三相UPS电源技术趋势

采用混合三电平逆变器的效率达到了97.5%,只用了24个功率器件(四电平架构要用到50个功率器件)。因此新型的混合三电平逆变器技术,它不但提高了效率,降低了元器件的数量,降低了成本,同时理论上来讲,由于元器件的数量的降低,它的可用性也得到了提高。

从后备到储能-电池角色的转变

第三个重要的趋势是电池角色的转变,从以前的后备角色的被动工作状态转变到今天的储能角色的主动工作状态(图4)。

UPS供配电系统是由UPS主机、电池、配电系统等构成的,电池在整个系统当中占有重要的地位,其成本的占比也非常高。对于大功率UPS系统来讲,在10～15年的生命周期中,电池要更换2～3次,因此电池的成本甚至要高于UPS主机的成本。  

传统的UPS供配电系统当中,电池的角色是个什么样的定位呢?绝大多数情况下,电池处于后备的被动工作的状态。数据表明,2016年中国10kV电网的可用性是比较高的。城市范围内10kV平均每年的断电次数为1.2次,平均每年的断电时间是5.2h,其中有3.5h是有提前预告的维护性断电,只有1.7h是属于突发性的断电。可以说,每年电池大概会有2次的使用机会,那么电池每次会放电多长时间呢?大型的数据中心,都会配备发电机,发电机在市电中断以后,在1min内就会完成启动并处于可以供电的状态。也就是说其实电池在每年2次的放电过程中,每次只工作了1min,这是绝大多数的数据中心电池的真实的运行模式。  

UPS系统中,UPS主机每秒钟都在工作,我们花在UPS的上面的钱是有价值的,但是电池我们花的钱更多,结果却是每年仅工作2次,每次只工作1min,而且电池日常维护工作量还是比较大的。 

产生上面问题的原因是电池以前是处于一种被动工作的后备的角色和定位,如果换一种思路,将电池定位成主动工作的储能的角色,最终发现情况完全不一样了。让电池主动工作,使电池从一个使用机会很少的消耗品变成频繁工作的利润来源或者是平衡电网的一个利器,电池的价值就会得到极大的发挥。  

大型数据中心里面,UPS供配电系统的耗电量是非常惊人的。如果搭建两条1250kW的UPS母线,支撑1000kW的IT负荷,加上UPS系统的损耗,10年下来总计电量为9200万度电。中国的很多城市采用峰谷电价计费模式,思考一下,如果把电池定位成一个分布式的储能系统,控制电池根据峰谷计费的时段,进行主动的充电和主动的放电,利用电价差进行套利,情况会怎么样呢?  

一般来讲峰谷电价差大约是1.1元/kWh,传统的12V100Ah的铅酸蓄电池,它所储存的电能大致是1.2kWh,如果每天进行2次充放电,刨除我们预留的20%～30%的容量以及考虑充放电效率,会发现每只电池每天能够挣到0.75×2=1.5(元),一年挣到550元,一只12V/100Ah铅酸蓄电池采购成本大约1000元,即两年即可收回电池成本。  

那么储能定位带来的另外一个功能就是扛峰(削峰)的功能(图5)。对于大型的数据中心(特别是ColoIDC),从设计师和用户的角度,希望申请到一台电网变压器,能够尽力的发挥变压器的容量,让它能够带更多的IT负载,可以卖出更多的机柜,可以挣到更多的钱,这样的话,这个数据中心的商业模式才更加成功。怎样才能够让一个2500kVA的变压器能够带更多的负载呢?很明显就是要提高负载率。但是IT负载它不是一条直线,它是一条曲线,根据不同类型的应用,峰峰值在5%～20%之间。如果设计负载率太高,当IT在峰值的这一点的时候,就会超过变压器的容量,也就是过载。这个是不被允许的。 

思考一下,在IT负载的峰值的时候,可否用电池储存的能量来为超出变压器能力的这一块峰值负荷供电,这样变压器就不会过载了。其实这就要求UPS有这么一个功能,叫做扛峰的功能,它可以同时从电网吸收能量,加上电池组储存的能量,一起给逆变器供电,来带IT负载。有了扛峰这个功能就可以真正的提高变压器的负载率,同时又不用担心过载。对于IDC数据中心来讲,是非常重要而实用的一个功能。  

传统的被动的后备工作模式下,电池每年工作2次每次放电1min,加上每半年一次的对电池的维护充放电的操作,一年下来电池的充放电次数平均不超过10次。但是如果进行主动的储能工作模式,峰谷电价套利和扛峰运行,给电池带来了新的问题,即电池的循环次数大大提高,每年要求500～1000次循环次数,10年运行期内,共计5000～10000次循环。  

传统的铅酸电池的循环寿命只有500～800次,远远满足不了这个要求。因此,必然的,从2010年起,锂电池开始进入数据中心。只有锂电池才能够满足这种主动的储能工作模式的循环寿命要求。 

目前锂电池的循环寿命可以达到7000～1万次,宁德时代最新的锂电池理论上的循环寿命达到了15000次。如果按照每年1000次的放电循环的话,我们会发现锂电池也可以用到十年以上,跟UPS主机的使用寿命相匹配了,再也不用每3～5年更换一次电池了。  

锂电池不单单是具有更长的循环寿命,可以将UPS系统带入崭新的分布式储能定位,锂电池与铅酸电池比,还具有如下优点:体积为1/3,重量为1/3,理论日历寿命15年(匹配UPS生命),内置BMS电池管理系统(不需要人工维护管理),适合0～50℃环境温度,1C快速充电,全生命周期TCO降低30%等。随着新能源电动汽车、储能等的驱动,锂电池初期采购成本进一步降低,会加速进入数据中心。  

（编辑：应用网_阳江站长网）

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