面向數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用研究

周鈺，郝為瀚

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663）

新型基礎(chǔ)設(shè)施主要包括5G基站、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、新能源汽車(chē)充電樁、城際高速鐵路和城際軌道交通、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、特高壓等領(lǐng)域［1］。新基建的本質(zhì)是信息數(shù)字化的基礎(chǔ)設(shè)施，是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級(jí)、融合創(chuàng)新等服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系。在這一背景下，數(shù)據(jù)中心作為“新基建”建設(shè)的重要支撐得到了迅猛的發(fā)展及廣泛的關(guān)注［2-3］。

2020年數(shù)據(jù)中心用電量占全國(guó)全社會(huì)用電量的2.67%，預(yù)計(jì)2035年和2050年全國(guó)數(shù)據(jù)中心總能耗將在2035年、2050年將分別突破200 TWh、600 TWh、1000 TWh，分別占全社會(huì)用電量的5.31%及7.35%。隨著數(shù)據(jù)中心能耗問(wèn)題日益突出，儲(chǔ)能作為靈活性調(diào)節(jié)資源，為優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的用能、最大化利用清潔能源、提高供電可靠性并實(shí)現(xiàn)資源集約及智慧能源管理等方面提供了強(qiáng)力有效的手段。隨著儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品成熟度不斷提高、建設(shè)成本不斷降低、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的不斷完善，都為儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)［4-7］。本論文旨在研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景的應(yīng)用模式及方案，面向數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)能建設(shè)提供參考。

1 數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能技術(shù)路線選擇

目前規(guī)?；褂玫碾娀瘜W(xué)儲(chǔ)能電池主要包括鉛炭電池、磷酸鐵鋰電池、液流電池三類(lèi)，各電池的具體參數(shù)如表1所示。

表1 主流儲(chǔ)能電池參數(shù)表Tab.1 Parameters of main energy storage battery

對(duì)于適用于面向數(shù)據(jù)中心大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)具備以下特性：

1）安全性高，數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)采用性能穩(wěn)定，不易發(fā)生熱失控的電池，上述三種電池由高到低為液流電池、鉛炭電池、磷酸鐵鋰電池，總體而言，安全性均能滿足數(shù)據(jù)中心應(yīng)用需求。

2）循環(huán)壽命長(zhǎng)，作為大容量?jī)?chǔ)能電池一般設(shè)計(jì)運(yùn)行年限在10～15年，循環(huán)壽命不宜小于3 000次。

3）充放電效率高，電池充放電效率的高低，直接影響到系統(tǒng)的成本，因此也是需要考慮的重要因素。

4）響應(yīng)速度快，適用于儲(chǔ)能的系統(tǒng)需適應(yīng)電力市場(chǎng)輔助服務(wù)以及備用電源快速啟動(dòng)的需求，備用電源啟動(dòng)時(shí)間不應(yīng)低于15 ms，液流電池啟動(dòng)相對(duì)鉛炭電池及磷酸鐵鋰電池。

結(jié)合上述特性需求及表1的電池特性，磷酸鐵鋰電池兼顧了上述特征，最為適合面向數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2 面向數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能應(yīng)用模式

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50147）的電源要求，A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電，并應(yīng)設(shè)置備用電源，備用電源宜采用獨(dú)立于正常電源的柴油發(fā)電機(jī)組，也可采用供電網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立于正常電源的專(zhuān)用饋電線路；B級(jí)數(shù)據(jù)中心宜由雙重電源供電，當(dāng)只有一路電源時(shí)，應(yīng)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。并鼓勵(lì)分布式能源的利用。結(jié)合上述數(shù)據(jù)中心的電源需求，儲(chǔ)能在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用模式主要包括以下幾方面：

1）平滑新能源輸出。示意圖如圖1所示。新能源配置儲(chǔ)能作為一路主供電源，為數(shù)據(jù)中心供電，雖然不能降低PUE，但通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)和新能源的配合使用，可以平抑新能源波動(dòng)，為數(shù)據(jù)中心提供穩(wěn)定持久的電能。

圖1 A級(jí)數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)配合新能源接入應(yīng)用模式Fig.1 Application mode of energy storage system integrates with new energy access in Class A data center

2）作為數(shù)據(jù)中心的備用電源。示意圖如圖2所示。該模式下儲(chǔ)能預(yù)留部分備用容量作為數(shù)據(jù)中心的備用電源，儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)可參與電力市場(chǎng)調(diào)峰、輔助調(diào)頻（如有）等輔助服務(wù)，一方面可提高數(shù)據(jù)中心供電的可靠性，另一方面也從電力市場(chǎng)服務(wù)中獲取收益補(bǔ)償。部分地區(qū)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可恢復(fù)市電供應(yīng)的部分?jǐn)?shù)據(jù)中心，可替代市電或者柴油發(fā)電機(jī)備用回路，節(jié)省投資、提高項(xiàng)目整體經(jīng)濟(jì)效益。

3）采用特殊結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)替代傳統(tǒng)交流不間斷電源（UPS）。示意圖如圖3所示。由于目前電網(wǎng)的供電可靠性高，大部分時(shí)間UPS處于事故備用狀態(tài)，正常運(yùn)行時(shí)UPS電源的浮充損耗在5%～10%，UPS資源不能得到充分利用。如果采用能夠事故電源切換時(shí)間小于15 ms的儲(chǔ)能系統(tǒng)替代傳統(tǒng)UPS，能夠在保證數(shù)據(jù)中心不間斷供電的能力的同時(shí)，可通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)積極參與與電網(wǎng)的互動(dòng)及服務(wù)，與傳統(tǒng)UPS相比可大大提高資產(chǎn)的利用率及系統(tǒng)運(yùn)行收益。

圖2 B級(jí)數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)配合新能源應(yīng)用模式Fig.2 Application mode of energy storage system integrates with new energy access in Class B data center

圖3 A級(jí)數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)備用電源應(yīng)用模式Fig.3 Backup power supply application mode of energy storage system in Class A data center

4）多站融合應(yīng)用模式。示意圖如圖4所示。多站融合建設(shè)模式和儲(chǔ)能站、邊緣數(shù)據(jù)中心和變電站、充電站、能源站等根據(jù)多種組合［8］，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備融合、控制融合、建設(shè)融合、信息融合，以達(dá)到資源最大化利用，達(dá)到多方互利共贏的效果。

3 數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)替代UPS典型方案

除儲(chǔ)能系統(tǒng)替代UPS應(yīng)用模式外，其他應(yīng)用模式儲(chǔ)能系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的儲(chǔ)能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的包括單級(jí)式、雙級(jí)式、H橋鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在20 ms以上，難以滿足數(shù)據(jù)中心小于15 ms的不停電切換需求，替代儲(chǔ)能系統(tǒng)的UPS可采用以下幾種基于傳統(tǒng)UPS的改進(jìn)型結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)事故快速為負(fù)荷供電的同時(shí)，也能向電網(wǎng)放電，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的雙向互動(dòng)，主要包括雙變換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及在線互動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩種：

圖4 B級(jí)數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)備用電源應(yīng)用模式Fig.4 Backup power supply application mode of energy storage system in Class B data center

1）雙變換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雙變換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)的UPS輸入端的AC/DC模塊由整流元件改為整流逆變雙向元件，對(duì)于鋰電池等無(wú)法浮充運(yùn)行的電池應(yīng)通過(guò)DC/DC模塊接入直流母線。正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷可通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)或者雙變換設(shè)備向直流負(fù)荷供電，也可通過(guò)輸入端的雙向AC/DC模塊向電網(wǎng)放電。例如在峰谷套利的運(yùn)行模式下，可以在谷價(jià)期間通過(guò)AC/DC模塊整流（或者旁路開(kāi)關(guān)）向負(fù)荷供電同時(shí)向電池充電；在峰值電價(jià)期間通過(guò)AC/DC模塊逆變向電網(wǎng)放電或者負(fù)荷放電，節(jié)約數(shù)據(jù)中心用電成本。具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙變換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of double conversion topology structure

2）在線互動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在線互動(dòng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)UPS輸入端電源接口改為整流逆變雙向的接口，并根據(jù)儲(chǔ)能容量設(shè)計(jì)，確定電源接口及AC/DC模塊的額定容量，通常比交流輸出側(cè)負(fù)荷需量大，以便在谷價(jià)可通過(guò)電源接口給電池充電，在峰值電價(jià)時(shí)電池向負(fù)荷及電網(wǎng)放電。具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。

兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表2所示。

4 典型案例

本研究以惠州某數(shù)據(jù)中心（規(guī)劃萬(wàn)臺(tái)機(jī)柜）項(xiàng)目為例，針對(duì)數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能的運(yùn)行模式及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究。項(xiàng)目為某大規(guī)模多應(yīng)用場(chǎng)景試點(diǎn)電池儲(chǔ)能站，主要為該數(shù)據(jù)中心提供電量供應(yīng)，同時(shí)可為電網(wǎng)提供區(qū)域調(diào)峰調(diào)頻及事故備用服務(wù)［9］。該儲(chǔ)能項(xiàng)目擬規(guī)劃規(guī)模為90 MW/180 MWh，同時(shí)計(jì)劃在儲(chǔ)能站站區(qū)頂部修建光伏系統(tǒng)。主線圖如圖7所示。

儲(chǔ)能系統(tǒng)采用雙變換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每個(gè)10 kV母線段接入4 MW/8 MWh或者5 MW/10 MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)UPS。

儲(chǔ)能系統(tǒng)具體運(yùn)行模式設(shè)計(jì)如下：

1）正常運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)預(yù)留15 min的備用容量作為數(shù)據(jù)中心備用電源。

2）參與調(diào)峰、調(diào)頻、緊急備用容量輔助服務(wù)運(yùn)行模式（如表3所示）如下：

表2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表Tab.2 Technical and economic comparison of the topology structure

經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)測(cè)算，儲(chǔ)能系統(tǒng)除參與系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和緊急備用服務(wù)外，還同時(shí)為數(shù)據(jù)中心提供不間斷備用電源，考慮電力市場(chǎng)輔助服務(wù)收益，項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率8.3%，動(dòng)態(tài)回收期7.05年，項(xiàng)目的輔助收益情況如圖8所示。

圖7 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入數(shù)據(jù)中心主接線圖Fig.7 Main wiring diagram of of energy storage system connected to data center

表3 儲(chǔ)能系統(tǒng)參與輔助服務(wù)收益情況Tab.3 Income situation of energy storage system participation in auxiliary services

圖8 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入數(shù)據(jù)中心的電力市場(chǎng)輔助服務(wù)收益Fig.8 Power market ancillary service income of energy storage systems connected to data centers

5 結(jié)論

本論文從數(shù)據(jù)中心的用電需求出發(fā)，分析了面向數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用模式，主要包括配合新能源接入、備用電源、替代UPS、多站融合四個(gè)方面。給出了數(shù)據(jù)中心替代UPS雙變換式及在線互動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其特征參數(shù)進(jìn)行了比較，最后以一典型技術(shù)方案及儲(chǔ)能運(yùn)行模式分析，證明了本論文應(yīng)用方案的有效性及經(jīng)濟(jì)性。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)成本的不斷下降，面向數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相信數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能會(huì)有越來(lái)越廣闊的應(yīng)用前景。