锂电池储备一体方案在数据中心的应用探索：以2N架构UPS配置为示例

冯杰，史敏 2026-10-11 11:50 天津

本文以2N系统配置IT负载变压器及UPS为基础，通过对单台UPS配置储备一体化锂电池的电池容量、电量及电池数量的计算，并对大家关心的荷载、安装、运维、消防等问题一一做出阐述，同时提供了此方案的收益计算模型，供行业同行参考。

本文对锂电池同时作为数据中心应急电源和储能电源应用的可行性进行研究分析，希望能通过削峰填谷，提高存量电源调节能力、降低数据中心的用电成本，响应国家源网荷储的战略方针。

本文以2N系统配置IT负载变压器及UPS为基础，通过对单台UPS配置储备一体化锂电池的电池容量、电量及电池数量的计算，并对大家关心的荷载、安装、运维、消防等问题一一做出阐述，同时提供了此方案的收益计算模型，供行业同行参考。

国家发改委和能源局共同发布的《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》将电力源网荷储一体化和多能互补作为电力工业高质量发展的重要举措，积极构建清洁低碳安全高效的新型电力系统，促进能源行业转型升级，其基本原则之一是提升存量，优化增量，即通过提高存量电源调节能力、输电通道利用水平、电力需求响应能力，重点提升存量电力设备利用效率。优化整合本地电源侧、电网侧、负荷侧资源，以先进技术突破和机制体制创新为支撑，探索构建源网荷储高度融合的新型电力系统发展路径。

作为用电大户的数据中心，响应国家政策，探讨源网荷储一体化路径，实现“双碳”目标势在必行。随着科技发展和技术进步，锂电池以其循环次数多、寿命长、能量密度高、占用空间少、工作温度范围大、对环境要求低等优点，逐渐在“源网荷储一体化”中发挥着越来越重要的作用。通过锂电储能实现削峰填谷，弥补风电、光伏发电的间歇性，平抑功率波动，提升电网稳定性。

在数据中心行业，锂电池的优势性能更加适配算力时代高功率机柜的需求，“锂进铅退”已成为趋势。全球主流厂商，如华为、科华、维谛、施耐德、索克曼等，都推出了适配锂电的UPS和后备电源产品，已在边缘数据中心、中小型数据中心、政府、医疗及通讯等行业得到广泛应用。采用锂电池作为数据中心应急备用电源的同时，将其作为数据中心的储能电源，形成一种储备一体的应用方式，可以在满足安全稳定运行的前提下，通过削峰填谷，降低用电成本、提升商业收益。

1 数据中心不间断电源供电系统的架构介绍

数据中心的供电架构有2N、N＋1、RR和DR等几种形式，目前国内较为常用的是2N和N＋1的系统架构，特别是在国标A级数据中心的要求下，IT负载供电更多采用2N系统。各级数据中心的技术要求见图1所示。

图1 《数据中心设计规范》GB 50174—2017附录中对各级数据中心的技术要求

本文以IT负载的供电采用2N系统构架为例，两台2500kVA的IT变压器，分别配置6台500kVA模块化高频UPS，每3台为一组进行并机。每台UPS接阀控式铅酸电池（VRLA）作为后备应急电源，后备时间为15min，以满足国家规范的要求。见图2～3所示。

图2 IT负载变压器供电单线图

图3 UPS及电池配置示意图

2 锂电池的储备一体方案

常规的锂电储能，通常需配置PCS设备来运行交流转直流或者直流转交流模式，进行充电储能／并网放电。本文所提到的锂电池储备一体方案，是将锂电池按铅酸电池的常规做法，直接接到UPS设备，不必配置PCS，利用UPS内部的电池充放电器进行充放电。UPS单台容量拟定500kVA，IT负载拟定400kW，供电架构为2N系统。

2.1 储备一体方案的思路

为保证数据中心的供电安全和系统稳定，配置的锂电池容量须在保证后备电源供电时长的前提下，再考虑储能时长的容量要求，不建议利用储能时长的容量兼做备用时长，避免极端情况出现。如在市电电源故障时，需要UPS及后备电池能保证15 min的供电时间，以满足柴发机组的启动运行，使数据中心的供电系统完全转到柴发供电的模式下，而如果此时UPS系统正运行在储能模式中的放电状态，电池容量放电不足15 min，就有可能致使数据中心电力系统供电中断，造成IT业务的损失。因此配置的总电池能量＝后备时长能量＋储能时长能量。无论储能模式下的充电还是放电，都不能使用后备时长容量，以保证数据中心业务的安全和稳定。

以上述变压器及UPS均以2N架构为例，正常运行时，两台变压器各负担50％的负载，对应的UPS也各自负担50％负载，对于单台UPS来说，负载就是400kW×50％＝200kW。所以考虑储能时长的容量时，亦按50％，200kW的负载考虑。

如何确定储能的时长，涉及到经济性的因素。储能时长越长，意味着初期锂电池的投资成本越高；储能时长短，意味着峰谷套利小，回收期变长。目前，储能行业在用户侧储能一般配置锂电池容量的时长为2 h。所以，拟定2 h的储能时长，再结合项目当地的峰谷平电价和时段，来检验配置是否合适。

根据供电部门提供的数据，整理了2024年4月至2025年3月一个年度的峰谷平电价和时段分布，如图4所示。深灰色为尖峰电价时段／无色为峰时电价时段／浅灰色为平时电价时段／次灰色为谷时电价时段。

图4 2024年4至2025年3月一个年度年度的峰谷平电价和时段分布

由图示分析，1月至5月和9月至12月每天可以充放电2次，第一次在1时至5时的谷时段，用0.5C电流充电，储能2 h，在8时至10时平时段放电2 h；第二次在11时至15时平时段充电，用0.5C电流充电，储能2 h，在17时至19时尖／峰时段放电2 h。6月至8月每天充放电1次，同样在1时至5时的谷时段，用0.5C电流充电，储能2 h，在19时至21时峰时段放电2 h。

每天充放1次到2次，无频繁的充放，充放电总时长控制在12 h以内，一是保证数据中心供电的稳定性，二是降低数据中心运维工作的难度。

这样，可以获取1月至5月和9月至12月平时和谷时之间的电价差，以及尖／峰时和平／谷时之间的电价差；获取6月至8月尖时和谷时之间的电价差。可见，这种削峰填谷的充放策略是可行的。当然也要考虑到如果UPS系统正处在削峰填谷的储能模式下，一旦数据中心出现非正常运行状态，都须立刻停止该模式，转为常规备电模式，以确保数据中心安全稳定的运行。

2.2 电池容量

按以上策略，单台500kVA UPS需配置的电池容量计算如下。

后备电池能量：400kW／台×0.25h＝100kWh／台；储能电池能量：400kW／台×50％×2h＝400kWh／台；电池总能量＝100kWh／台＋400kWh／台＝500kWh／台；充放深度为400kWh／500kWh＝80％。

2.3 电池选配方案

选取目前行业常用的磷酸铁锂电芯，规格为：额定电压3.2V，额定容量280Ah，额定能量896Wh，工作电压2.5～3.65V（温度＞0℃）。

用48个电芯串联组成电池包，额定电压为153.6V，额定能量为43kWh；用3个电池包串联组成电池簇，额定电压为460.8V，额定能量为129kWh；用4个电池簇并联组成电池堆，额定电压为460.8V，额定能量为516kWh。

可见，一个电池堆的额定能量与额定电压与一台500kVA UPS储备一体所需电池能量及额定电压刚好匹配。

3 BMS系统方案

锂电池的安全运行一直是大家非常关心的问题。不同于铅酸电池，锂电池可以通过电池管理系统BMS（Battery Managment System）对电池充放电过程进行监测和管理。BMS除了能检测并传递锂电池组及电池单元的运行状态，如电池电压、温度以及保护量等；还能计算电池的荷电状态SOC、评估健康寿命SOH及电池累计处理能量，保护电池安全。同时能与UPS之间保证实时的通讯，确保削峰填谷和应急备用等充放电策略能安全稳定准确地运行。

电池管理系统采用电池管理单元BMU、电池簇管理单元BCMU和电池堆管理单元BAMS三级管理架构。电池管理系统具备完善的保护功能，对于可能出现的过充、过放、过温、过流（短路）、绝缘、通讯及供电中断故障能够及时发现并采取自动保护措施，避免电池出现过充、过放、电池鼓包、漏液、冒烟、起火等安全事故。

4 电池堆的安装方案

因为锂电池潜在的火灾隐患，国家关于数据中心配置锂电池的相关规范还没有出台，如果仅仅从锂电池的荷重及体积考虑，规范对铅酸电池配置的要求完全可以满足锂电池的安装。但从消防灭火措施来看，常规配置铅酸电池的电池间一般都是采用七氟丙烷／IG541的气体灭火方案。这种房间级的气体灭火方案对于锂电池却不完全适用。锂电池燃烧有别于传统电气火灾，锂电池热失控是自发链式反应，一旦电池内部化学反应失控，温度极度上升，从而引起火灾，而且热反应会贯穿全过程。目前锂电行业通常采用电池级的气体灭火＋房间级的高压细水雾综合灭火方案。这种方案不仅造价高，还没有相关规范支持，故不推荐使用。

参考国内风光储能项目，常采取预制式模块化的集装箱布置方案。首先制定标准化模块化的锂电池配置方案，在工厂里把锂电池及相关系统设备集中组装进集装箱内，然后运输至项目现场，在场地安装就位、连接调试。这种形式有低成本、高效率，质量可控，节能环保等优势。

在本文的锂电储备一体方案中，锂电池的配置与UPS一一对应，是标准化模块化的产品，因此可以借鉴风光储能项目，将锂电池、消防系统、冷却系统、照明系统、电池管理系统及其他配电设施集成于一个集装箱内，形成一个标准化的电池预制舱。在这个电池预制舱内安装对应6台UPS（也就是1台IT变压器）的锂电池及相关系统设备，再结合数据中心项目规模和场地情况，配置相应数量的电池预制舱。这样可将锂电池远离IT机房，避免锂电池燃烧事故影响IT系统的稳定运行。

5 储备一体方案的收益模型概算

本文以一台UPS配置的储备一体锂电池做收益模型测算，储备一体能量约为500kWh，造价按0.97元／Wh，一次投资成本约为48.5万／台。充放电深度按80％，充放电效率按85％计算。运维费用按一次投资成本的2％考虑。结合图4的分时电价，按运营10年投资回报进行测算。首先根据前面提到的充放电策略，统计全年分时段的充电时长和放电时长，如图5所示。

图5 全年充电时长统计和放电时长统计

根据统计的充放电时长，结合配置的电池能量，统计算出每年的充放电量，如图6所示。这里需要注意的是，由于电池存在衰减，10年周期的充放电量会逐年减小。年充电量由第1年的约60万kWh减少到第10年的35.3万kWh；年放电量由第1年的约43.3万kWh减少到第10年的25.5万kWh。

图6 投资周期（10年）充电电量统计和放电电量统计

最后再根据充放电量和图4中的分时电价，测算出本文案例储备一体方案10年投资回报如图7所示。

图7 投资周期（10年）电费和收益估算

在未考虑替换的铅酸电池成本、假定负载功率恒定、全年无故障运行的情况下，本文案例储备一体方案，在第5年开始收益转正，10年期收益总额约为47.3万，IRR收益率约为17％，收益率良好。