芻議磁懸浮技術及DPS的運用

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一、DPS+飛輪組合系統的分析

由于DPS系統優勢明顯，非常適合對特定重要服務器負載供電的應用場合。但因采用較貴的鐵鋰電池導致投資成本增加，且還存在電池組壽命無法保障的弊端。將磁懸浮飛輪儲能設備替代原有鐵鋰電池，則可以實現優勢互補，在理論上組合系統將更加優越，但還需進一步分析。

1、系統架構

結合實際試用情況，DPS+飛輪組合系統的架構。其工作原理為：市電正常時，機房內所有機架設備均通過DPS設備從交流列頭柜引接交流電源，同時飛輪設備處于低電流運轉狀態（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。當市電斷電或市電出現閃斷時，DPS設備將實時監測并立即發出啟動飛輪設備的信號，飛輪設備接收到信號后將自身儲存的機械能轉化為高壓直流輸出，一方面通過直流列頭柜同時給多個機架提供后備電源，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，直至后備油機將市電送達機柜的DPS輸入端。此后，DPS將轉入正常工作，而飛輪設備將根據DPS的指令信號進入充電狀態，充滿后又轉為低電流運轉狀態。

2、投資分析

假設前提為更好地分析DPS系統、UPS系統、DPS+飛輪組合系統、UPS+飛輪供電系統和DPS+飛輪+部分鐵鋰電池系統的建設投資情況，需要構建同一個建設前提。現假設某機房需要建設200架機柜，單機架功耗為2.2KVA/架，總負荷為352KW，合440KVA。在同等負載及同一建設基礎條件下，考慮以上五種供電系統的建設方案、初期投資和10年內的總投資情況。

計算結果計算原則：10年內DPS和UPS主機等主設備無需更換（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營需要支出的電費、測試費、維修費、設備更換費、運維人員工資等。對于UPS系統因配備鉛酸蓄電池額外占用的機房面積，只計列其相應的初期土建成本。五種供電系統投資情況。

計算過程a）DPS系統：10年內鐵鋰電池需要更換1次，設備更換及其安裝測試費用為：0.8萬元/套×200套×（1+10%）=176萬元。該供電系統十分節約電能，無需空調等費用，且節省空間。該系統10年內的電費可按照0.42萬元/年×10年=2萬元估列，合計為176+2=180.2萬元。b）UPS系統：10年內蓄電池需要更換2次，費用為64萬元/次×2次=128萬元，其安裝測試費為128×10%=12.8萬元。因蓄電池產生的電費支出為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耗電費用：0.9元/度×（16KW÷2.5）×24h×365天×10年=50.5萬元（用于蓄電池的空調制冷量按照16KW考慮，能耗比為2.5）；采用蓄電池后導致整體系統故障率提高，故障維修費用為2萬元/年×10年=20萬元；在同時考慮維護通道的情況下，蓄電池及開關柜占地面積約為（1.076×3+0.8×3）×4+0.6×0.8×2=25.72m2，2臺飛輪設備總共占地面積為：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。蓄電池需要經常進行容量測試，測試費用為2萬元/年×10年=20萬元。而采用鉛酸蓄電池無法實現整個系統全自動響應功能，需要人工手動操作，從整體供電系統的維護和管理角度考慮，需要配置2名維護人員，按照每人每年工資7萬元計，維護人員工資為14萬元/年×10年=140萬元。合計為128+12.8+12.1+50.5+20+33+20+140=416.40萬元。c）DPS+飛輪系統：采用飛輪每年需要投入的電費為：0.42萬元/年×10年=20萬元。d）UPS+飛輪系統：采用飛輪每年需要投入的電費為：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（后備時間按照10min考慮），一方面是為DPS內部控制電路提供伺服電池，另一方面是為了確保油機啟動時間。10年內鐵鋰電池需要更換1次，因更換鐵鋰電池和整流器產生的追加投資為0.33萬元/套×200套×1=66萬元，其安裝測試費用為66×10%=6.6萬元。采用飛輪每年需要投入的電費為：0.42萬元/年×10年=20萬元。合計為66+6.6+2=76.8萬元。

投資結論在同等負載需求（440KVA）、同一建設基礎條件下，以10年為期五種供電系統的投資成本分析情況。可以推斷，隨著運行時間加長，UPS系統和DPS系統的追加投資將大幅增加。而DPS+飛輪系統的追加投資增加很少，其總體投資成本將會最少。

3、效益分析

節能減排效益DPS+飛輪供電系統一方面工作效率高，無需經過逆變過程，系統自損低；另一方面采用飛輪設備替代鐵鋰電池，不僅節能且完全無污染。故組合系統能實現真正意義上的綠色節能環保。間接經濟效益DPS+飛輪組合供電系統對樓層承重沒有特殊要求，大樓建設初期不需要考慮電力電池室的建筑負荷為16KN/m2的要求，因而能減少大樓初期土建成本。而且節省出來的電力機房可以直接轉化為IDC機房，形成業務收益。其次，系統運行中無需增加額外的空調配置及因空調運轉帶來的電費投入。最后，飛輪設備可靠性高、20年內免維護和更換，而鐵鋰電池一般6年左右需要更換一次，因而能節省后期設備更換的追加投資。

管理維護效益采用少量的飛輪設備取代大量的、分散的鐵鋰電池，不僅能夠實現對各個機柜的后備電源保障，同時也便于集中維護和管理，而且飛輪設備具備遠程監控和數據記錄、拷貝和上傳功能，能直接提升運維管理水平，對實現機房精細化管理體系具有現實意義。

社會效益DPS分散供電技術本身就是一種優勢十分明顯的新技術，與傳統的集中供電方式截然不同。該技術能滿足特定用戶重要負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空間和應用前景。而飛輪儲能技術作為一種旨在取代蓄電池實現節能環保的新的儲能技術，在國內應用并不多見。開展dps分散供電技術和飛輪儲能技術的綜合應用研究，能樹立起敢于承擔社會責任、緊跟時代脈搏的良好企業形象，而且能大力提升自身維護管理水平、降低企業運營成本、實現節能減排的技術創新及構建科學的精細化企業運管體系的雙豐收。

二、存在問題

飛輪設備結合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。從技術層面考慮，這兩種情況還存在以下問題。

1、個性問題

1）保留部分鐵鋰電池的情況DPS設備需增加外接電池接口及三級（市電/飛輪/鐵鋰電池）切換電路。在DPS輸入端市電掉電時（包括市電斷電或者DPS輸入端空開跳閘或發生其他故障等情況），DPS內部切換電路應該能夠迅速切換到飛輪設備端，飛輪設備將經過外接電池接口給DPS設備提供電源。在飛輪設備放電結束而市電尚未恢復前（包括市電恢復、油機啟動或故障排除等情況），DPS內部切換電路能夠迅速自動切換到鐵鋰電池供電狀態，待檢測到市電輸入端有電后再切換到到市電供電端。該切換電路應能自動檢測并保證切換響應時間為ns或者ms級以滿足服務器負載的需求。

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

2、共性問題

a）在市電正常而部分DPS設備因為空開跳閘或其他故障發生市電掉電時，飛輪設備無法檢測到掉電情況，也就不能及時為出現故障的DPS設備提供直流電源。要解決此問題有兩種辦法：一是對飛輪設備進行電路改造后，讓其輸出端能一直提供高壓直流。當市電正常且部分DPS設備市電輸入端掉電時，DPS將自動切換到飛輪設備端，由其輸出的高壓直流電源繼續為負載供電。二是DPS和飛輪設備均需要增加通信接口，并研發檢測控制器。DPS設備實時監測市電情況，并能迅速向飛輪設備發出指令信號，飛輪設備接收到指令信號后能迅速響應。

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

三、結束語

綜上，磁懸浮飛輪設備和DPS設備優勢互補，將二者組合使用構建新的供電系統，無論是將飛輪設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、經濟和社會效益方面的優勢也比較明顯。但在技術層面均涉及到DPS設備和飛輪設備的內部電路改造或升級，并可能涉及到檢測控制器的研發，這需要兩家設備廠商分工協作才能做好。在解決了技術上的問題后還需要進行下一步的匹配測試、可靠性分析和技術認證。

作者：雷衛清陳鳳王麗單位：江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司