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歐美新型UPS儲能技術的應用

作者:王卿歡 來源:中國儲能網 發布時間:2021-01-06 瀏覽:
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譯自:《Taking Energy Storage Beyond the Limits》- www.missioncriticalmagazine.com

中國儲能網訊:歐美新冠肺炎大流行徹底顛覆了“一切照舊”的定義,強調了對更新的、與眾不同的思維方式的需求。對于今天的企業來說尤其如此,云計算和主機托管設施因遠程操作、虛擬教室、賽事活動、遠程醫療、視頻流媒體、社交媒體以及無數其他數據處理引起了數據爆炸。并且,隨著5G服務的推出,人工智能、機器學習和物聯網數據將進一步挑戰IT基礎設施。

美國協同研究集團(Synergy Research Group)的數據顯示,在2020年第二季度,全世界各地的數據中心在硬件設施和軟件方面的花銷激增了25%,達到了414億美元,AWS、谷歌和微軟等公共云服務提供商的支出同比增長7%。

高德納公司(Gartner)副總裁希德·納吉(Sid Nag)表示:“在未來一年內,發展遠程工作功能的機構將優先考慮協作軟件、移動設備管理、遠程學習教育解決方案和證券,以及擴大規模以支持增加產能的基礎設施?!?

隨著對IT基礎設施的日益關注,對數據中心供電的可靠性提出了更高的要求,因為任何中斷都會對數字生態圈造成嚴重破壞。

圖1.洞穴科技(Cavern Technologies)位于北美地下數據中心的臨界負荷,由4臺2N設計的300kVA在線雙變換式UPS和與之配套的4臺300kW美國VYCON公司VDC飛輪儲能設備進行保護

電力中斷造成的損失

因計劃外電力中斷造成的損失正在迅速增加。根據波耐蒙研究所(Ponemon Institute)的調查,他們自2010年以來一直跟蹤數據中心因停電事故造成的損失情況,停電的平均成本從2010年的505,502美元穩步上升到2016年的740,357美元(凈變化38%)??紤]到如今人們對信息的依賴程度,2021年及以后的停電成本將更高。

作為研究的一部分,波耐蒙研究所(Ponemon Institute)計算了直接和間接成本,包括對任務關鍵數據的影響;停機對組織生產力的影響;對設備和其他資產的影響;對法律和監管影響,包括訴訟辯護費用;對聲譽的影響等。

而且不僅僅是數據中心容易受到電力中斷引起的影響;所有關鍵任務應用--從醫療設施到工業工廠、運輸系統、國防和微電網,它們的連續運行都需要可靠的電源保障。

電網電源

美國許多地區的電網的恢復能力仍然有待商榷。在加州,緩解火災蔓延或控制需求高峰引發的高溫、火災和公用事業強制停電可能是個大問題。盡管依托2009年的《美國復蘇與再投資法案》(ARRA),電網現代化建設取得了長足進展,但其可靠性仍然存在挑戰。

憂思科學家聯盟(Union of Concerned Scientists)在最近的一篇博客中報道:“美國需要投資大容量輸電系統,以緩解阻塞,更新老化的基礎設施,并使更多的可再生能源并網。我們需要對我們的配電系統和人工系統加大投入,以適應分布式的屋頂太陽能、新的能源效率和靈活的需求技術?!?

推動基礎設施

根據核實市場研究公司(Verified Market Research)的數據,2019年全球數據中心電力市場價值174.5億美元,預計到2027年將達到284.4億美元,從2020年到2027年,復合年增長率(CAGR)為6.32%。如今的數據中心運營商在電力系統上花費了相當大的一筆資金,以確保電力可以7*24h全天候的持續運行。不過,隨著更節能的系統投入使用,比如儲能裝置,數據中心的總擁有成本(TCO)將會降低,而效率卻將提高。

企業、中到大型數據中心、主機托管設施和超級計算中心正在采取行動,將節能和低成本的電力系統納入其中,這促使人們思索有創新精神的想法。數據中心運營商和設備經理通常采用他們認為無風險的方法來保護他們的IT基礎設施,這一點也不足為奇。為了追求更有效的電力保護,促使主要的UPS供應商在其三相系統方面取得重大進展,包括高達99%的效率、模塊化電力電子、可擴展設計和更小的占地空間。直流儲能系統是UPS需要特別關心的關鍵部件。

化學儲能裝置

閥控鉛酸(VRLA)電池長期以來一直是UPS能量存儲的首選。它們經過長期應用驗證,而且比其他電池技術的前期購買成本更低。然而,它們也有很多缺點,包括:

?故障率高——根據波耐蒙研究所(Ponemon Institute)的研究,55%的計劃外數據中心停電和三分之一的UPS故障是由VRLA電池引起的。

?壽命短,意味著更頻繁的更換。

?需要空調控溫。

?需要頻繁的測試和維護。

?對空間和重量有限制要求。

?要按規定進行回收和處置。

?控制酸液泄漏。

一些主要的UPS公司嘗試提供鋰離子電池作為儲能選擇。雖然它們比VRLA電池有更高的能量密度和更長的壽命,它們也存在缺點。根據NFPA 855標準,鋰離子電池必須包含一個經過批準的電池管理系統(BMS),具有熱失控管理功能,以減輕火災風險,電池柜周圍需要3英尺的空間來減輕火勢蔓延,盡管壽命更長,但它們的總擁有成本(TCO)很高。

飛輪儲能

為了降低對環境的影響,一些主流的運營商正在逐步使用飛輪儲能系統代替電池系統,為其關鍵負載提供應急電源保障,降低公共事業成本及減少碳排放。

飛輪儲能系統就像一個動態的物理電池,飛輪以旋轉質量的形式存儲動能。飛輪儲能系統的主要組成部分包括高速電動機/發電機、在運行期間維持飛輪轉子懸浮的五軸主動磁軸承懸浮以及一套智能軟件控制系統。外部輸入的電能經過電動機驅動飛輪轉子進行旋轉,帶動飛輪本體加速旋轉至額定轉速,使其在7*24h內保持高速旋轉,直到需要釋放存儲的能量。

飛輪儲能系統通過正負極電纜連接至UPS直流總線,與傳統的鉛酸蓄電池接入UPS不間斷電源系統的方式完全相同。在電源中斷期間,飛輪將經過UPS逆變器立即提供備用電源為負載供電,直到無縫切換至柴油發電機組供電,以保證更長的供電時間,這個過程持續的時間約30秒,可能有人覺得30秒的后備時間是不夠的?!帮w輪儲能系統與電池的關鍵的區別在于,飛輪儲能系統只要保持在高速旋轉狀態就可以隨時提供可用能量,狀態透明”,洞穴技術公司(Cavern Technologies)設備工程副總裁麥克·麥克丹尼爾(Mike McDaniel)這樣說道?!翱紤]到我們的發電機組可以在10秒內上線,飛輪儲能系統可以和我們的供電設計系統完美配合?!?

目前全美已經有超過2000臺飛輪在為數百家用戶提供高可靠性的關鍵電力保障,2020年1月DataBank選擇部署了VYCON公司的12套VDC XXT 450kW飛輪儲能系統,與飛輪儲能系統配套使用的是三菱9900B-750kVA在線雙變換式UPS。DataBank技術總監艾倫(Allen)評論說道:“VYCON公司的飛輪儲能系統具備高安全可靠性、極低的運行維護成本及綠色節能環保等優勢。當飛輪儲能系統運轉時,可以準確知道儲能裝置的狀態,而鉛酸蓄電池則不同,無法預測它們是否處于正常的工作狀態,或者在需要不間斷電源供電時它們能否正常工作。更重要的是,飛輪系統存儲的能量不會像鉛酸蓄電池一樣隨著使用年限的增加而衰減?!?

關鍵字:飛輪儲能,UPS儲能技術

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