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能源e+供电保障新模式——数据中心锂电集成技术



近年来,随着国家对节能减排政策的大力推广,数据中心作为高能耗的应用场景,其采用的各项技术、产品的节能性也得到了很高的重视。锂电池相比传统的铅酸电池而言,有着体积小、重量轻、能耗低、寿命长的优点,从而在储能及通信领域(主要是通信基站)得到了广泛的应用,但也由于锂电池组的初期投资较高(约是铅酸蓄电池的两倍),因此在数据中心建设中尚未大规模的使用。

 

 

(图片来自于网络)

国网江苏综合能源服务有限公司自成立以来,一直致力于新能源的推广和应用,尤其是一年内连续中标“南京凤凰数据中心”及“上海泛观数据中心两个超大型数据中心总承包项目,让公司对数据中心的建设方案有了新的思考和探索。

 

如何发挥自身优势打造更安全、更节能、更高效的数据中心?公司技术团队将磷酸铁锂电池组+UPS与铅酸蓄电池组+UPS两种方案进行了全面的对比分析,现就业界比较关心的安全性和经济性问题予以分析和解答。

 

1

锂电池组的安全性

是否低于传统的铅酸蓄电池组?

 

对于数据中心而言,安全性一定是放在首位的,任何撇开安全性谈经济性或者节能高效的技术措施都是无稽之谈。那么在大众所知的新闻中,锂电池自燃、爆炸的事故时有发生,是否就该否定锂电池组在数据中心的应用呢?

 

我们分析的结果是:从安全性而言,锂电池在数据中心行业有着广阔的应用前景,因为锂电池在数据中心应用的安全性取决于以下主要因素。

 

01

锂电池类型

 

 

目前市场上应用最多的锂电池分两类:三元锂电池和磷酸铁锂电池。

 

三元电池比磷酸铁锂电池有更高的能量密度和使用寿命,被广泛应用在充电汽车及手机终端等行业,但是三元锂电池对温湿度等环境要求比磷酸铁锂电池更高,导致了其安全性低于后者;

 

磷酸铁锂电池与三元锂电池相比具有耐高温,安全稳定性强,价格更低,循环性能更好的优势。

 

02

应用场景

 

 

 

三元锂电池主要应用于电动车等领域,一般处于室外环境,温度环境不稳定,持续震动,还存在撞击等风险,因此大大影响其使用安全性;而在数据中心的场景下,锂电池组布置于恒温恒湿的电池室,安全性也得到了最大程度的保障。

 

03

电池管理能力

 

 

 

数据中心应用场景下的锂电池组对电池的管理能力提出了更高的要求:不但通过UPS系统对电池组进行充放电的控制,而且锂电池组通过自身的BMS系统对单体电池的运行状态及单体均衡性等参数进行实时监控,严格确保蓄电池系统的安全性。

 

2

如果数据中心采用锂电池组,

在投资上是否远大于铅酸蓄电池组,

从而影响投资回报率?

 

国际上对数据中心的生命周期普遍认知是25年,所以我们要考虑数据中心全生命周期的投资回报,而不仅考虑初期投资。因此我们从数据中心全生命周期的视角,针对蓄电池组进行了经济性分析:

 

 

 

_

铅酸电池

磷酸铁

锂电池

备注

建设

投资

铅酸电池:

磷酸铁锂电池=1:2

随着锂电池的应用推广,价格差距将逐步缩小。

生命

周期

5-8年

>15年

在数据中心实际运行中,与蓄电池组配套的UPS更换周期大约只有12年左右,也就是说如果12年UPS需要更换的话,铅酸电池在UPS的生命周期内已经需要更换一次,而采用磷酸铁锂电池组则无需更换。

因此,总体来看,在数据中心全生命周期中,磷酸铁锂电池仅需更换1次,而铅酸电池需要更换5次以上。

循环充电次数

1000-

1500次

>4000次

>15年

/

采购

次数

4次

2次

从数据中心运维的角度而言,采用铅酸电池比锂电池多了两次的更换、系统割接工程,也就是说多了两次的系统运行风险。

充电

能耗

大,一直处于浮充状态

极小,充满后无需保持浮充

电池充电能耗,影响数据中心全生命周期内的PUE值。

占地

面积

叠放4层

更高的能量密度,更小的体积,且最多可叠放8层

相同容量的电池组,磷酸铁锂电池组占地面积仅为铅酸电池组的1/3。在数据中心行业,减少电池间面积,就意味着增大机房面积,提高机房利用率,从而增加数据中心的整体效益。

 

以上图表可以看出,在数据中心整个的25年生命周期里,蓄电池组的整体投资是接近的,甚至采用铅酸电池的组总体投资是高于采用磷酸铁锂电池的。并且,采用磷酸铁锂电池运行风险更小、能耗更低、机房面积利用率更高。

 

虽然,锂电池组在数据中心场景中的应用具备诸多优势,但是在实际应用中仍需要注意以下问题:

 

01

储能行业与数据中心的保障需求不同

 

 

 

储能行业保障需求:对电池组的保护性要求高,在非正常状态下系统被要求首先保护电池组而切断电池;

 

数据中心保障需求:系统要求首先保障的是负载的不可中断,所以电池组只有放电到设定的极限电压的情况下,才允许切断电池。

 

因此,在锂电池+UPS系统调测的过程中,需要严格遵守数据中心优先保护负载的原则,但也需要适度考虑锂电池组的安全性,对锂电池中的充放电电压门限值等参数做合理的配置。

 

02

并非市面上所有的UPS都能对接锂电池组

 

 

 

市面上的UPS分工频机和高频机两种,工频机价格高体积大,一般数据中心除了非线性负载(电梯、水泵等)都采用高频机搭建供电系统,所以锂电池建议配置在高频UPS系统中。

 

普遍的高频UPS系统都没有设计对接锂电池充电环境的电池管理系统,还有些进口厂家仅针对自有品牌的锂电池组做了适配的UPS管理系统,而无法与其他品牌的锂电池组兼容。

 

因此,在搭建锂电池+UPS供电系统的初期选型时,须关注UPS与锂电池的系统适配性,以免造成系统无法正常运行。

 

3

国网江苏综合能源公司

在江苏省某工建综合大楼的

UPS+锂电池供电系统项目具体实施案例

 

01

项目需求

 

在大楼内各层共计9路不同需求的供电负载,电池保障时间大于1.8小时:

 

负载名称

负载量(KW)

供电要求

一层营业厅

50

单路UPS供电

二层指挥中心

80

独享2N UPS系统双路由供电

综合能源展厅

50

单路UPS供电

一层监控中心

30

单路UPS供电

二层管控中心

30

单路UPS供电

二层控制中心

30

单路UPS供电

三层车联网机房

5

单路UPS供电

二层信通机房

40

单路UPS供电

三层信通机房

20

单路UPS供电

 

02

解决方案

 

 
 

03

实施亮点

 

● 将9路负载按供电等级分成三类,分别配置三套UPS+锂电池系统:100KW UPS单机系统一套,100KW UPS*2并机系统一套;300KW UPS单机系统一套;184.32kwh磷酸铁锂蓄电池6组(各系统保障时延1.84小时);

 

 

锂电池+UPS供电系统图

 

● 由于项目现场规划的机房面积过小,我们将三套系统的输入、输出配电屏合并为两台;

 

● 采用了数据中心等级的综合管理系统,实现了本地、远端和手机端的实时监控,做到无人值守;

 

 

● 机房内交直流桥架分离,加强运维安全性;

 
 

建成实景

 

● 将气体消防钢瓶放置在假机柜内部,增加机房整体性和美观度。




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