双向变换技术 – UPS的储能应用



作者:SOCOMEC-陈浩

引言

随着人工智能、云计算的发展,数据中心成为很多公司的核心需求,每年上千亿千瓦时的耗电量不容忽视并持续增长。据不完全统计,2016年中国数据中心总耗电量超过1200亿千瓦时,这个数字超过了三峡大坝2016年全年的总发电量。在一些地区夏季高温用电高峰时,由于大量空调的使用,电网用电负荷激增,电网不堪重负,有时不得不采用拉闸限电的行政措施来缓解电网压力。

目前数据中心UPS电池还是作为各自独立的用电设备,UPS电池仅限于后备待机使用,即在电网中断时电池才给负载放电,在电池生命周期中,真正使用次数很少,大部分时间处于待机备用状态,利用率很低。随着储能电池技术的发展,具有双向变换技术的UPS将成为今后的一个发展方向,双向变换既可以给负载供电也可以通过整流器向内网或电网供电,它将大大提高电池的使用率,激活并利用数据中心这部分巨大的电能储量,使得数据中心电池不再仅仅是待机备用的角色,而能积极参与到内网或电网的需求侧响应中,起到削峰填谷的作用,使得电网更具灵活性与坚强性 (1)。

储能电池在数据中心的应用

众所周知,几十年来铅酸电池一直在数据中心的UPS应用中占有主导地位,在日常放电次数不是很多的场合,铅酸电池可满足基本需求。但是随着储能电池如:铅碳电池、锂电池价格的下降,储能电池的优势愈来愈突显出来,主要表现在:充放电循环次数多、充电时间短、高能量密度、长寿命、工作温度范围宽等诸多优势。另外锂电池的体积是铅酸电池的二分之一,重量是铅酸电池的四分之一,可以为数据中心节省更多的空间,完全符合数据中心关注能源节省、减少TCO运行成本、机柜租金、空间节省等需求。

基于安全性的考虑,储能电池都需配置BMS电池管理系统,由BMS将电池的状态信息、告警、充放电参数与UPS进行通信。目前存在的问题是各品牌储能电池使用各自的BMS通信协议,BMS的通信接口没有形成统一规范。UPS主机厂家需针对不同的BMS通信接口开发不同的电池管理系统进行兼容,存在开发周期与成本问题。目前传统的UPS虽然能开发与储能电池或锂电池兼容工作,但由于其整流器只能单向转换工作,储能电池仍只能作为待机备用的功能来使用,无法真正改善电池利用率低的问题,这些因素限制了储能电池在数据中心的推广。

SOCOMEC DELPHYS GP整流逆变双向变换技术

SOCOMEC DELPHYS GP系列UPS专为IT行业和数据中心设计,容量范围从160KVA到1000KVA;主机采用DSP数字信号处理器控制;并具有优异的电气参数:

  • 输入功率因数高达999以上,输入谐波电流小于2.5%;
  • 输出功率因数为1,即KW=KVA,相比于输出功率因素为9的UPS,提高11%带载能力;
  • 整机在线工作模式效率高达96%,符合当下绿色节能的诉求;

有别于传统的UPS,SOCOMEC DELPHYS GP系列UPS整流器与逆变器均采用了双向三级变换技术,该功能工作时的电路拓扑如下,红色及绿色圆点为电池放电路径:

由于整流器采用双向三级变换技术,无论UPS是单机还是并机系统,可设置多模式运行状态,可由电池对电网及负载进行双向放电,电池放电电能被回收利用。通过UPS的参数灵活设置放电容量,灵活设置放电时间,设定充电时间,以配合电网峰谷电价,即完成了在线安全电池检测,同时达到减少TCO运行成本的目的。

数据中心的收益与经济性

按照江苏徐州的工业用电电价共分3段计算:峰值电价1.05元/度,谷值0.31元/度,平值0.66元/度,峰谷单价差0.75元/度。

通过UPS对电池充放电时间进行自动编程设置,即:峰值放电,谷值充电,平值待机,以一台DELPHYS GP 500kVA UPS内网或需求侧放电功率100KW,每天峰值放电2小时计算,每天受益150元,每年受益54750元,既减轻了电网峰值用电负担,又带来了显著的收益与经济性。

结束语

综合SOCOMEC公司50年来的技术不断积累,采用了电力电子领域的最新DSP技术和控制领域的最新方法,SOCOMEC DELPHYS GP UPS的创新整流双向变换技术与储能电池完美结合,可大大提高数据中心的电池利用率。未来如能配套出台进一步的电网需求侧响应政策与储能供电规范,数据中心业主可通过提高电池的利用率获得电费收入 (2)。

参考文献

1.UL 1741

2.FERC 841

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