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高效节能的飞轮储能UPS,看电力安全

霓虹灯组成的风景已成漆黑中的回忆,惊诧之际人们茫然走上街头,电梯停在半空,地铁突然失控,信号灯骤然熄灭,城市全部瘫痪……这就是8·14北美在遭遇历史上最大一次停电事故中的一刹那。从印度大停电到古巴大停电,直至近日的美国飓风“桑迪”对电力的破坏,电力故障无可回避,电力灾难难以预测,未雨绸缪、防患未然,成为国家安全必须考虑的重中之重!

1、应用飞轮储能式UPS的技术背景

几十年来,数据中心的运营依赖于电源的可靠性。可以说没有电源,就没有数据中心。第一代数据中心供电思维主要围绕电力保护,并以不间断电源(UPS)和冗余电源供电形式确保电力始终可用。在某些类型的应用中,高性能计算(HPC)和容忍电力中断导致人们重新考虑对电源保护的需求。

千百年来,中国人对于印度总是怀着向往,一拨一拨高僧到西天去取经,一代一代的信徒渴望魂归西方极乐世界。我们从印度传承了佛教并成为中华文明重要的组成部分,我们跟达摩学习了武术并将其名扬四海。学习印度似乎是中国人的一种历史宿命。

UPS(Uninterruptible Power System/Uninterruptible Power Supply),即不间断电源。UPS就是一台交流市电稳压器,同时它还向机内电池充电;当市电中断时, UPS 立即将电池的直流电能,通过逆变零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。

承载人类社会文明的电网系统在这一次次的事故中暴露出现实的脆弱,在脆弱的电力网络之上是中国信息化成熟之后,各行各业对于信息系统的高度依赖。如何保证这些信息系统不间断地运行,已成为中华民族参与全球化角逐的基础问题。直面电力灾难,信息化中国应无恙!

我们过去所讨论的UPS都属于静态UPS的范畴,其原理是:在这些UPS的运行中,除了冷却风扇之外,所用到的各种电子元件及电气部件均无任何机械运动。多年的静态UPS运行经验显示:尽管静态UPS对确保各行业用户负载的安全运行做出了“功不可没”的巨大贡献。然而,它仍存在如下的弱点:

将蓄电池和备用发电机转换到其他或不可替代的产品变得流行起来。例如,布鲁姆能源公司的转型就是将天然气燃料电池作为数据中心电源的主要来源,将电网作为后备电源。与大型柴油机相比,燃料电池没有大的机械和很少的运动部件。由于是现场发电,因此入站的电网和电力上游发生的任何事情都无关紧要,只要天然气没有中断就得正常供电。

印度大停电

不间断电源是什么?你知道吗?UPS不间断电源,简单点说,就是一种含有储能装置,以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。还广泛应用于矿山、航天、工业、通讯、国防、医院、应急照明系统等各个领域。下面我就给大家详细科普一下不间断电源是什么以及不间断电源的相关知识。

平安无事中国电网

(1)静态UPS的效率“不够高”:相关的统计资料显示,对于中、大容量的工频机型UPS而言,其效率仅为93%~94%。对于中、大容量的高频机型UPS而言,其效率仅为94%~95%。对于当今日益强调节能、环保的社会而言,这种UPS本身的损耗仍然偏高。

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印度当地时间7月30日凌晨2时30分,环境温度超过37℃,适度超过81%。随着印度经济的崛起,越来越多的家庭已经可以靠电空调在这样炎炎夜晚中安然入睡,其中也包括了国有电力机构的员工们。而此时此刻,对于社会底层的农民而言,正是一个偷电灌溉干旱农田的大好时机。在这个等级森严的“民主国家”中,生活在最底层的贫苦农民将偷电视为一种民权,私搭乱建的偷电线路向蜘蛛网一样遍布城乡,印度电力线路损耗率据说达到30%。而地方官员为了争取选票,对于他们的偷盗国家电网公司和邦政府电力局的电力行为视而不见。

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随着中国信息化建设的成熟,信息系统已经涵盖了各种自动化系统,其中也包括航空、气象、银行、金融以及交通等重点行业企业的信息系统,这些系统对于信息化的中国而言,无疑就是国家的关键基础设施,而电力系统则是维持这些基础设施不间断运行的必要保证。

(2)UPS中蓄电池组是导致UPS的故障率增高和日常维护量增大的重要因素。而且,蓄电池的使用寿命短。此外,可能会对环境造成严重污染的废旧电池的处理问题,至今仍是困扰我们的难题之一。

但是为什么要配置备份电源呢?企业的应用程序需要它在更大的方案中吗?将发电机和UPS添加到任何数据中心,即使企业正在采购数据中心即服务,也需要花费成本。UPS和发电机具有需要摊销的前期资本成本,并且维护和测试发电机也需要持续的运营费用。

印度首都新德里所在的北方邦境内距离阿格拉附近的一座400千伏高压变电站不堪重负出现了故障,导致部分输电线路和变电站负荷过载,随后发生连锁反应,最终导致了整个北部电网的崩溃。停电范围覆盖了包括首都新德里在内的印度北部地区,德里邦、哈利亚纳邦、中央邦、旁遮普邦、拉贾斯坦邦、北安查尔邦、北方邦等在内的9个邦 3567万千瓦的负荷,占印度全国负荷的18%左右。

不间断电源是什么

“目前,整个社会对信息系统的依赖性非常强,停电事故将造成网络宕机,将给国家造成巨大的损失”。国务院信息化工作办公室推广应用组副组长赵小凡指出,“北美、印度、古巴发生的大停电事件对于我们而言是一个教训,我们应该就此研究在中国特色的环境下如何来避免此类事故的发生。作为一个现代、成熟的社会,我们应该针对电力事故等可预测的和难以预测的灾害加强事故处理灾难预警系统的建设;并且,加强电力系统的合理调配是避免电力事故发生的重要手段,而合理调度的关键在于决策,而决策的依据就是搜集信息,这也需要好的信息系统。中国电力改革需要积极进行电力信息化建设。”

因此,作为解决以上难题的技术途径之一是:选用飞轮储能式的动态UPS来代替双变换在线式的静态UPS。

如果本地电网足够可靠,企业可以不必采用UPS/发电机组合。一些国家和地区已经建立了高度冗余,高度强健的基础设施,以支持依赖稳定电力供应的重工业。尽管目前并不是为数据中心而设计部署的,但一个强大的电网是数据中心可靠运营的必不可少的条件。这给人们带来了应用和数据中心基础设施的问题。高性能计算(HPC)应用,如预测建模/仿真和加密安全性,目前正在运行于计算基础设施上,而无需UPS和发电机的专用电源保护。

超过3.7亿人在酷热中醒来,在一片黑暗中不知所措。接踵而至的是一个个城市陷入了瘫痪,路灯、红绿灯全瞎了火,铁路中断,地铁停运,供水系统瘫痪,加油站无法工作,居民被迫在盛夏酷暑中忍受没有电扇、空调、冰箱、电梯的煎熬,并因为电视、广播和互联网中断而陷入末日般的恐慌……。此次大面积停电被认为是印度11年来最严重的停电事故。

UPS(UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply),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。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备如电磁阀、压力变送器等提供稳定、不间断的电力供应。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就是一台交流市电稳压器,同时它还向机内电池充电;当市电中断时,UPS立即将电池的直流电能,通过逆变零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。

中国电力企业联合会电力可靠性管理中心胡小正处长则用天平的例子形象地说明了“为什么电网会发生大规模的停电事故”。

2、飞轮UPS的技术优势

用户意识到在电力保护的成本和(有时是不确定的)利益之间进行了平衡,并且需要获得尽可能多的计算能力,以获得更快的结果。例如,加密货币的挖掘是尽可能快地产生足够加密货币的竞赛。通过适当的设计,如果电源中断,工作丢失就成为等待重新启动并在最后记录的恢复点启动的问题。

印度电网分三级管理,即联邦、区域和邦。印度电网管理借鉴美国模式,各邦电力调度中心不归联邦电力调度中心管理,联邦调度中心在各个邦超负荷用电情况下,只能通过印度中央电力监管委员会下达处罚通知,但是没有权力和适当方法限制其用电。7月30日停电事故时,印度北部电网总负荷达到3400万千瓦,已超过调度允许量,但是,大家却只能袖手旁观,直到电网崩溃。

不间断电源特点

“一边是发电,中间是电网,一边是用户。”胡小正解释道,“怎么保持发电与用户之间的平衡?如果说电源不够,一定要把负荷甩掉一部分,良性的电网就是要保持平衡。如果局部地区的平衡被打破,整个系统的平衡也将被打破,如果电网没有自我恢复平衡能力,整个系统一下子就瓦解了。”

近年来,在国内外的数据中心、半导体芯片制造业、某些特种军用通信系统及政府的机要部门正日益关注和选用一种飞轮储能式的动态UPS(简称飞轮UPS或动态UPS)。采用这种UPS可以获得如下好处:

可以理解,许多应用程序和数据中心无法在没有电源保护的情况下正常运行。实时事务处理只是系统无法承受中断服务的一个示例。但IT专业人士开始重新考虑所有事情的100%正常运行时间的原有做法,以获得更多的整体计算能力。

其实,印度已经不是第一次发展大停电事故,2001年1月2日,印度北部也曾发生一次重大停电事故。但印度电力部并没有从中认真吸取教训,反而利用这次停电进一步从联邦政府获得更多预算和强化自身垄断权益,利用超高压交流输电网络将全国5大区域电网更加紧密地绑在了一起,希望通过一个规模更大,电压等级更高的电网来应对停电事故。此外,在这次大停电之前,因北方邦等几个月来俩联系用电负荷超过定额,终于令北方电网不堪重负而大崩溃。印度电力部此前曾几度警告过总理办公室,但因害怕得罪执掌北方邦政权的大众社会党,印度总理办公室对警告未加理会,最终酿成大祸。

UPS是针对中国电网环境和网络监控及网络系统、医疗系统等对电源的可靠性要求,克服中、大型计算机网络系统集中供电所造成的供电电网环境日益恶劣的问题,以全新的数字技术研制出的第三代工频纯在线式智能型UPS。直流电源,是维持电路中形成稳恒电流的装置。如干电池、蓄电池、直流发电机等。

“美国电力系统存在数量众多的独立发电运营商,处于一种松散的联合状态,出现电力事故后每个运营商只想着自己的安全,从而导致了整个系统的快速瓦解。”胡小正说明了造成8·14北美大停电的电力管理机制上的问题。“反观我国的电网建设,虽然电力改革进行了很多年,电厂早已分离为独立的实体,整个电网却仍处于国家的统一管理之下。这种管理机制的优势是发现问题后可以做出迅速的反应,这样才能保证电网的稳定发展。

(1)更进一步地提高UPS的效率:相关的资料显示,可将UPS的效率从静态UPS的92%提高到飞轮UPS的98%。

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7月30日清晨经过印度电力部门的积极抢修,累计恢复了60%的停电用户的供电;下午1点,恢复到70%的停电用户的供电,并在首都新德里全面恢复了供电;下午4点半,恢复到85%的供电;随后到95%电力用户也都陆续恢复了供电。经常应对停电事故的印度电力部门在恢复供电方面有着丰富的经验,其效率不仅比2001年有了大幅度提高,甚至超过了美国东部大停电恢复供电的速度。

UPS和直流电源是企业重要的供电保障设备,传统的维护管理包括:①日常巡检外观,定期更换电池、滤波电容、风机等易损件,大修时做电池活化等;②改造或采用换代设备,使用高级工具测试电池性能。这种管理方式企业投入成本高,维护人员工作量大,不易实时掌握设备运行状态和关键数据,设备事故预防能力低。实施在线维护管理可避免传统方式的不足之处,获得良好效益。

尽管如此,中国水利水电科学研究院自动化所教授级高工屠明德告诉大家,我国电网系统仍然存在着诸多问题,事故隐患仍然大量存在。“一个操作员把开关拉错了,就足以对整个电网造成巨大的损失。”

(2)将故障率明显偏高的蓄电池部件从UPS中彻底取消。由此所能获得的好处是:不仅有助于提高UPS的可靠性,还可以大幅度地减少电源值班人员的维修工作量。

然而,在印度北部电网恢复供电数小时后,当地时间7月31日下午13点05分,包括首都新德里在内的印度北部电网、东部电网和东北电网同时崩溃,全国28个邦中竟有20个邦再次陷入电力瘫痪。《纽约时报》驻印度记者形容发生大停电“就像灾难片”,受灾范围“从东部的印缅边界一直蔓延到西部的印巴边界”。大停电共影响供电负荷约5千万千瓦,铁路停驶了数以百次列车,煤矿将数百名矿工留在漆黑一片的井下,民众怨声载道,媒体愤怒以及。超过6.7亿人口受到了停电影响,相当于整个欧洲的人口,成为人类有史以来影响人口最多的一次电力系统事故。印度电力部已经任命专门的事故调查小组进行独立调查,印度电监会已经通知事故调查小组尽快向其提交调查报告,但至今未能公布造成多电网大停电的原因和结论。

UPS的中文意思为“不间断电源”,是英语“UninterruptiblePowerSystem/UninterruptiblePowerSupply”的缩写,它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘,使用户不致因停电而影响工作或丢失数据。

胡小正也坦承,北京市几乎每年都有局部地区的停电,前两年东北地区的大面积停电也造成了相当大的影响。目前全国范围内已经出现大面积区域缺电的情况,南方地区尤为明显。许多南方企业一到夏天,一个星期只能上四天班,三天要停电,甚至有向“三天上班、四天停电”的趋势演变。

对于这种飞轮UPS而言,当市电供电正常时,它在利用市电向用户供电的同时,还将部分电能同时通过具有电动机和发电机调控功能的“同步补偿机(G/M)”装置而以动能的形式储存在其巨大的飞轮中。

纷争的结论

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此外,我国用电量增长迅速,而电力系统的发展却难以及时跟进。例如南方一些沿海发达省市每年用电量增长18%~20%,仅广东东莞一年的用电量增长就达到了30%。胡小正无奈地说:“照此速度发展,电力系统稍微一打盹就跟不上需要。”

此时,对于其“同步补偿机(G/M)”装置而言,不仅承担着短时效的能量转换调控功能,将来自市电的电能变换成储存在飞轮中的机械能。而且,它还承担着自动稳压以及对可能来自市电电网和用电设备所产生的谐波电流执行自动补偿的调控功能,就是将输出电流的谐波含量THDI值实时地调节到趋于零。当市电供电中断时,它可以利用原来储存其飞轮中的巨大动能的惯性驱动同步补偿机(G/M)装置继续旋转。此时同步补偿机(G/M)装置将自动承担着发电机的调控功能,从而确保对各种用电设备的连续不间断地供电。能够将飞轮UPS推向新的实用阶段的推动因素有:

中国的电力专家或比世界上任何一个国家都更加关注印度的这次大停电事故的结论,特别是7月31日的第二次造成印度三大电网同时崩溃的原因,因为它很可能会影响到中国下一步的电力改革方向。在印度民众经历了世界上最大规模的一次停电之后,8月1日,印度的新任电力部部长莫伊利称,他当前的首要任务是启动对印度电力体制的改革,而印度电力体制改革已因进展缓慢屡遭公众批评。

不间断电源优点

在电力系统的可靠性方面,中国与发达国家相比也存在着不小的差距。例如,我国去年每户平均停电时间为8个小时左右,一般发达国家都在一个小时之内,日本东京只有10分钟左右。而对于用户非常关心的停电次数来说,发达国家每年户均0.3次左右,我国则两次左右,有着近10倍的差距。

(1)对于当今的技术相当成熟的电力工业而言,由于普遍采用了由信息化管理的、智能化供电的电网调度技术,以及在用户的供电系统中采用ATS开关在双路市电输入电源之间自动执行“切投调控”操作的保护性的设计方案,在他们的市电输入供电系统中,发生长时间的停电事故的几率是极低的。

全国人大代表、中国工程院院士、国网电力科学院名誉院长薛禹胜认为,印度大停电事故暴露出网架结构、管理、体制等方面的诸多问题。最为核心的问题是,印度缺少电力统一调度管理、电网调配能力弱。他说,“印度电网不但发展滞后,缺乏坚强的骨架电网,而且缺失电力系统综合防御的顶层设计,管理与技术的支撑手段有限,对停电灾难缺少应对预案。

不间断电源的主要优点,在于它的不间断供电能力。在市电交流输入正常时,UPS把交流电整流成直流电,然后再把直流电逆变成稳定无杂质的交流电,给后级负载使用[2] 。一旦市电交流输入异常,比如欠压了或者停电了又或者频率异常了,那么UPS会启用备用能源-蓄电池,UPS的整流电路会关断,相应的,会把蓄电池的直流电逆变成稳定无杂质的交流电,继续给后级负载使用。这就是UPS不间断供电能力的由来。图1是典型的UPS框图。

国电信息中心张晓东表示,美国出现大面积停电事故与其现行的电力运营机制、管理模式和反应速度有着很大的关系。“实际上,在事故发生的前3天,类似的事故已经在俄亥俄州发生,由于体制的问题,美国没能将这次停电故障控制在一定范围之内,因此出现了后面的大事故。”

这样一来,就为依靠动能型的惯性能量来确保负载的连续供电的飞轮UPS得到实际应用创造出极为有利的运行条件。

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当然,UPS的不间断供电时间不是无限的,这个时间受制于蓄电池自身储存能量的大小[2] 。如果发生交流停电,那么在UPS的蓄电池供电的宝贵时间内,您需要做的就是赶紧恢复交流电,比如启用备用交流电回路、启用油机发电,实在不行,就只能紧急存盘,保存劳动成果,等待交流电恢复正常后再继续。

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