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山特电池在UPS系统应用及效益分析

作者:仝伯乐发布时间:2019-07-19 09:35

                                                                                                                            山特电池在UPS系统应用及效益分析


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。
  
  1 UPS与储能系统的应用和痛点
  
  (1)UPS的应用和痛点
  
  ①UPS的应用
  
  UPS是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山特电池后备时间要求不低于15min,通常采用铅酸山特电池。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,整个山特电池生命周期放电次数很少,山特电池变成睡资产,形成资源浪费;
  
  •UPS山特电池长期处于浮充状态,山特电池健康状况不明;
  
  •一般使用铅酸山特电池,山特电池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,设置山特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,山特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山特电池寿命,所以储能系统山特电池要预留部分容量不能使用(铅碳山特电池要留30%~40%),这也是一种资源浪费。
  
  2 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山特电池的容量,并且由铅酸山特电池改用铅碳山特电池,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,山特电池放电到80%~100%,对山特电池寿命影响不大。
  
  (1)山特电池储能系统(BESS)组成
  
  BESS主要由山特电池系统(Battery System,BS)、功率转换系统(Power Conversion System,PCS)、山特电池监系统(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、管理及控制通常将山特电池系统、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。
  
  (2)UPS储能系统(SPS,Storage Power Supply)
  
  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的山特电池容量,不采用铅酸山特电池而改用铅碳山特电池,利用峰谷电价充放电,每天放出部分山特电池电量进行套利,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%,对山特电池寿命影响不大;
  
  ④以铅碳山特电池50%+30%DOD(两充两放),可循环3,300天计算,每天使用,可使用9年,比一般铅酸山特电池寿命长一倍。
  
  (3)SPS系统与山特电池储能系统比较
  
  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组铅酸山特电池(举例),现改用4组铅碳山特电池,只增加两组山特电池的成本,比储能系统要投资4组铅碳山特电池少很多;
  
  ③由于UPS一般有山特电池房间,所以不用单设集装箱,节省投资;
  
  ④UPS与山特电池房间已设有空调,所以不需要再额外装设;
  
  ⑤UPS与山特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组铅碳山特电池和UPS优化费用)比山特电池储能系统少很多。SPS系统与山特电池储能系统比较见表1。
  
  (4)SPS存在问题及解决方法
  
  ①SPS存在问题
  
  山特电池大功率放电会严重影响铅酸/铅碳山特电池的寿命;
  
  山特电池大功率放电放出的容量远低于铅酸/铅碳
  
  山特电池的额定容量;
  
  山特电池容量增加,SPS充电能力要加大;
  
  山特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山特电池固定以0.1C功率向负载供电,不足的负载功率由市电供应。这样可以降低山特电池的放电功率,保持山特电池的循环寿命及提高山特电池的可放电容量;
  
  •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。
  
  3 SPS最佳山特电池容量配置计算方法
  
  SPS的山特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15min,按铅酸山特电池标准,山特电池寿命末期放电容量余下80%,等于备电12min;若以50%DOD计算,SPS要满足山特电池末期放电12min,SPS山特电池容量配置是40min。
  
  计算原理:
  
  SPS山特电池容量按40min配置,SPS每天以0.1C放电50%,相当于满功率放电20min,山特电池剩余满功率备电时间20min;在山特电池末期,山特电池满功率可放电总时间是32min(80%),每天仍以0.1C放电50%(相当于满功率放电20min),余下满功率备电时间12min。
  
  4 SPS的附加效益分析和经济收益计算
  
  (1)SPS附加效益
  
  ①如上SPS配置40min山特电池,在放电前备电后备时间是40min,储能放电后,备电时间是20min,两者都多于15min备电的要求;
  
  ②UPS不加储能时山特电池在浮充使用,山特电池健康状况不明。而SPS天天充放电,由山特电池放电的电压可以准确知道山特电池的健康状况,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铅碳山特电池以50%DOD充放电,可以使用10年,是铅酸山特电池寿命的两倍。寿命周期内可以节省一次更换山特电池的费用。
  
  (2)铅碳山特电池经济分析实例(见表2)
  

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