奔向未来,不间断电源和储能系统的星辰大海 

        回国一阵子,跟电网,电力行业,IDC同行以及用户做了好些交流,结合国家对于30/60的双碳策略,重新回顾和思考数据中心的不间断电源系统未来。既然文章标题给了星辰大海的高定位,当然要体现更高的技术和商业的战略格局。
 
        笔者有一种强烈的预感,未来5年内,国内不间断电源和储能系统的发展会做到全球第一,技术领先,超越欧美,话先撂在这里,几年后回头验证。
 
未来发展总结
 
直接上干货观点:
 
        数据中心的UPS和电池不仅是负载保障,还是智能电网的一个分布式能源路由器和能源互联网节点,通过DC2G(Data Center to Grid)的双向流动实现智能电网的能源调度。

        星辰大海的背后,发电机,低压变压器会成为英雄迟暮,慢慢淡出舞台。国内头部几个互联网公司主推的240V直流电源(包括巴拿马)很可能在这场能源互联网革命中变成明日黄花。
 
       一下子未能理解是正常的,既然是未来,需要结合更多不间断电源和智能电网的发展前沿。记得7年前,阿里云的CTO说车将不是车,车在未来是个可移动的智能空间。放在当时,哪怕大家都未能理解智能汽车发展,但看看手机已进入智能终端时代。
 
直流 or 交流,宿命对决?
 
关于UPS和240V高压直流,之前笔者文章认为交流UPS未来在市场占有率和技术发展趋势而言,胜出几率更大。没有读过的朋友,可以从下面链接重温。
240V高压直流和UPS的恩怨史
莱奥Leo,公众号:大话IDC
高压直流和UPS的恩怨史,谁将会笑到最后?
在2019年底,巴拿马电源横空出世,笔者也做相关解读。过去一年,回头看,实际上市场的发展方向,从路径①开始走路径②,巴拿马电源是原有240V直流电源的升级版,除了阿里自用,腾讯做小规模,百度并没有跟进。根据市场调研,阿里从一路市电和高压直流,回退到2N的巴拿马电源供电架构。
路径②,除了A,BT两家从实验机房落地验证到真正使用,估计快也要1年,慢则1年半。到时候能否上小规模,技术开始跟进目前无法下结论。如果巴拿马电源需求占BAT总高压直流需求比例增加,而且增速更快,意味着原有高压直流市场萎缩,能够容纳的厂商更少。要么出现原有高压直流厂商不甘寂寞跟进,要么不再投入,后续会出现存量博弈格局。技术和资本,市场表现差的公司会慢慢边缘化。
莱奥Leo,公众号:大话IDC
巴拿马电源遇上数据中心,搅局or破局?
 
       为什么说巴拿马电源是原有240V直流电源的升级版,笔者认为技术改进边际效益往后会减少很多,主要有以下几个观点:

       升级版不难理解,原来240V直流电源是高频整流,带PFC电路,而巴拿马电源整合输入变压器,通过移相变压器的多脉冲叠加实现整流,本质上是工频整流。从供配电链路上,整合变压器+240V电源,减少PFC电路实现能效提升,这个节能创新思路是值得肯定的。注意看,移相变压器多脉冲整流其实是工频整流,效率比低压380V输入的高频整流效率还高,关键省成本。耐人寻味的是,当时工频UPS和高频UPS大战多少回合,笔者还清晰记得,高频机攻击工频机尺寸,重量,效率,而工频机攻击前者案例和可靠性。10多年过去,240V直流电源反过来是工频机打高频机,相同配方,熟悉的味道,如今角色互换。

       巴拿马的移相变压器分成多组移相二次绕组(6个或12个),容量较小,匹配240V直流电压下电流容量不会过大问题。机架未来是高功率密度演进,240V直流电作为末端负载配电,电流容量对高密度机架支持并不灵活,同时末端配电使用直流的成本比三相交流要高一些。
未来交流UPS的输出配电,会以N+1组成DR分布式冗余和BR公共冗余等方式向国外方案设计靠拢。240V直流电在末端配电N+1系统设计比交流系统复杂。
 
        240V直流电压,好处是匹配服务器电源而不需要对产业链做大改动,付出巨大代价。可想而知,336V和380V直流输出电压基本上难以为继。240V直流电压下,系统容量对适应N+1系统和高功率机架供电适应性都是大缺点。所以,笔者认为,不间断电源用380V交流输出更合适IT负载未来发展。
 
       那直流电难道就没有未来嘛?非也,直流电的未来是作为能源路由器,成为智能电网重要支撑。说起能源路由器的理解,笔者在海外也有项目经验。2017年,当时澳洲Eltek(现Delta)在推CPS架构,英文叫做Converged power solutions,方案核心是通过直流母线,实现市电,发电机双路电源接入,同时配合电池储能给数据中心供电,这种方式还能通过直流母线实现交流和直流双输出。
 
奔向未来,不间断电源和储能系统的星辰大海(图1)
参考网站https://www.eltek.com/insights/cps/
 
        几年过去,CPS架构已经在亚太市场上并没有掀起风浪,其宣称去掉ATS设计的优势多少有过度营销成分。当年笔者在前东家做过的项目里面,从技术和商务评估也体现用ATS+UPS的方式综合效果更好。CPS有点生不逢时,但这套系统本质就是能源路由器。国内电网的多站合一,以直流母线作为汇流点,同时用于电动车充电桩。电动车还能成为移动的充电宝,在闲时还能通过反向给电网输电赚钱。既然电动车+充电桩可以理解为充电宝,那为什么数据中心UPS电源和储能不可以呢?而考虑经济性,240V直流电压作为工作电压并没有优势。
 
        星辰大海,还是一片红海?
 
        巴拿马电源,算得上240V直流电源发展史上的高光时刻。可惜集成移相变压器的做法,使得需要交直流混合的配电系统显得复杂。实际应用里面,也面临不同移相绕组的负载率不均衡,如何做负载平衡问题。另外移相变压器输出交流和直流电源之间的匹配,也有好些不灵活地方。相关技术问题,之前笔者关于巴拿马的文章已有论述,在此不再赘述。
 
       巴拿马电源,实际上配电层面有各种“减配”抠门设计,输出大量使用隔离开关的方式,而交流UPS系统的低压配电基本都是断路器和电子脱扣。断路器基本只在240V直流列头柜侧配置,和UPS相比并非苹果对苹果比较,可用性也不一样。同样,HVDC在电池组开关配置上也经常使用隔离开关和熔断器,综合性能比不上UPS的电池开关和失压脱扣,更不要说类似华为这种采用电源管理DC/DC模块进行隔离的智能方式。
 
        如果是星辰大海,起码行业有大发展空间,市场容量足够大,产品线能够不断改进,吸引更多行业客户,产生更多利润,厂商继续投入研发形成正循环。但巴拿马电源,基本上已经做到240V直流电源优化的尽头,240V直流电源尚且无法养活更多玩家,那巴拿马电源担任增量市场替换前任的方式上位,市场能容纳的玩家更少。如果巴拿马电源还有下一代240V直流电源的新架构,那又是什么呢?巴拿马电源要融入能源互联网的星辰大海,那不只剩下直流母线下的DC/DC模块嘛?
 
储能新篇章——“铅”功尽废到“锂”直气壮
 
        铅酸电池无疑廉颇老矣,笔者在海外几年,全面转向锂电池。当然在海外IDC应用案例来说,使用都是三元锂(NMC)和锰酸锂(LMO)是主流。从个人经历的海外项目实践经验看,哪怕用三元锂以及锰酸锂电池,这几年使用下来没有出现问题。国外其实使用磷酸铁锂(LFP)的反而很少,这里面有供应链产业问题。国内铅酸电池在IDC市场仍然是绝对的主流,对于国内厂商偏向LFP,个人有几个看法:
 
       考虑LFP安全性和铅酸类似,技术性能更优进行推广,国内产业链也完善。这种销售策略契合市场接受度。
NMC总体性能比LFP更好,主要是安全性比不上。但作为目前数据中心应用,其实NMC和LMO安全性非常足够了。数据中心电池使用频率很低,大部分时间都是浮充。另外IDC环境简直是五星级酒店,电动车放电频繁且时不时加速就大电流,也不像底盘环境温度也高。特斯拉全球基本用NMC为主(国内会考虑有宁德时代LFP),国产大部分电动车也是使用三元锂,如果说NMC安全性问题导致数据中心如何,难道人的生命安全就没那么重要?国内大部分电动车,现在比亚迪推出最新刀片LFP电池,之前也是NMC为主,那要不大家也别考虑买特斯拉?
 
      未来不间断电源系统储能,也出现NMC和LFP技术路线之争?笔者认为LFP更加符合能源互联网发展趋势,原因是目前LFP性能不断改进,和NMC差距缩小,如果性能拐点出现,LFP安全性更优,胜出的几率更大。
 
附录①——简单可靠,还是复杂智能?
 
       高压直流的简单可靠,某种原因在于48V直流电源大量在通信领域部署。而对这种简单可靠或者复杂不可靠的讨论,意义不大且不客观。值得一提的是,因为UPS拓扑设计有双变换,加入电池储能的DC/DC管理,同时还有静态旁路的存在,使得复杂的系统有更多智能的功能,而这些功能对于240V直流电源并不具备。例如有以下几种:
 
UPS满载测试模式,利用UPS输出通过静态旁路逆向反灌到输入,形成UPS满载输出,可以测试UPS效率和满载功耗等。这个功能对于做测试验收会更方便。
例如华为UPS采用UPS和电池管理单元联动管理模式,电池测试更加智能,而240V直流电源采用电池直挂,电池单组测试,电池智能管理一直是做得比较弱。
UPS利用旁路做超级ECO旁路模式,或者叫做智能旁路模式,效率能达到99%,同时还能做有源滤波和无功补偿,这种功能直流电源并不能提供。
 
        坦白说,简单可靠并非总是好处,另一面,复杂性引入,能带来更多功能和智能控制管理,其实能够增加更多价值和应用场景。UPS的一些功能,实际上合理开发利用的用户并不多。可能国内互联网公司也未必了解,要改善这种情况需要厂商行销和客户一起配合。笔者在国内互联网公司的几年,感觉互联网公司同行,会对UPS产生某种抵触感,不愿意去学习。同样,使用UPS的用户,估计也不愿意了解高压直流,热闹也不想凑。从市场营销和行销角度,既然阿里可以和台达一起发布巴拿马电源,为什么UPS厂商不能和某些关键头部客户共同发布新UPS功能呢?
 
附录②——综合成本是决策关键?
 
        之前笔者问同行使用240V直流电源的情况,对方会认为使用240V直流造价比UPS略微便宜。但是这种比较的基础往往是一路市电+高压直流对比2N的UPS,本身就不公平。事实上UPS和240V直流电源的设备造价几乎没有差别。
 
         这个时候,相信大家会想到,用巴拿马电源的效率更高,加上巴拿马电源造价比传统240V直流电源集成配电后更加便宜,TCO更佳。但大家要想想,巴拿马电源也就是97~98%效率,移相变压器99%,如果看电气系统效率,完全可以使用UPS的超级ECO模式,这样99%的UPS效率,比巴拿马电源效率更高。哪怕不放心超级ECO模式,使用双变换,新UPS也可以做到97%效率。基于TCO决策逻辑,如果采用UPS系统架构(无论2N或者DR,BR架构)综合造价比巴拿马系统更优,而且可用性不低于巴拿马电源,那用户又是否愿意放弃巴拿马电源或者240V直流电源,重新拥抱交流UPS呢?