芻議磁懸浮技術(shù)及DPS的運(yùn)用

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一、DPS+飛輪組合系統(tǒng)的分析

由于DPS系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，非常適合對(duì)特定重要服務(wù)器負(fù)載供電的應(yīng)用場(chǎng)合。但因采用較貴的鐵鋰電池導(dǎo)致投資成本增加，且還存在電池組壽命無法保障的弊端。將磁懸浮飛輪儲(chǔ)能設(shè)備替代原有鐵鋰電池，則可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在理論上組合系統(tǒng)將更加優(yōu)越，但還需進(jìn)一步分析。

1、系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合實(shí)際試用情況，DPS+飛輪組合系統(tǒng)的架構(gòu)。其工作原理為：市電正常時(shí)，機(jī)房?jī)?nèi)所有機(jī)架設(shè)備均通過DPS設(shè)備從交流列頭柜引接交流電源，同時(shí)飛輪設(shè)備處于低電流運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)（充滿電后），并通過專門配置的小容量UPS為自身控制電路及顯示屏提供不間斷電源。當(dāng)市電斷電或市電出現(xiàn)閃斷時(shí)，DPS設(shè)備將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并立即發(fā)出啟動(dòng)飛輪設(shè)備的信號(hào)，飛輪設(shè)備接收到信號(hào)后將自身儲(chǔ)存的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為高壓直流輸出，一方面通過直流列頭柜同時(shí)給多個(gè)機(jī)架提供后備電源，另一方面通過UPS的逆變器為自身控制顯示部分提供不間斷電源，直至后備油機(jī)將市電送達(dá)機(jī)柜的DPS輸入端。此后，DPS將轉(zhuǎn)入正常工作，而飛輪設(shè)備將根據(jù)DPS的指令信號(hào)進(jìn)入充電狀態(tài)，充滿后又轉(zhuǎn)為低電流運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2、投資分析

假設(shè)前提為更好地分析DPS系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、DPS+飛輪組合系統(tǒng)、UPS+飛輪供電系統(tǒng)和DPS+飛輪+部分鐵鋰電池系統(tǒng)的建設(shè)投資情況，需要構(gòu)建同一個(gè)建設(shè)前提?，F(xiàn)假設(shè)某機(jī)房需要建設(shè)200架機(jī)柜，單機(jī)架功耗為2.2KVA/架，總負(fù)荷為352KW，合440KVA。在同等負(fù)載及同一建設(shè)基礎(chǔ)條件下，考慮以上五種供電系統(tǒng)的建設(shè)方案、初期投資和10年內(nèi)的總投資情況。

計(jì)算結(jié)果計(jì)算原則：10年內(nèi)DPS和UPS主機(jī)等主設(shè)備無需更換（不含蓄電池），整體投資成本主要考慮初期投資成本以及后期運(yùn)營(yíng)需要支出的電費(fèi)、測(cè)試費(fèi)、維修費(fèi)、設(shè)備更換費(fèi)、運(yùn)維人員工資等。對(duì)于UPS系統(tǒng)因配備鉛酸蓄電池額外占用的機(jī)房面積，只計(jì)列其相應(yīng)的初期土建成本。五種供電系統(tǒng)投資情況。

計(jì)算過程a）DPS系統(tǒng)：10年內(nèi)鐵鋰電池需要更換1次，設(shè)備更換及其安裝測(cè)試費(fèi)用為：0.8萬元/套×200套×（1+10%）=176萬元。該供電系統(tǒng)十分節(jié)約電能，無需空調(diào)等費(fèi)用，且節(jié)省空間。該系統(tǒng)10年內(nèi)的電費(fèi)可按照0.42萬元/年×10年=2萬元估列，合計(jì)為176+2=180.2萬元。b）UPS系統(tǒng)：10年內(nèi)蓄電池需要更換2次，費(fèi)用為64萬元/次×2次=128萬元，其安裝測(cè)試費(fèi)為128×10%=12.8萬元。因蓄電池產(chǎn)生的電費(fèi)支出為0.9元/度×（384V×4A×24h÷1000）×365天×10年=12.1萬元（廠商建議800AH蓄電池耗電按照平均4A考慮）。因蓄電池額外增加的空調(diào)耗電費(fèi)用：0.9元/度×（16KW÷2.5）×24h×365天×10年=50.5萬元（用于蓄電池的空調(diào)制冷量按照16KW考慮，能耗比為2.5）；采用蓄電池后導(dǎo)致整體系統(tǒng)故障率提高，故障維修費(fèi)用為2萬元/年×10年=20萬元；在同時(shí)考慮維護(hù)通道的情況下，蓄電池及開關(guān)柜占地面積約為（1.076×3+0.8×3）×4+0.6×0.8×2=25.72m2，2臺(tái)飛輪設(shè)備總共占地面積為：0.7×0.8×2×3=36m2，前者相比飛輪多占用25.72-36=22.36m2，可按照22m2估算。該機(jī)房空間初期建筑成本為22m2×1.5萬元/m2=33萬元。蓄電池需要經(jīng)常進(jìn)行容量測(cè)試，測(cè)試費(fèi)用為2萬元/年×10年=20萬元。而采用鉛酸蓄電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)全自動(dòng)響應(yīng)功能，需要人工手動(dòng)操作，從整體供電系統(tǒng)的維護(hù)和管理角度考慮，需要配置2名維護(hù)人員，按照每人每年工資7萬元計(jì)，維護(hù)人員工資為14萬元/年×10年=140萬元。合計(jì)為128+12.8+12.1+50.5+20+33+20+140=416.40萬元。c）DPS+飛輪系統(tǒng)：采用飛輪每年需要投入的電費(fèi)為：0.42萬元/年×10年=20萬元。d）UPS+飛輪系統(tǒng)：采用飛輪每年需要投入的電費(fèi)為：0.42萬元/年×10年=20萬元。e）DPS+飛輪+部分鐵鋰方案：該方案保留了部分鐵鋰電池（后備時(shí)間按照10min考慮），一方面是為DPS內(nèi)部控制電路提供伺服電池，另一方面是為了確保油機(jī)啟動(dòng)時(shí)間。10年內(nèi)鐵鋰電池需要更換1次，因更換鐵鋰電池和整流器產(chǎn)生的追加投資為0.33萬元/套×200套×1=66萬元，其安裝測(cè)試費(fèi)用為66×10%=6.6萬元。采用飛輪每年需要投入的電費(fèi)為：0.42萬元/年×10年=20萬元。合計(jì)為66+6.6+2=76.8萬元。

投資結(jié)論在同等負(fù)載需求（440KVA）、同一建設(shè)基礎(chǔ)條件下，以10年為期五種供電系統(tǒng)的投資成本分析情況?？梢酝茢?，隨著運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)，UPS系統(tǒng)和DPS系統(tǒng)的追加投資將大幅增加。而DPS+飛輪系統(tǒng)的追加投資增加很少，其總體投資成本將會(huì)最少。

3、效益分析

節(jié)能減排效益DPS+飛輪供電系統(tǒng)一方面工作效率高，無需經(jīng)過逆變過程，系統(tǒng)自損低；另一方面采用飛輪設(shè)備替代鐵鋰電池，不僅節(jié)能且完全無污染。故組合系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色節(jié)能環(huán)保。間接經(jīng)濟(jì)效益DPS+飛輪組合供電系統(tǒng)對(duì)樓層承重沒有特殊要求，大樓建設(shè)初期不需要考慮電力電池室的建筑負(fù)荷為16KN/m2的要求，因而能減少大樓初期土建成本。而且節(jié)省出來的電力機(jī)房可以直接轉(zhuǎn)化為IDC機(jī)房，形成業(yè)務(wù)收益。其次，系統(tǒng)運(yùn)行中無需增加額外的空調(diào)配置及因空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的電費(fèi)投入。最后，飛輪設(shè)備可靠性高、20年內(nèi)免維護(hù)和更換，而鐵鋰電池一般6年左右需要更換一次，因而能節(jié)省后期設(shè)備更換的追加投資。

管理維護(hù)效益采用少量的飛輪設(shè)備取代大量的、分散的鐵鋰電池，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各個(gè)機(jī)柜的后備電源保障，同時(shí)也便于集中維護(hù)和管理，而且飛輪設(shè)備具備遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄、拷貝和上傳功能，能直接提升運(yùn)維管理水平，對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)房精細(xì)化管理體系具有現(xiàn)實(shí)意義。

社會(huì)效益DPS分散供電技術(shù)本身就是一種優(yōu)勢(shì)十分明顯的新技術(shù)，與傳統(tǒng)的集中供電方式截然不同。該技術(shù)能滿足特定用戶重要負(fù)載的分散供電及需要后備電源保障的需求，具有十分廣闊的市場(chǎng)空間和應(yīng)用前景。而飛輪儲(chǔ)能技術(shù)作為一種旨在取代蓄電池實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的新的儲(chǔ)能技術(shù)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用并不多見。開展dps分散供電技術(shù)和飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的綜合應(yīng)用研究，能樹立起敢于承擔(dān)社會(huì)責(zé)任、緊跟時(shí)代脈搏的良好企業(yè)形象，而且能大力提升自身維護(hù)管理水平、降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的技術(shù)創(chuàng)新及構(gòu)建科學(xué)的精細(xì)化企業(yè)運(yùn)管體系的雙豐收。

二、存在問題

飛輪設(shè)備結(jié)合DPS使用有兩種情況：一是保留部分鐵鋰電池，二是完全替代鐵鋰電池。從技術(shù)層面考慮，這兩種情況還存在以下問題。

1、個(gè)性問題

1）保留部分鐵鋰電池的情況DPS設(shè)備需增加外接電池接口及三級(jí)（市電/飛輪/鐵鋰電池）切換電路。在DPS輸入端市電掉電時(shí)（包括市電斷電或者DPS輸入端空開跳閘或發(fā)生其他故障等情況），DPS內(nèi)部切換電路應(yīng)該能夠迅速切換到飛輪設(shè)備端，飛輪設(shè)備將經(jīng)過外接電池接口給DPS設(shè)備提供電源。在飛輪設(shè)備放電結(jié)束而市電尚未恢復(fù)前（包括市電恢復(fù)、油機(jī)啟動(dòng)或故障排除等情況），DPS內(nèi)部切換電路能夠迅速自動(dòng)切換到鐵鋰電池供電狀態(tài)，待檢測(cè)到市電輸入端有電后再切換到到市電供電端。該切換電路應(yīng)能自動(dòng)檢測(cè)并保證切換響應(yīng)時(shí)間為ns或者ms級(jí)以滿足服務(wù)器負(fù)載的需求。

2）完全替代鐵鋰電池的情況DPS設(shè)備內(nèi)部控制電路需要一直提供低壓直流電源，目前飛輪設(shè)備無法提供低壓直流電源輸出，因此此時(shí)需要對(duì)DPS設(shè)備或飛輪設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部電路改造。

2、共性問題

a）在市電正常而部分DPS設(shè)備因?yàn)榭臻_跳閘或其他故障發(fā)生市電掉電時(shí)，飛輪設(shè)備無法檢測(cè)到掉電情況，也就不能及時(shí)為出現(xiàn)故障的DPS設(shè)備提供直流電源。要解決此問題有兩種辦法：一是對(duì)飛輪設(shè)備進(jìn)行電路改造后，讓其輸出端能一直提供高壓直流。當(dāng)市電正常且部分DPS設(shè)備市電輸入端掉電時(shí)，DPS將自動(dòng)切換到飛輪設(shè)備端，由其輸出的高壓直流電源繼續(xù)為負(fù)載供電。二是DPS和飛輪設(shè)備均需要增加通信接口，并研發(fā)檢測(cè)控制器。DPS設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)市電情況，并能迅速向飛輪設(shè)備發(fā)出指令信號(hào)，飛輪設(shè)備接收到指令信號(hào)后能迅速響應(yīng)。

b）飛輪設(shè)備和DPS組合使用存在電壓不匹配的問題，需要對(duì)飛輪設(shè)備或者DPS設(shè)備進(jìn)行電路改造或升級(jí)，以保證兩者能夠匹配使用。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上，磁懸浮飛輪設(shè)備和DPS設(shè)備優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將二者組合使用構(gòu)建新的供電系統(tǒng)，無論是將飛輪設(shè)備全部替代鐵鋰電池還是部分替代鐵鋰電池在理論上可行，在投資成本、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益方面的優(yōu)勢(shì)也比較明顯。但在技術(shù)層面均涉及到DPS設(shè)備和飛輪設(shè)備的內(nèi)部電路改造或升級(jí)，并可能涉及到檢測(cè)控制器的研發(fā)，這需要兩家設(shè)備廠商分工協(xié)作才能做好。在解決了技術(shù)上的問題后還需要進(jìn)行下一步的匹配測(cè)試、可靠性分析和技術(shù)認(rèn)證。

作者：雷衛(wèi)清陳鳳王麗單位：江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司