欧美新型UPS储能技术的应用

欧美新冠肺炎大流行彻底颠覆了“一切照旧”的定义，强调了对更新的、与众不同的思维方式的需求。对于今天的企业来说尤其如此，云计算和主机托管设施因远程操作、虚拟教室、赛事活动、远程医疗、视频流媒体、社交媒体以及无数其他数据处理引起了数据爆炸。并且，随着5G服务的推出，人工智能、机器学习和物联网数据将进一步挑战IT基础设施。

美国协同研究集团(Synergy Research Group)的数据显示，在2020年第二季度，全世界各地的数据中心在硬件设施和软件方面的花销激增了25%，达到了414亿美元，AWS、谷歌和微软等公共云服务提供商的支出同比增长7%。

高德纳公司（Gartner）副总裁希德·纳吉（Sid Nag）表示:“在未来一年内，发展远程工作功能的机构将优先考虑协作软件、移动设备管理、远程学习教育解决方案和证券，以及扩大规模以支持增加产能的基础设施。”

随着对IT基础设施的日益关注，对数据中心供电的可靠性提出了更高的要求，因为任何中断都会对数字生态圈造成严重破坏。

电力中断造成的损失

因计划外电力中断造成的损失正在迅速增加。根据波耐蒙研究所（Ponemon Institute）的调查，他们自2010年以来一直跟踪数据中心因停电事故造成的损失情况，停电的平均成本从2010年的505,502美元稳步上升到2016年的740,357美元(净变化38%)。考虑到如今人们对信息的依赖程度，2021年及以后的停电成本将更高。

作为研究的一部分，波耐蒙研究所（Ponemon Institute）计算了直接和间接成本，包括对任务关键数据的影响；停机对组织生产力的影响；对设备和其他资产的影响；对法律和监管影响，包括诉讼辩护费用；对声誉的影响等。

而且不仅仅是数据中心容易受到电力中断引起的影响；所有关键任务应用--从医疗设施到工业工厂、运输系统、国防和微电网，它们的连续运行都需要可靠的电源保障。

电网电源

美国许多地区的电网的恢复能力仍然有待商榷。在加州，缓解火灾蔓延或控制需求高峰引发的高温、火灾和公用事业强制停电可能是个大问题。尽管依托2009年的《美国复苏与再投资法案》(ARRA)，电网现代化建设取得了长足进展，但其可靠性仍然存在挑战。

忧思科学家联盟(Union of Concerned Scientists)在最近的一篇博客中报道：“美国需要投资大容量输电系统，以缓解阻塞，更新老化的基础设施，并使更多的可再生能源并网。我们需要对我们的配电系统和人工系统加大投入，以适应分布式的屋顶太阳能、新的能源效率和灵活的需求技术。”

推动基础设施

根据核实市场研究公司(Verified Market Research)的数据，2019年全球数据中心电力市场价值174.5亿美元，预计到2027年将达到284.4亿美元，从2020年到2027年，复合年增长率(CAGR)为6.32%。如今的数据中心运营商在电力系统上花费了相当大的一笔资金，以确保电力可以7*24h全天候的持续运行。不过，随着更节能的系统投入使用，比如储能装置，数据中心的总拥有成本(TCO)将会降低，而效率却将提高。

企业、中到大型数据中心、主机托管设施和超级计算中心正在采取行动，将节能和低成本的电力系统纳入其中，这促使人们思索有创新精神的想法。数据中心运营商和设备经理通常采用他们认为无风险的方法来保护他们的IT基础设施，这一点也不足为奇。为了追求更有效的电力保护，促使主要的UPS供应商在其三相系统方面取得重大进展，包括高达99%的效率、模块化电力电子、可扩展设计和更小的占地空间。直流储能系统是UPS需要特别关心的关键部件。

电化学储能装置

阀控铅酸(VRLA)电池长期以来一直是UPS能量存储的首选。它们经过长期应用验证，而且比其他电池技术的前期购买成本更低。然而，它们也有很多缺点，包括：

故障率高——根据波耐蒙研究所（Ponemon Institute）的研究，55%的计划外数据中心停电和三分之一的UPS故障是由VRLA电池引起的。

寿命短，意味着更频繁的更换。

需要空调控温。

需要频繁的测试和维护。

对空间和重量有限制要求。

要按规定进行回收和处置。

控制酸液泄漏。

一些主要的UPS公司尝试提供锂离子电池作为储能选择。虽然它们比VRLA电池有更高的能量密度和更长的寿命，它们也存在缺点。根据NFPA 855标准，锂离子电池必须包含一个经过批准的电池管理系统(BMS)，具有热失控管理功能，以减轻火灾风险，电池柜周围需要3英尺的空间来减轻火势蔓延，尽管寿命更长，但它们的总拥有成本(TCO)很高。

飞轮

为了降低对环境的影响，一些主流的运营商正在逐步使用飞轮储能系统代替电池系统，为其关键负载提供应急电源保障，降低公共事业成本及减少碳排放。

飞轮储能系统就像一个动态的物理电池，飞轮以旋转质量的形式存储动能。飞轮储能系统的主要组成部分包括高速电动机/发电机、在运行期间维持飞轮转子悬浮的五轴主动磁轴承悬浮以及一套智能软件控制系统。外部输入的电能经过电动机驱动飞轮转子进行旋转，带动飞轮本体加速旋转至额定转速，使其在7*24h内保持高速旋转，直到需要释放存储的能量。

飞轮储能系统通过正负极电缆连接至UPS直流总线，与传统的铅酸蓄电池接入UPS不间断电源系统的方式完全相同。在电源中断期间，飞轮将经过UPS逆变器立即提供备用电源为负载供电，直到无缝切换至柴油发电机组供电，以保证更长的供电时间，这个过程持续的时间约30秒，可能有人觉得30秒的后备时间是不够的。“飞轮储能系统与电池的关键的区别在于，飞轮储能系统只要保持在高速旋转状态就可以随时提供可用能量，状态透明”，洞穴技术公司（Cavern Technologies）设备工程副总裁麦克·麦克丹尼尔（Mike McDaniel）这样说道。“考虑到我们的发电机组可以在10秒内上线，飞轮储能系统可以和我们的供电设计系统完美配合。”

目前全美已经有超过2000台飞轮在为数百家用户提供高可靠性的关键电力保障，2020年1月DataBank选择部署了VYCON公司的12套VDC XXT 450kW飞轮储能系统，与飞轮储能系统配套使用的是三菱9900B-750kVA在线双变换式UPS。DataBank技术总监艾伦（Allen）评论说道：“VYCON公司的飞轮储能系统具备高安全可靠性、极低的运行维护成本及绿色节能环保等优势。当飞轮储能系统运转时，可以准确知道储能装置的状态，而铅酸蓄电池则不同，无法预测它们是否处于正常的工作状态，或者在需要不间断电源供电时它们能否正常工作。更重要的是，飞轮系统存储的能量不会像铅酸蓄电池一样随着使用年限的增加而衰减。”