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现在是重新考虑UPS储能要求的时候吗?
  • 如今,UPS在工业领域、通信基站、数据中心等领域得到了广泛而深入的应用,各种高端精密设备也随之大量增加,不仅对供电质量提出了更高的要求,同时对供电的连续性也需要更加可靠的保障。随着UPS市场的高速发展,UPS配套的电池需求也在日益增加,长期以来,铅酸蓄电池一直UPS电源的标配,另一方面,而锂电池、超级电容器、飞轮等技术和产品也使UPS的储能方式发生更多的改变。

    如今,UPS在工业领域、通信基站、数据中心等领域得到了广泛而深入的应用,各种高端精密设备也随之大量增加,不仅对供电质量提出了更高的要求,同时对供电的连续性也需要更加可靠的保障。随着UPS市场的高速发展,UPS配套的电池需求也在日益增加,长期以来,铅酸蓄电池一直UPS电源的标配,另一方面,而锂电池、超级电容器、飞轮等技术和产品也使UPS的储能方式发生更多的改变。
      
      兆瓦时分钟的时代到来
      
      行业专家最近在LinkedIn网站上看到一个产品公告,德国Piller公司推出了一个高速小型飞轮UPS,可以在长达1分钟的时间内提供1兆瓦的电能,专家评论说,这似乎意味进入了"兆瓦时分钟"的时代。
      
      虽然飞轮储能对于数据中心市场来说并不陌生,但与UPS采用传统的蓄电池相比,其接受度有限。最近,锂电池正在UPS领域进行推广和应用,许多主要的UPS制造商都在证明这一点。目前,这些UPS制造商正在推广替代传统铅酸蓄电池的锂电池,并希望将其作为一种长期的"行业标准".
      
      飞轮UPS在数据中心应用中的使用分为两大类:一类是采用电网供电的大型低速重型旋转UPS,还有采用柴油机组供电的旋转式UPS(DRUP)。第二类是用于替代UPS蓄电池的高速直流飞轮UPS.无论有用什么类型的飞轮UPS,它们通常可以提供15到60秒的电力支持,而其使用的空间要比铅酸蓄电池组小得多。
      
      曾有一家铅酸蓄电池供应商宣称他们的UPS电池可以提供5分钟或更短时间的应用,这似乎很奇怪。所以人们在关于UPS备用时间的思考方面似乎有一些分歧。如今只有少数企业和托管服务提供商使用,例如杜邦Fabros技术公司(现被DigitalRealty公司收购)为其在美国的一些数据中心设施使用了飞轮。高速飞轮的一个主要的优点是具有更高的功率密度(在尺寸和重量方面相比),并且可以在非常短的时间(15至60秒)内释放其储存的旋转动能。
      
      功率密度VS能量密度
      
      在蓄电池选用上,目前铅蓄电池仍然是UPS市场主流。然而大多数人应该知道铅蓄电池的功率密度和能量密度之间的差异。功率是一个瞬时测量值(kW),而能量代表在一段时间(kWh)内输送或消耗的功率。讨论蓄电池特性时,这个区别特别重要。其密度通常与其物理尺寸和重量相关。根据其设计和化学性质,蓄电池的功率密度和能量密度并不直接相关。例如,蓄电池可能能够在很长时间(即10小时)内输送大量的能量,但是在非常短的时间内输送大量的能量时,其放电容量将会受到更多限制(5到15分钟)。这是铅酸蓄电池常见的非线性放电特性,蓄电池的安时额定值(AH)通常基于10小时C10(甚至20小时C20)的放电率。
      
      但是,随着负载电流(功率)的增加,蓄电池有效的放电容量将大大降低。在典型的数据中心UPS应用中,一组额定容量为100AH的蓄电池的任务是将其储存的能量放电至5小时,但可能只能提供C10额定容量的25%至30%,持续放电的时间为15分钟或更少。例如:放电电流为120A时,可以放电0.25小时;放电电流为250A时,可以放电0.1小时,其放电直至达到其低压截止点(通常每个2V电池标称值将下降到大约1.75V)。其结果是在UPS关机时,蓄电池组的电压由12V降至10.5V,以避免电池损坏。
      
      随着UPS的蓄电池电压下降,放电容量将将进一步减少。例如:由240块电池串联的电池组电压为480V,在放电时其电量降低10%,降到432V(或更低)。而为负载提供恒定功率,这导致电池组的电流消耗了10%或更多。尽管这些都是简化的例子,但是,为了确保在数据中心应用的高功率放电速率下具有足够的放电容量,这需要更大的电池容量。而锂电池与其相反,即使在较高的放电速率下,锂电池电压在负载下也将保持相对恒定,直到它们接近放电曲线的末端。另外,这个比较并不考虑铅酸蓄电池的年限和状况。这就是为什么在很多情况下需要将铅酸蓄电池并联两组或多组的原因,就是为了最大限度地降低单组蓄电池失效的风险。
      
      锂电池的使用寿命也比传统的阀控密封铅酸蓄电池更长,而且使用温度范围更高,长期总拥有成本(TCO)更低,但与铅酸蓄电池相比,其部署的前期成本更高。然而,锂电池对于数据中心的应用来说是相对较新,人们一直在期待采用锂电池的UPS在实际的数据中心运行条件下具备更长时间工作的性能。
      
      超级电容器(Super-Cap)
      
      虽然超级电容器技术已经推出了很长一段时间,但是对于数据中心应用来说还没有给予太多的重视,因为像飞轮UPS一样,它只提供了相对较短的供电时间。但是,有一些全球主要UPS生产厂商提供超级电容作为传统蓄电池的替代品。他们推出的超级电容器模块的体积大约是7×7×35英寸。额定电压为62V,重35*,但可以提供高达2000A的电流。它可以在比铅酸蓄电池和锂电池更高的温度范围(-40°F至+150°F)下工作,预计使用寿命超过15年,几乎不需要人工维护。
      
      尽管没有进行成本估算,但是生产厂商声称,与相同放电容量的飞轮相比,它拥有更低的长期总拥有成本(TCO)。相比之下,传统铅酸蓄电池需要提供5分钟的最小运行时间,至少有两组,以确保它可靠地支持100千瓦的负载,特别是当蓄电池接近其4到5年的使用寿命周期时。超级电容器和飞轮的生产厂商也承诺在15年内降低TCO,因为铅酸蓄电池在这段时间内需要更换和回收三次或更多次。此外,超级电容器的理念与飞轮相似,可以为备用发电机在30秒或更短的时间内启动负载提供电力支持。超级电容和飞轮UPS也可以用来延长使用寿命,应对任何短期的电力异常中断。而这些电力中断通常会导致UPS电源频繁切换到电池,严重缩短电池寿命。
      
      边缘数据中心的电源
      
      过去一年,微型数据中心和边缘数据中心得到了很多关注。预计这两种数据中心将满足优化物联网设备预期的本地化网络流量,以及早期部署5G网络的需求,此外,还需要在紧凑的布局中采用某种形式的备用电源,这将受益于更新的储能技术。
      
      电网级的能量存储
      
      虽然行业中一直在讨论短时间的供电可以应对电网停电,直到备用发电机起动开始为数据中心负荷供电,但是这种方法也可以应用在电网级储能方面,其部署将提高电网的峰值容量和总体可靠性。此外,这样的方法还可以提高将太阳能和风能可持续但间歇性的能源纳入其中的能力。
      
      在过去的一年里,已经有多个使用锂电池的兆瓦级电网储能的公告,以支持峰值负荷,从而最大限度地减少了天然气发电厂的需求。
      
      通用电气公司最近宣布了一个合作项目:南加州爱迪生公司(SCE)和通用电气公司采用了电网边缘的概念,将天然气燃气涡轮机和电池进行整合。SCE公司开始运行两个新的混合动力电动燃气涡轮(EGT)机组,这两个机组采用的是通用电气公司安装的涡轮机、电池和电力控制器的组合。每个机组的功率都在50兆瓦范围内,并配备了一组能够提供10兆瓦时和4兆瓦时功率的蓄电池。
      
      另一种正在部署的电网规模储能技术是钒氧化还原液流电池,其能量储存在流体(在两个储罐之间流动)中进行充电和放电。
      
      中国一家公司正在使用这项技术建设一座200兆瓦的电厂。虽然这个例子是关于电网级能量存储,但是在100英亩的土地上建设100MW的主机托管和网络规模的数据中心,这似乎并不是很牵强,因此可能缩短了UPS的续航时间(或者没有使用UPS)。这个数据中心拥有自己的多兆瓦储能系统,或通过能源供应商的合作,采用其专用资源。
      
      因此,虽然可靠性和可用性以及推测的"9"数量已经成为数据中心文化的基础,但随着新型储能技术的部署变得更加可靠和普遍,数据中心对于UPS的短暂运行将会变得更加可以接受。
      
      结语
      
      专家对2018年的数据中心预测很简单:似乎有一些组织正在争夺数据中心的可用性标准。因此,虽然并非所有的数据中心运营商都在为其UPS备份时间达到"兆瓦时分钟"做好准备,但每个组织都需要根据自己的业务需求来提出他们的数据中心对"适用性"的要求。
      
      编辑:Harris


     

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