颜寒飞
北京泰豪智能工程有限公司
摘 要:在今年举行的中共中央会议明确提出要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。随着5G、云计算等新兴技术的大规模推广应用，用户需求正呈几何级爆发之势，我国数据中心的数量随之急速攀升，相应的用电量也在急剧增加，已对电力供应提出新的挑战。党十八大以来，党中央积极推进峰谷分时电价政策，鼓励用电客户合理安排用电时间、削峰填谷、提高电力资源的利用效率。目前大型数据中心供电架构大部分都是冗余配置，而且IT设备供电都采用UPS供电，UPS后备电源为蓄电池，利用UPS在用电高峰期时将电池内储存的电能释放出来，在用电谷段时期，再将蓄电池充满电，一方面可以提高电能利用率，一方面可以为数据中心每年省下一大笔电费，降低数据中心的运维成本。
【关键词】新基建，数据中心，节能，锂电池
绪 论:根据国家相关部门统计，2018年的全国IDC数据中心的机架数量为203.4万个，到2020年有望增长到326.7万台，增长十分迅速。新基建时代到来，数据中心作为推进器，同时也也自带着高能耗的标签，根据相关组织发布的数据中心研究报告显示，2018年中国数据中心总用电量占中国全社会用电量的2.35%，并且年平均增长率将达到10.64%。所以数据中心节能势在必行。现在数据中心大部分采用蓄电池作为UPS后备电源，目前蓄电池主要做为应急备用电源，当双路市电全部断电时，将电池储存的电能释放出来继续为设备提供一定时间的电能供应。但是很多数据中心市电供应十分稳定，基本上用不到蓄电池，随着时间推移，蓄电池慢慢后备时间越来越短，最后到无法提供一定时间后备电量时就需要换新的，后期成本很高。假设利用蓄电池在用电峰段时放电，给设备供电，然后在用电谷段利用市电给电池充电，以达到削峰填谷的作用，一方面提高电网电能利用率。同时利用峰谷时段电价差减少数据中心电费支出，降低运维费用。以往数据中心使用的是铅酸蓄电池，电池使用寿命短，削峰填谷需要电池有较长的使用寿命，充放电次数也有一定的要求。随着锂电技术的不断突破，锂电池的能量密度不断增加，而且安全性能有很大提升，同时锂电池有着铅酸蓄电池无法突破的环保新能。在未来普及使用后，成本也会越来越低，以后数据中心用锂电池作为后备电源将是一个很大的趋势。
锂电池与铅酸蓄电池的对比
1、在使用环境方面
铅酸蓄电池对环境要求较高，一半铅酸蓄电池要求环境温度在20℃-25℃之间，温度每升高10℃电池的寿命就会降低一倍。而锂电池能在-20℃-60℃下正常工作，一般不需要空调等恒温设备，同时就不需要安装维护费用，也节省了电费。
2、在使用寿命方面
铅酸蓄电池循环使用寿命在400次左右。而锂电池5小时充电率下锂电池循环寿命达到2000次以上。宁德时代电池循环充放电次数能达到八千多次。
3、在环保方面
相对于铅酸蓄电池，锂电池更环保。锂电池不含任何重金属，无污染，绿色环保。
4、在体积和能量密度方面
体积更小，重量更轻，同样容量的锂电池体积只有铅酸电池的2/3，重量也只有铅酸电池的1/3.随着锂电技术的不断突破，锂电池的能量密度也会更大。
5、在安全方面
目前使用较广的磷酸铁锂电池经过了严格的安全测试，不易爆炸。即使电池内部或外部收到伤害，电池也不燃烧不爆炸，安全性好。
6、在充放电效率方面
锂电池充放电效率高，磷酸铁锂电池充放电效率在90%以上，而铅酸蓄电池只有80%左右。
一、国家峰谷时段与电价的相关规定
为了鼓励用电客户合理安排用电时间、削峰填谷、提高电力资源的利用效率。平段执行国家价格主管部门颁布的目录电价，高峰目录电价在平段目录电价基础上上浮60%，低谷目录电价在平段目录电价的基础上下浮50%。此外，为避免夏季高峰时刻用电负荷过重超出电力系统的发电能力，减轻负荷需求对电网产生危害，每年7、8、9、三个月高峰目录电价在平段目录电价基础上上浮70%。
工业用电峰谷电时间划分：
高峰8小时：9：00-12：00，17：00-22：00
平段7小时：8：00-9：00，12：00-17：00，22：00-23：00
谷段9小时：23：00-次日8：00
下面以北京为例：
表1 北京峰谷时段电价表
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二、利用UPS削峰填谷操作
现在主流UPS都有电池低电压保护功能，通过UPS内部程序设置电池放电模式，UPS就会自动切断输入电源，通过电池给后端负载供电。当UPS检测到电池组电压下降到保护限值，UPS会自动切换到市电电源供电，同时给后备电池充电。一般大型数据中心都是24小时有人值守，可以通过第一次放电记录放电时间a小时，在后端负载不变的情况下，只需在谷段电价到来前a小时将UPS设置为电池放电模式，电池从峰段开始放电，到谷段电价来到时切换到市电供电。然后利用谷段8小时将电池电充满。这样又可以进行下一阶段削峰填谷的操作。可以通过调整后备电池的数量，来延长放电时间，理论上可以配置到后备电池能给当前负载提供5小时的供电，正好能覆盖到晚上18：00开始的峰段电价时间。
当前大型数据中心供电架构都是按照2N冗余配置，一般可以选择一半UPS在前一个周期放电，另一组放电周期和前一组错开，这样既能保证UPS后备电源的可靠性，又能提供削峰填谷节能操作空间。
三、削峰填谷节能效果计算
现在以北京某大型数据中心为例，该数据中心目前IT供电设有108台500KVA UPS，每台UPS主机所带后备电池由4组1500Ah/480V铅酸蓄电池组成（每组由40节150Ah/12V单体高功率蓄电池串联组成，单块电池终止电压10.8v），现假设电池配同样容量的磷酸铁锂电池，目前锂电池主流电池的循环充放电效率为93%。假设当钱负载下放电时间为5小时。
这样每台UPS后备电池能为负载提供的电能：
W=Pt=1500Ah*(12+10.8）/2v*40*4*93%=273.6KW.h
单台单次节省费用：
n=3/5*273.6*1.3222+2/5*273.6*0.8359-273.6*0.3818=204.1元
整个数据中心IT供电设备全部参加削峰填谷时一次可节省电费：
N=n*108=22039.9元
为了保证每次电池能充满电，给电池24小时充电时间，那么一年可以进行182次削峰填谷，则每年可以节省费用为：
M=N*182=4011261.8元
每年可以节省四百多万的电费，如果算上每年7-9月尖峰电价，节省的费用会更多，可以为数据中心节省大量运营成本。
四、目前锂电削峰填谷面临的一些困难
1、目前主要面临的是锂电成本比较高的问题，如果往后发展，锂电成本降低了，必定会带来数据中心后备电源架构的革命。
2、目前没有专门的软件针对数据中心削峰填谷相关操作，所以需要有厂家做类似嵌入系统的开发。
结 论：
随着中国新基建的步伐加大，中国的数据中心也将越来越多，大型数据中心作为未来数字经济的推进器，也将面临着能源短缺方面的问题，所以数据中心节能势在必行，未来随着锂电池的成本不断降低，利用数据中心后备电池削峰填谷也将成为可能，而且如果将节能做为数据中心的硬性指标的化，要求大部分数据中心参与削峰填谷计划，将会为提高电能利用率提供很大帮助，同时也会降低数据中心运维成本，为数据中心提供巨大的经济效益。所以在未来锂电时代到来后，利用后备锂电池削峰填谷是可行的。
参 考 文 献：
【1】李和才、覃圣林、石海瑶《通信用磷酸铁锂电池与铅酸电池的应用对比》
【2】开放数据中心标准推进委员会《数据中心储能白皮书》
颜寒飞（1990年8月），男，汉，湖北孝感，电气工程师，本科，北京泰豪智能工程有限公司，数据中心供配电方向。单位所在北京市亦庄经济开发区100176