智慧能源机房错峰储能应用系统

智慧能源应用错峰储能系统错峰储能系统2019年6月8日背景随着移动互联网、物联网、云计算等数据业务需求的爆炸式增长及IT技术的迅速发展,数据中心正在发展成为一个具有战略意义的新兴产业,成为新一代信息产业的重要组成部分。在电子信息及制造技术飞速提升的前提下,数据中心机房的建设规模及设备密度都取得了长足的增长。由于能效管理的不尽完善,设备的智能化程度缺乏等原因,数据中心也正在呈现着诸如能耗过大、运维费用高昂、管理系统落后、负载量激增、主设备运行故障等一系列问题,并且变得越来越严峻。“十三五”规划中“节能减排、绿色中国”已然上升为重要工作，业界也提出了各种节能减排技术，其中电网错峰储能用电这种新型智能电网节能方式异军突起，已从一个基本概念发展成为当前社会走向低碳经济所不可或缺的技术,成为了推动能源转型的必要条件。将储能式产品与数据中心的运行现状进行有机结合,针对数据中心所存在的问题进行改善,最大限度地提高节能和智能化管理程度,是数据中心当前迫在眉睫的需求。传统UPS系统介绍传统的UPS系统原理UPS即不间断电源，是将蓄电池（多为铅酸免维护蓄电池）与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流式电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS立即将电池的直流电能，通过逆变器切换转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护。UPS电源系统由五部分组成：主路、旁路、电池等电源输入电路，进行AC/DC变换的整流器（REC），进行DC/AC变换的逆变器（INV），逆变和旁路输出切换电路以及蓄能电池。目前机房大多采用在线式接入方式。图3-1在线式UPS系统图传统的UPS系统的局限性1.单机故障率高，且经常影响所支持系统的持续正常运转。传统的单机UPS并无备用线路或应急方案，所有的电力供应线路都为单线，一旦发生问题，电力供应中断就在所难免。这种情况一旦发生并进一步蔓延，若没有及时做相应的应对措施，极有可能造成无可挽回的损失。2.可扩展性差。传统UPS的配置固定，单一项目如果需要大容量需求则要多台配置且不能升级，如遇信息系统升级而导致要求提高电力供应能力时，唯一解决途径就是购买新的UPS。再有，UPS供电系统本身只能保障供电的安全性，其对动力环境的监测和管理却无能为力。3.维护成本高。传统UPS电源系统的维护是一项技术水平要求颇高的工作，就普通的更换电池工作来说，电池大多处于浮充状态，使用周期为3-5年，如果需要更换这要求由专业的技术人员来完成，用户一般不会自行更换，这就造成后期的维护带来巨大的交通成本与时间成本。4.监控手段落后，管理难度大。目前大多数UPS的监控方式仍旧停留在拿取通讯管理单元内部数据，获取的数据有限，电池监控管理落后，所有的电池或电池组在功能和使用上没有区别，当其中的某一块电池发生故障后，UPS电源对其不能进行及时地关闭和替换，只能报告发生了系统故障，然后由管理人员手工进行更换;另外国内多数中小机房无24小时值班人员，一般用巡查方式，不能第一时间发现隐患，非上班时间、节假日等如存在安全隐患，相关管理人员无法第一时间获知并做相应的处理。5.电能使用与锋谷平同步，造成成本较高。传统UPS电源系统24小时持续给负责供电，电量费用按日常的锋、谷、平时段顺序计量，根据江苏省2018年工业用电100千伏安以上的峰谷电量销售价格表得知：峰1.32元/千瓦时，平0.79元/千瓦时，谷0.36元/千瓦时。峰谷相差0.96元/千瓦时，平谷相差0.43元/千瓦时。在这样的情况下，大工业用电会造成锋、平段电量成本较之谷时大幅度提高，无形当中提高了企业的成本负担，大大的占用了峰、平时公共电量资源。同时，UPS系统蓄电池日常工作处于浮充状态，无日常的充放电过程，利用率较低。那么，大工业锋平时段与谷时段差价较大、企业成本数倍增高、峰时公共电量资源占量大的问题如何解决？所以，面对如此诸多痛点与困惑，一种创新的思维解决方案提了出来，即错峰储能供电系统悄然而生。解决问题思路就是通过建立锂电池组，在谷时对电池进行充电，在峰时对负载进行放电，从而提高了电量的利用率、降低了企业的成本。三、储能系统简介储能系统是一个可完成存储电能和供电的系统，具有平滑过渡、削峰填谷、调频调压等功能。可以使太阳能、风能发电平滑输出，减少其随机性、间歇性、波动性给电网和用户带来的冲击；通过谷价时段充电，峰价时段放电可以减少用户的电费支出；在大电网断电时突发事故发生时，能够孤岛运行，确保对用户不间断供电。错峰储能应用系统根据电网负荷特性，利用监控单元对蓄电池组的充放电过程进行合理科学的自动控制管理，在市电用电谷值时段为蓄电池组充电，将蓄电池组储存的能量在电网用电峰值时段主动释放以满足通信网络设备用电需求，从而实现电网错峰用电，减少电网的峰谷负荷差，智慧管理资源配置，有利于节能减排。图2-1系统布局示意图图2-2分时段储能示意图（参考示意）错峰储能系统关键设备主要包括：电池、电池管理系统、智能监控系统、储能变流器。图2-3系统示意框图电池管理系统（BMS）安装于储能电池组内，负责对储能电池组进行电压、温度、电流、容量等信息的采集，实时状态监测和故障分析，同时通过CAN总线与PCS、监控与调度系统联机通信，实现对电池进行优化的充放电管理控制。系统每簇电池组各自配一套电池管理系统，能达到有效和高效地使用每簇储能电池及整体合理调配的目的。BMS应具有电池电压均衡、电池组保护、热管理、电池性能的分析诊断等功能。BMS要求能够实时测量蓄电池模块电压、充放电电流、温度和单体电池端电压、并计算得到的电池内阻等参数，通过分析诊断模型，得出单体电池当前容量或剩余容量（SOC）的诊断，单体电池健康状态（SOH）的诊断、电池组状态评估，以及在放电时当前状态下可持续放电时间的估算，实现对电池进行优化的充放电管理控制。达到有效和高效地使用每簇储能电池及整体合理调配的目的。图2-4系统拓扑图图2-5系统通讯拓扑图系统能对所有被监控的运行参数和状态进行实时和定时数据采集，所有的电气量均采用交流采样，并保证高精度和高速度，对重要历史数据进行处理并存入数据库，采集BMS系统的各组电池的总电压、电流、平均温度、SOC、SOH、充放电电流和功率限值、单节电池电压、单节电池温度、各节电池的均衡状态、故障及报警信息、历史充放电电量、历史充放电电能等常用信息。采集PCS系统的相关参数，包括：直流侧的电压/电流/功率等、各个PCS的三相有功功率、无功功率、三相电压、三相电流、功率因素、频率、IGBT温度、RC滤波器温度、运行状态、报警及故障信息等常用信息，以及日输入电量、日输出电量、累计输入电量、累计输出电量等。采集储能系统的各个状态量，包括主回路状态（开关、事故跳闸信号、保护动作信号、异常信号）、消防报警、浸水报警、温度开发等信息并进行显示。四、错峰储能系统优势错峰储能应用即为削峰填谷，改善电网运行曲线，通俗一点解释，储能电站就像一个储电银行，可以把用电低谷期富余的电储存起来，在用电高峰的时候再拿出来用，根据波峰波谷电价不同，减少电能的浪费，节约运应成本。错峰储能的绿色优势则主要体现在：科学安全，建设周期短；绿色环保，促进环境友好；集约用地，减少资源消耗等方面。主要表现在以下几点：绿色环保，促进环境友好。满足传统UPS功能的基础上，支持多种新能源并网接入，比如风电、水电、太阳能等，支持并网运行、离网运行并可以实现并网与离网状态自动切换,零感知并入现有电网，提供单相或三相供电。科学安全，建设周期短。整体采用模块化设计，高安全、易维护的热插拔技术突破了应用瓶颈；系统采用模块化设计思路，针对储能电池增长扩容的需要，可灵活增加ESBMM模块配置，满足升级扩容要求；同时，针对储能电站用“智能一体化电池”的应用，可灵活配置ESBMM模块在电池箱中，方便用户运行维护。模块化PCS系统中采用的热插拔技术可以允许单体模块在不需停电的前提下任意进入或退出并联单元，从而实现了并联系统的在线维护，同时无需专门的仪器或技术即可进行。图3-2电池管理系统图电池均衡管理确保使用寿命；蓄电池成组技术方面，关键是如何解决电池成组以后所产生的“短板”效应，使电池成组以后也能达到较高的充放电效率和较长的使用寿命。在充电过程中，采用“补偿式串联电流均衡法”和“集中式均衡法”两项发明专利技术调整单节电池充电电流，保证系统内所有电池的电池端电压在每一时刻有良好的一致性，同时减少有损均衡方法带来的能量浪费。图3-3电池均衡管理分布式的网络结构非常有利于系统的高效、可靠地运行数据采集器不仅具备数据采集的功能还具备本地数据的计算和存储功能，既可以分担主站系统的数据处理压力，也可以在与主站通讯中断的情况下将数据存储起来，待以后补采。数据采集器的双以太网通讯接口，使之具有热备通讯通道，实现在工作通讯通道故障的情况下自动切换通讯端口，保证系统的正常运行。系统具有良好的开放性，可以方便地与其它自动化系统和智能装置进行通讯，如消防控制系统及其它系统等，实现自动化间相互通讯和信息共享。提高企业管理效率。错峰储能系统采用先进的智能化设备实时在线监控手段，具备综合管理平台提高企业管理效率，结合大数据应用分析，为用户提供机房用电情况分析测评，等数据增值服务，优化能源分配引导用户绿色用电。图3-4管理关系图此外错峰储能还能减少线损，增加线路和设备使用寿命；优化系统电源布局，改善电能质量；智能化统筹管理，提高管理效率等。五、显著的经济效益储能电站系统主要的功能是“削峰填谷”，利用峰谷电价差来产生利润，并且为企业降低用电成本，在停电时提供用电保障。“削峰填谷”特点：在高峰时段参与电力需求侧响应，获取差价收益和政府补贴收益；突发电网故障，作为应急备用电源，为客户省掉UPS备用电源投资，减少柴油发电机运行费用。PCS调节无功因数，提供无功补偿功能降低输电线路耗损。效益分析：随着云计算的发展,数据中心的建设呈现向大型化发展的趋势。超过100个机架的数据中心比例逐年上升,2019年预计达到75%。同时,大型数据中心的电力消耗也是相当惊人,对企业来说,数据中心电费已成为很大一笔开支,大幅占用运营支出。图3-3江苏电价表5000KWh，则全年电力能耗为:5000kW×24h×365天=43800000(kWh)，按照现有电价波峰波谷计算，全年机柜需花电费(波峰)1899万元+（平段）1139万元+（低谷）526万元≈3564万元，加上UPS供电设备、空调、照明、其他电力能耗约为3564万元*1.6倍=5702.4万元，即每年仅电费就高达5702.4万元。波峰费用波峰费用平价费用波谷费用其他费用总费用图3-3传统费用峰段占比如果采用错峰储能，按照最新锂电电池来计算整套建设成本，平均1KWH一次性建设成本为3000元，按理论系统满足机房4H波峰需求建设20000KWH储能基础上增加1H作为灾备和放电冗余5000KWH，共需5000KW*5H*3000元=7500万元建设成本。按照90%DOD 放电深度来计算，目前磷酸铁锂的电池寿命为循环次数7000次以上，按照当下每天循环2次（2充2放）的设计方式，每年循环700次，电池可正常使用10年左右。图3-4充放电示意图项项目低谷0:00-8:00高段8:00-12：0017:00-21：00平段12:00-17:0021:00-24:00电价0.36011.30070.7804动作充电放电平衡放电电价0.36010.36010.7804差价00.940系统能够实现一天2充2放，第一次利用谷时（0:00-8:00）电价时段完全充电一次，分别在高峰时（8:00-12:00）电价时段放电20000KWH一次【为什么放20000KWH？因为考虑到系统放电深度最大为90%且还要留有放电后的1H灾备容量5000KWH】，放电量为此次充放电产生的价格差为0.96元/KWH；（12:00-17:00）平段时间充电20000KWH,第二次在高峰时（17:00-21:00）电价时段放电20000WH一次，此次充放电产生的价格差为0.43元/KWH；设置充放电时间均为3-4小时左右，考虑到线路和设备损耗等因素，系统总效率约在95%，即储能系统一天节约的电价差为0.96*20000KWH*95%+0.43*20000KWH*95%=2.64万元,一年可节省约963万元。同时，波谷用电有政府补贴电价，电价补贴为0.18元/kwh，即一年可额外节省131万元，一年总差价△＄=963万元+131万元，一年可节省1094万元。锂电池在7000次循环后共节省1.094亿元，且电