化。
1 锂电UPS系统
采用锂电池来替代目前流行的铅酸免维护电池,可大大降低数据中心中有害金属的使用量,在行业中已经研究并使用超过了10年的时间。
大量的研究和实践证明,采用锂电池作为电能储存设备具有极大优势:相比于传统铅酸电池,在25℃环境工作温度时,锂电池可提供2.4倍长的使用寿命,且在0～40℃的环境温度中锂电池均可正常工作,当环温升高或降低时,锂电池的使用寿命优势更会显著提升。不仅如此,在其它指标上,锂电池系统也优于铅酸电池系统,同样延时时间配置的电池组,锂电系统的体积比铅酸电池减少了42%;重量减少了25%;生命周期内的充放电循环次数提升了8倍。
当前,人们对锂电池的最大的疑虑莫过于安全性和价格两个因素了。在人们的普遍印象中锂电池的安全风险高,且价格贵,这是影响目前锂进铅退的重要原因。
实际上,锂电池的安全可靠性要比铅酸电池更高一些,由于内部结构的不同,对于铅酸电池在使用期间的某些安全风险,例如热失控现象、腐蚀气体排放、漏液等现象在锂电池使用中是不会出现的。而且在安全监控管理上,铅酸电池一般往往需要使用额外的单体电池监控系统来实现对每一块铅酸电池的充放电电流以及工作温度等重要参数的实时监测。这需要在每一块铅酸电池上加装传感器和大量的布线工程来实现,对于大量使用铅酸电池的数据中心来说,这是额外的一项工程负担,且由此导致每一块电池上平均增加数百至上千元的额外监控成本。反观锂电池系统,由于充放电管理方式的不同,所有锂电池已经内置标配了BMS电池管理系统,再无需客户额外采购,锂电池的BMS系统就可在管理电池的充放电的同时又监控到锂电池内每一个电池单元的各项参数,提高锂电池的安全监控能力。这些电池的数据是有机会集成到UPS上，使UPS和锂电池更好配合工作，提升整体的安全型性能。例如，伊顿的93PR600kW系统已经内置了目前主流的数据中心用锂电池的BMS数据通讯能力，由UPS内部控制系统来处理锂电池的管理信息数据，并根据数据变化情况来对电池的充放电进行相应的处理。与此同时，93PR的人机界面(包括UPS上额监控显示屏幕、LED故障指示灯、智能监控通讯接口)可向现场管理人员提供预警信息，通知现场操作人员进行相应额操作处理，确保用户负载、UPS、锂电池系统安全可靠。
在投入市场应用初期,锂电池的采购价格的确是非常高的,但随着锂电池应用的逐渐进展,设计生产技术的逐渐发展,锂电池的价格和铅酸电池的价格差距在逐渐的缩小,目前,从多个市场监测数据来看,同等储能能力的锂电池组与铅酸电池的初次采购价格差异已控制在30%以内。若将电池的监控系统的采购安装考虑在内,铅酸电池系统的综合采购价格已经没有优势可言了。若再考虑到整个生命周期内的电池系统的综合采购、维护成本、锂电池更长的使用寿命延长电池了更换周期、锂电池系统由于工作温度范围宽广而无需大量的冷却资源以及日常维护保养成本的降低等一系列因素,数据显示在同等应用情况的前提下,在应用6～7年,锂电池系统的综合使用成本已经开始明显低于铅酸电池系统了,在应用到10～12年,锂电池的综合成本已经接近铅酸电池的一半了。这对商业数据中心用户来说,是非常可观的了。
2 锂电储能UPS系统
对于数据中心用户来说,锂电池的应用虽然可以有效地降低用户的综合使用成本和减少有害重金属的使用,但这种UPS系统还不是现代数据中心最为适合的方案。
UPS系统作为数据中心基础设施中供电系统中最为核心的设备,它负责整个供电系统的调配。UPS储能系统闲置容量及锂电池方案的出现为能量的智能调度提供可能性。
如图1所示,由于数据应用有高峰期和低峰期之分,使得数据中心的电力使用情况就相应的有峰值和波谷之分。数据中心日常所支付的电费也由电度电费和基本电费两部分组成:按用电时段分为峰时段、平时段及谷时段,乘以相应时段实际用电量可得电度电费;基本电费按电力用户与供电公司签订的(合同)最大需量×基本电费单价所得数值收取费用。这就使得数据中心的大量电力消耗都发生在高电价时段。如何合理调节电力的使用量，尽量减少使用高电价的电力成为UPS系统帮助数据中心降低运营成本的一个重要方向，即通过UPS系统的智能电力调配达到电力应用的削峰填谷的目的。
这就要求UPS系统对其整流器、充电器、直流母线系统的精确控制和监控能力。凭借着多项运算及控制处理专利技术,伊顿93PR600kW系统具备了这种智能电力调配功能,在锂电储能系统的应用基础上,预留部分容量以应对在市电断电期间仍然为重要负荷提供后备电源的前提下,在电价低时对锂电池系统充电储能;在电价高时精确控制市电供电与锂电池放电电力的比例以平移高峰时段用电量,削峰填谷;在负荷高峰时段放电以避免用电量溢出。在同等的电力使用量的情况下,通过削峰填谷的智能电力调配来达到节约数据中心电费开支的目的(见图2)。
3 锂电储能模块化UPS系统
高性能模块化UPS系统是现代数据中心UPS系统的必备条件。高性能UPS系统可以为数据中心提供可靠安全的电力保护,并且减少UPS设备自身的能耗,提升用户的操作维护的便捷性。模块化UPS架构的灵活性和一定的冗余/增容扩展能力。这些是大家有目共睹的。这里就不在赘述了。
凭借伊顿的多项知名专利技术和先进技术的引用,伊顿93PR 600kW系统的具有如下特性:
①采用三电平整流逆变技术和碳化硅混合型材料,达到优异的设计满载双转换效率97.5%;
②具有极佳的低负载运行效率。伊顿的VMMS智能模块休眠技术的使用,在20%低负载下的实际双转换效率可接近或达到97.5%;
③最大化的系统运行效率:采用伊顿的ESS交流直供技术,不同模式下转换时间<4ms的前提下,低负载节能模式下最大系统效率可达99%;
④快速的故障处理及维护/维修能力,热插拔模块化结构,MTTR<5min在线维护不断电,使得客户自主快速故障处理成为可能。
4 结束语
综上所述，适应新形势下的新基建的电力保护系统必须具备优异的工作性能、灵活的模块化结构、支持锂电池储能系统和智能的能量调配能力。
