数据中心备用电源运维辅助电源方案研究.pdf

设计研究与车辆移动电源2023年第3期数据中心备用电源运维辅助电源方案研究田智会（上海科泰电源股份有限公司，上海，2 0 17 12）摘要：数据中心所在光照和风力条件允许的地方，利用数据中心合理的可利用空间布置小型风光储供电系统作为备用电源运维辅助电源，所发电量作为补充提供蓄电池浮充电源、水套加热器电源、集装箱箱体内空间加热器电源等辅助电源，可有效降低数据中心备用电源的运维成本，优化数据中心PUE系数，有利于绿色数据中心节能建设。关键词：数据中心；备用电源；风光储供电系统Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.03.0001中图分类号：TM91文献标志码：A文章编号：10 0 3-42 5 0（2 0 2 3）0 3-0 0 1-0 31引言近年来，国家大力推动新基建发展战略，数据中心是其中的核心内涵之一。数据中心助力数字城市建设，在数字政府、智慧文旅、数字乡村、城市管理、智慧教育、工业互联网、产业发展等方面促进发展。目前数据中心建设向着模块化、预制化方向发展。柴油发电机组是数据中心基础设施至关重要的最后一道防线，柴发主机预制化程度也快速提高，集装箱形式的柴油发电机组也成为了数据中心备用电源常见的产品形态，集装箱式柴油发电机组既可以同层的多模块铺开摆放，又可以上下两层的堆叠，安装架构采用全钢结构，可节约大量混凝土，从而使总投资成本降低2 0%左右。集装箱式柴油发电机组箱体为铁质薄板内覆吸音材料（兼具有一定的保温性能），结构和材料的原因导致箱体内部保温性能差，不能像建筑物机房提供较好的保温和供暖条件。2风光储供电系统作为备用电源运维辅助电源技术方案的探讨集装箱内的自动化柴油发电机组通常都为电动马达启动，配有启动蓄电池，启动蓄电池是柴油发电机组极为重要的启动组件，其作用是对柴油机的电启动系统、监测控制系统、机组燃油系统等提供电源，启动电池是保障每台发电机组成功启动的必要条件，一旦蓄电池容量低于一定范围时，无法驱动启动马达，则机组不能按外部命令启动供电，备用应急电源供电系统失去保障作用，将会造成严重后果。为保证柴油发电机组快速、可靠的启动，就必须做好蓄电池的维护和保养工作，其中均衡充电和浮充充电是重要维护保养内容。蓄电池因为自放电和机组备用待机时控制器等通常处于监控状态消耗电量，需要及时充电补充电量。蓄电池补充电量在停机状态下通常通过就近接入市电通过三段式工作的市电浮充充电器进行，弥补蓄电池自放电和在线热备用的控制器系统电量消耗，需要常年在线运行，累计也有较大电量的消耗。同时，柴油发电机组在低温环境下启动困难一直是行业难题，主要是由于以下原因：如对于电启动柴油机来说，其启动扭矩的大小与蓄电池的容量有关。蓄电池工作的最佳环境温度在10 40 之间。当环境温度降低时，蓄电池电容量随之降低，与车辆2023年第3期移动电源柴油机启动扭矩较大幅度减小；柴油机曲轴与瓦、活塞与缸套等零件材质不同，热膨胀系数也不同。在低温条件下，不同材质冷缩变形致使配合间隙减小，从而导致启动阻力矩增大。在低温条件下，柴油机机油、分动箱中的齿轮油及液压泵中的液压油黏度增大、流动性变差，也增大了柴油机启动阻力矩。由于启动阻力矩增大，使柴油机难以达到启动所需转速（一般应大于10 0 r/min），便会出现启动困难。低温条件下，柴油机汽缸内的进气温度很低，且柴油机缸筒、活塞等相关机件以及冷却液温度也很低，由此造成进气压缩过程中的热损失较大，压缩终了时的混合气温度达不到压燃所需温度。汽缸内压缩空气温度过低，缸筒、活塞等零件润滑不良，还会造成压缩空气的压力低于正常启动时所需压力。为解决低温环境下的启动困难问题，通常需要加装水套加热器，必要时还需要加装箱体空间加热器，通常单台机组配置的加热系统功率在6 kW以上。光伏、风力等可再生能源发电是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性等优点，但是通常具有能量密度低、稳定性差的弱点，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响，在集装箱柴油电站中可采用风光储系统用来作为辅助电源。数据中心建设区域如有较好风能条件或光照条件，可以选择利用风光储系统。小型（几个kW或数十kW）风光储系统，如用于数据中心冬季加热系统以及日常蓄电池浮充充电，以清洁免费能源辅助发电补偿市电供电，可有效降低市电用电量从而降低电费支出，实现节能节费目标。冬季水套加热系统2 4小时用电量很大，某东北数据中心提到一个冬季加热系统电费约上百万元。考虑用户现场情况，对有条件现场进行风力发电、光伏发电、储能系统的应用，或者在数据中心设计阶段即可考虑，有较大节能降本潜力。在集装箱顶部和部分向阳侧面安装光伏板、顶部和钢构架等风流通道处安装风力发电机，可优先选用垂直轴风力发电机，合理利用可再生清洁能源发电。图1光伏陈列安装示意图以12 米标准集装箱为例，避开其它表面外部安装器件（如消音器等）和侧面通风百叶窗等部位，可利用面积不少于2 0 平方米，采用光电转换效率较高的单晶硅电池，仅考虑顶部安装光伏板（见图1），预计可利用光伏功率不低于3kW，以上海日照峰值时间约3.8 h为例计算，每天约发电量为11.4kWh，此部分电量可与储能系统结合来利用。如安装风力发电机组，需考虑现场具体位置情况，其功率受风力和现场空间影响较大，可优先采用占用空间小的垂直轴风力发电机，粗略估计对应每台集装箱可布置1-2 台3kW机组，在风力条件理想时发电量相比光伏系统更大，具有更好的利用效果。可再生能源发由系统所发由量应用主要如了可再生能源发电系统所发电量应用主要如下：1）箱体内部冬季加热可在集装箱箱体内部安装空间电加热器作为辅助加热系统，利用可再生能源发电系统供电，可实现箱体内保持一定的基础温度，使燃油加热器、水套加热器等装置启动工作时间缩短，减少市电电量或燃油用量消耗，降低运维成本。系统可采用独立发电系统设计，与电加热器、水套加热器等装置的主工作电源即市电供电系统独立，通过ATS开关切换工作，避免互相影响。当因光照不足或夜晚时，可再生能源发电系统供电输出不足或没有输出，转由储能或市电供电，主加热系统仍能按设置状态进行工作，在光照充足时，光伏储能系统供电的辅助加热系统工作，箱体内温度会保持在较高的温度，主加热系统如电加热器、水套加热器等因箱体内温度高于启动工作的较低设置工作温度，不会工作，可有效减少主加热系统工作时间，如辅助加热系统难以保证机箱内部设定温度时，主加热系统会及时正常启动工作。2）日常蓄电池浮充充电（下转第5 5 页）3与车辆移动电源2023年第3期启动蓄电池因为自放电和机组待机时控制器等通常处于监控状态消耗电量，需要及时充电补充电量。蓄电池补充电量在停机状态下通常通过接入市电通过市电充电器进行，需常年维持浮充状态。图2 为风光储供电系统作为备用电源辅助电源示意图。风光组件拉制票与ATS开失配合的其它位用PCS洋充电源储能电池启动警电池图2风光储供电系统作为备用电源辅助电源可再生能源发电系统电压变换后太阳能充电器输出适合启动蓄电池的电压，接入启动蓄电池，可替代或补充市电充电电量，节省市电费用。3）并市网应用或作为其它辅助电源如仅考虑集装箱柴油电站的部分空间，对于空间有限，可安装的光伏系统和风力发电系统功率较小，这部分效益不很明显，可选择性利用。3集装箱箱体外表面贴薄膜太阳能电池新方案薄膜太阳能电池是指用薄膜制造而成的太阳能电池板，与传统的单晶硅太阳能电池相比，薄膜太阳能电池具有成本低，弱光性更佳的优势。除了光伏发电之外，薄膜太阳能电池还可应用于汽车、手机等设备上，在衣服、背包，甚至帐篷上也能有所应用。其发展前景极为可观。薄膜太阳能电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造，其应用范围大，可与物体结合或是变成物体的一部分，应用非常广泛。薄膜太阳能电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料，并基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数um，从应用角度来看，薄膜太阳能电池因其轻、薄、可弯曲、颜色多变等优点，更适用于屋顶及光伏建筑一体化等分布式光伏的建设，可紧贴依附在物体表面。且薄膜太阳能电池组件因其受天气情况影响较小，发电量较晶硅组件更高，但薄膜太阳能电池目前成本相对较高。薄膜太阳能电池粘贴于集装箱顶部和迎光侧面时，不增加设备外形尺寸，非常方便，且因易于安装对其它部件影响小，可安装利用面积大于光伏板。以12 米标准集装箱为例，其安装面积约可达到45 平方米以上，预计可利用光伏功率不低于5.4kW，以上海日照峰值时间约3.8 h为例计算，每天约发电量为2 0.5 kWh，此部分电量也可与储能系统结合来利用。集装箱箱体外表面贴薄膜太阳能电池，可具有很好的贴合度和施工便利性，且对集装箱体整体外观、尺寸影响较小，是可以考虑的技术方案。4结束语在光照和风力条件允许的地方，利用数据中心合理的可利用空间布置风光储供电系统作为备用电源运维辅助电源，所发电量作为补充提供蓄电池浮充电源、水套加热器电源、集装箱箱体内空间加热器电源等辅助电源，可有效降低数据中心备用电源的运维成本，优化数据中心PUE系数，有利于绿色数据中心节能建设。参考文献：1绿色数据中心基础设施建设及应用指南2 0 2 0 年8月第1版，人民邮电出版社。2 数据中心能效影响因素及评价指标暖通空调2022年，第3期，张忠斌，等，P148-156页.3备用柴油发电机组的水套加热器试验研究移动电源与车辆2 0 18 年，第1期，陈国平，等，P45-48页。4 光伏综合用地在风光储输落地实施的研究华北电业2 0 2 2 年，第11期，梁冰峰，等，P52-53页.5适用于极寒地域运行及运输的箱式柴油发电机组机电工程技术2 0 16 年，第4期，田智会，等.P107-109页（上接第3页）It55与车辆2023年第3期移动电源并及时请教厂家不懂的问题，以便进一步提升能力水平。同时，通过加强联系，在装备故障等情况下，也可以及时取得技术支持，便于更快更好的排除问题隐患，解决好问题。5、加强与供电公司的联系。可以通过与供电公司合作的方式，参与供电公司专业培训，取得高低压操作资格。总之，雷达供电保障具有一定的特殊性，我们可以根据现有装备情况，制定合理可行的多种保障模式，从而进一步做好供电的保障工作，确保不影响装备性能发挥。我们技术保障人员应当加强理论学习，把握好重点确保供电过程安全、稳定、可靠。参考文献：【1 董葛平，廖朝涛浅谈如何搞好雷达装备供配电雷达兵，2 0 0 8（4）.作者简介：李冰（1 9 8 4-），男，助理工程师，建造师，主要从事雷达装备供配电保障工作。Discussion on The Power Supply Guarantee of Radar EquipmelLI Bing,YE Shi-qiang,LIAO Chao-tao(The 95980 Unit of the Peoples Liberation Army,Hubei441021,China)Abstract:This paper briefly introduces several different ways of power supply support for radar equipment,and analyzes thematters needing attention in the support work.The power supply guarantee method provided by me can be used as a reference for thepower supply design of unit engineering.Keywords:Radar Equipment,Power,Supply Support作者简介：田智会(1 9 7 2-)，男，陕西扶风人，控制工程硕士，高级工程师，主要从事中高端军民用新能源发电和柴油发电机组及其电子电气控制系统的研发改进工作，曾发表论文20余篇。Wind and Solar Energy Storage Power System as Operation andMaintenance Auxiliary Power Used for Backup Power of Data CenterTIANZhi-hui(SHANGHAI COOLTECH POWER CO.,LTD SHANGHAI201712,China)Abstract:The wind and solar energy storage power supply system is used in the place where the data center is located,wherethe light and wind conditions permit.The wind and solar energy storage power supply system is arranged in the reasonable availablespace of the data center as the Operation and maintenance auxiliary power supply of the backup power supply,and the generatedpower is used as a supplement to provide auxiliary power supplies such as battery floating charger power,jacket heater power,andspace heater power in the container,It can effectively reduce the operation and maintenance costs of the backup power supply in thedata center,optimize the PUE coefficient of the data center,and is conducive to the energy-saving construction of the green datacenter.Keywords:data center,backup power,wind and solar energy storage power