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刍议磁悬浮技术及DPS的运用
刍议磁悬浮技术及DPS的运用 一、DPS+飞轮组合系统的分析 由于DPS系统优势明显，非常适合对特定重要服务器负载供电的应用场合。但因采用较贵的铁锂电池导致投资成本增加，且还存在电池组寿命无法保障的弊 端。将磁悬浮飞轮储能设备替代原有铁锂电池，则可以实现优势互补，在理论上 组合系统将更加优越，但还需进一步分析。
1、系统架构 结合实际试用情况，DPS+飞轮组合系统的架构。其工作原理为：市电正 常时，机房内所有机架设备均通过DPS设备从交流列头柜引接交流电源，同时飞 轮设备处于低电流运转状态（充满电后），并通过专门配置的小容量UPS为自身 控制电路及显示屏提供不间断电源。当市电断电或市电出现闪断时，DPS设备将 实时监测并立即发出启动飞轮设备的信号，飞轮设备接收到信号后将自身储存的 机械能转化为高压直流输出，一方面通过直流列头柜同时给多个机架提供后备电 源，另一方面通过UPS的逆变器为自身控制显示部分提供不间断电源，直至后备 油机将市电送达机柜的DPS输入端。此后，DPS将转入正常工作，而飞轮设备将 根据DPS的指令信号进入充电状态，充满后又转为低电流运转状态。
2、投资分析 假设前提为更好地分析DPS系统、UPS系统、DPS+飞轮组合系统、UPS+ 飞轮供电系统和DPS+飞轮+部分铁锂电池系统的建设投资情况，需要构建同一个 建设前提。现假设某机房需要建设200架机柜，单机架功耗为2.2KVA/架，总负 荷为352KW，合440KVA。在同等负载及同一建设基础条件下，考虑以上五种供 电系统的建设方案、初期投资和10年内的总投资情况。
计算结果计算原则：10年内DPS和UPS主机等主设备无需更换（不含蓄电 池），整体投资成本主要考虑初期投资成本以及后期运营需要支出的电费、测试 费、维修费、设备更换费、运维人员工资等。对于UPS系统因配备铅酸蓄电池额 外占用的机房面积，只计列其相应的初期土建成本。五种供电系统投资情况。
计算过程a）DPS系统：10年内铁锂电池需要更换1次，设备更换及其安装 测试费用为：0.8万元/套×200套×（1+10%）=176万元。该供电系统十分节约电能，无需空调等费用，且节省空间。该系统10年内的电费可按照0.42万元/年×10 年=2万元估列，合计为176+2=180.2万元。b）UPS系统：10年内蓄电池需要更换 2次，费用为64万元/次×2次=128万元，其安装测试费为128×10%=12.8万元。因 蓄电池产生的电费支出为0.9元/度×（384V×4A×24h÷1000）×365天×10年=12.1万 元（厂商建议800AH蓄电池耗电按照平均4A考虑）。因蓄电池额外增加的空调 耗电费用：0.9元/度×（16KW÷2.5）×24h×365天×10年=50.5万元（用于蓄电池的 空调制冷量按照16KW考虑，能耗比为2.5）；
采用蓄电池后导致整体系统故障率 提高，故障维修费用为2万元/年×10年=20万元；
在同时考虑维护通道的情况下， 蓄电池及开关柜占地面积约为（1.076×3+0.8×3）×4+0.6×0.8×2=25.72m2，2台飞 轮设备总共占地面积为：0.7×0.8×2×3=36m2，前者相比飞轮多占用 25.72-36=22.36m2，可按照22m2估算。该机房空间初期建筑成本为22m2×1.5万元 /m2=33万元。蓄电池需要经常进行容量测试，测试费用为2万元/年×10年=20万元。
而采用铅酸蓄电池无法实现整个系统全自动响应功能，需要人工手动操作，从整 体供电系统的维护和管理角度考虑，需要配置2名维护人员，按照每人每年工资7 万元计，维护人员工资为14万元/年×10年=140万元。合计为 128+12.8+12.1+50.5+20+33+20+140=416.40万元。c）DPS+飞轮系统：采用飞轮 每年需要投入的电费为：0.42万元/年×10年=20万元。d）UPS+飞轮系统：采用飞 轮每年需要投入的电费为：0.42万元/年×10年=20万元。e）DPS+飞轮+部分铁锂 方案：该方案保留了部分铁锂电池（后备时间按照10min考虑），一方面是为DPS 内部控制电路提供伺服电池，另一方面是为了确保油机启动时间。10年内铁锂电 池需要更换1次，因更换铁锂电池和整流器产生的追加投资为0.33万元/套×200套 ×1=66万元，其安装测试费用为66×10%=6.6万元。采用飞轮每年需要投入的电费 为：0.42万元/年×10年=20万元。合计为66+6.6+2=76.8万元。
投资结论在同等负载需求（440KVA）、同一建设基础条件下，以10年为 期五种供电系统的投资成本分析情况。可以推断，随着运行时间加长，UPS系统 和DPS系统的追加投资将大幅增加。而DPS+飞轮系统的追加投资增加很少，其 总体投资成本将会最少。
3、效益分析 节能减排效益DPS+飞轮供电系统一方面工作效率高，无需经过逆变过程， 系统自损低；
另一方面采用飞轮设备替代铁锂电池，不仅节能且完全无污染。故 组合系统能实现真正意义上的绿色节能环保。间接经济效益DPS+飞轮组合供电 系统对楼层承重没有特殊要求，大楼建设初期不需要考虑电力电池室的建筑负荷为16KN/m2的要求，因而能减少大楼初期土建成本。而且节省出来的电力机房可 以直接转化为IDC机房，形成业务收益。其次，系统运行中无需增加额外的空调 配置及因空调运转带来的电费投入。最后，飞轮设备可靠性高、20年内免维护和 更换，而铁锂电池一般6年左右需要更换一次，因而能节省后期设备更换的追加 投资。
管理维护效益采用少量的飞轮设备取代大量的、分散的铁锂电池，不仅能 够实现对各个机柜的后备电源保障，同时也便于集中维护和管理，而且飞轮设备 具备远程监控和数据记录、拷贝和上传功能，能直接提升运维管理水平，对实现 机房精细化管理体系具有现实意义。
社会效益DPS分散供电技术本身就是一种优势十分明显的新技术，与传统 的集中供电方式截然不同。该技术能满足特定用户重要负载的分散供电及需要后 备电源保障的需求，具有十分广阔的市场空间和应用前景。而飞轮储能技术作为 一种旨在取代蓄电池实现节能环保的新的储能技术，在国内应用并不多见。开展 DPS分散供电技术和飞轮储能技术的综合应用研究，能树立起敢于承担社会责任、 紧跟时代脉搏的良好企业形象，而且能大力提升自身维护管理水平、降低企业运 营成本、实现节能减排的技术创新及构建科学的精细化企业运管体系的双丰收。
二、存在问题 飞轮设备结合DPS使用有两种情况：一是保留部分铁锂电池，二是完全替 代铁锂电池。从技术层面考虑，这两种情况还存在以下问题。
1、个性问题 1）保留部分铁锂电池的情况DPS设备需增加外接电池接口及三级（市电/ 飞轮/铁锂电池）切换电路。在DPS输入端市电掉电时（包括市电断电或者DPS 输入端空开跳闸或发生其他故障等情况），DPS内部切换电路应该能够迅速切换 到飞轮设备端，飞轮设备将经过外接电池接口给DPS设备提供电源。在飞轮设备 放电结束而市电尚未恢复前（包括市电恢复、油机启动或故障排除等情况）， DPS内部切换电路能够迅速自动切换到铁锂电池供电状态，待检测到市电输入端 有电后再切换到到市电供电端。该切换电路应能自动检测并保证切换响应时间为 ns或者ms级以满足服务器负载的需求。
2）完全替代铁锂电池的情况DPS设备内部控制电路需要一直提供低压直流电源，目前飞轮设备无法提供低压直流电源输出，因此此时需要对DPS设备或 飞轮设备进行内部电路改造。
2、共性问题 a）在市电正常而部分DPS设备因为空开跳闸或其他故障发生市电掉电时， 飞轮设备无法检测到掉电情况，也就不能及时为出现故障的DPS设备提供直流电 源。要解决此问题有两种办法：一是对飞轮设备进行电路改造后，让其输出端能 一直提供高压直流。当市电正常且部分DPS设备市电输入端掉电时，DPS将自动 切换到飞轮设备端，由其输出的高压直流电源继续为负载供电。二是DPS和飞轮 设备均需要增加通信接口，并研发检测控制器。DPS设备实时监测市电情况，并 能迅速向飞轮设备发出指令信号，飞轮设备接收到指令信号后能迅速响应。
b）飞轮设备和DPS组合使用存在电压不匹配的问题，需要对飞轮设备或 者DPS设备进行电路改造或升级，以保证两者能够匹配使用。
三、结束语 综上，磁悬浮飞轮设备和DPS设备优势互补，将二者组合使用构建新的供 电系统，无论是将飞轮设备全部替代铁锂电池还是部分替代铁锂电池在理论上可 行，在投资成本、经济和社会效益方面的优势也比较明显。但在技术层面均涉及 到DPS设备和飞轮设备的内部电路改造或升级，并可能涉及到检测控制器的研发， 这需要两家设备厂商分工协作才能做好。在解决了技术上的问题后还需要进行下 一步的匹配测试、可靠性分析和技术认证。
作者：雷卫清 陈凤 王丽 单位：江苏省邮电规划设计院有限责任公司
