考慮多種儲能的數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化

孫強，孫志凰，潘杭萍，陳杰軍，朱嬋霞，陳倩，周佳偉

(1. 國網(wǎng)（蘇州）城市能源研究院有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215163；2. 國網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

數(shù)據(jù)資源已成為人類社會重要的生產(chǎn)要素和國家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，截至2020年，全國數(shù)據(jù)中心耗電量超2 045億kW·h[1]，約占全社會用電量的2.7%[2]。截至2021年底，中國數(shù)據(jù)中心機架已超過520萬架[3]。預(yù)計到2025年，中國數(shù)據(jù)中心總耗電量占當(dāng)年全國電力消耗總量的4.7%[4]。2019年中國在用超大型和大型數(shù)據(jù)中心電源使用效率（power usage effectiveness，PUE）值分別為1.46和1.55，與中國2023年數(shù)據(jù)中心PUE值小于1.3的要求還有距離[5-6]。由此可見，數(shù)據(jù)中心已成為能源資源消耗及二氧化碳排放的重點領(lǐng)域，節(jié)能潛力巨大[7]。

在能源轉(zhuǎn)型的背景下，數(shù)據(jù)中心在能源供應(yīng)形式和安全保障方面面臨新的要求和挑戰(zhàn)[8-9]。近年來，北京、上海、深圳等多地政府陸續(xù)提出要嚴(yán)格把關(guān)新建數(shù)據(jù)中心、推進老舊數(shù)據(jù)中心升級、加強綠色數(shù)據(jù)中心改造等要求。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的能耗高、設(shè)備配置不靈活、經(jīng)濟性不明顯等問題突出，對含有多種能源技術(shù)的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化方案少有深入研究，對于新型能源設(shè)備還缺乏研究和推廣應(yīng)用。儲能系統(tǒng)在能源應(yīng)急保障、促進可再生能源消納等方面發(fā)揮重要作用。隨著未來數(shù)據(jù)中心電力負荷比例的進一步擴大，有必要深入研究更加綠色、高效、低碳化的數(shù)據(jù)中心綜合能源配置方案。因此，在數(shù)據(jù)中心合理配置新型儲能系統(tǒng)成為新的研究焦點。

文獻[10-11]分析了含有光伏發(fā)電、電池儲能的數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)，通過算例驗證了儲能系統(tǒng)對降低數(shù)據(jù)中心綜合運行成本的有效性。文獻[12]對比了數(shù)據(jù)中心鋰電池和傳統(tǒng)電池儲能的性能指標(biāo)。文獻[13-15]闡述了電池儲能在數(shù)據(jù)中心發(fā)揮重要作用，通過案例說明可以將數(shù)據(jù)中心儲能設(shè)備作為靈活性資源，從而實現(xiàn)削峰填谷、降低成本。文獻[16-20]對比分析了不同蓄冷方案的經(jīng)濟性，通過案例說明蓄冷對數(shù)據(jù)中心的經(jīng)濟效益。文獻[21]分析了新能源背景下，數(shù)據(jù)中心的優(yōu)越性。綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)的研究往往缺乏對于數(shù)據(jù)中心運行動態(tài)和多場景的考慮，且針對目前更加多樣化的新型儲能系統(tǒng)缺少優(yōu)化分析。

本文從能源系統(tǒng)整體角度對數(shù)據(jù)中心采用儲電與儲冷等多種技術(shù)路徑進行效益比較，分析儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，提出數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行策略。

1 數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心由信息技術(shù)（information technology，IT）設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等構(gòu)成，其能耗占比情況如圖1所示。從圖1可以看出，數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)和供配電環(huán)節(jié)的效率提升對數(shù)據(jù)中心的能耗改善有重要作用。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成Fig. 1 Energy consumption composition of data center

數(shù)據(jù)中心的能源系統(tǒng)具有可靠性要求高、負荷密度大、用能需求穩(wěn)定、余熱排放量大等特點[22-23]，中斷供電或制冷會對數(shù)據(jù)中心造成極大損失。為滿足高可靠性供電和制冷要求，數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)除了冗余供電外，還設(shè)置有儲電系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)[24-30]。在儲電方面，數(shù)據(jù)中心通常采用以鉛酸電池為主的系統(tǒng)。在蓄冷方面，數(shù)據(jù)中心要求配置蓄冷設(shè)備滿足不間斷供冷需求。隨著峰谷電價制度的進一步發(fā)展，數(shù)據(jù)中心亟需新型儲能系統(tǒng)滿足經(jīng)濟性和靈活性的用電需求，并擴大蓄冷容量，提高可靠性。

數(shù)據(jù)中心采用儲能模式時，可以顯著提升能源供應(yīng)的安全穩(wěn)定性，在出現(xiàn)電力系統(tǒng)故障等突發(fā)事件或能源供應(yīng)短時不足的情況下，確保數(shù)據(jù)中心可靠和高質(zhì)量的能源供給。與此同時，能夠充分利用峰谷電價差等政策，采用“削峰填谷”的運行模式，有效減少數(shù)據(jù)中心的電費開支，進一步提高整個能源系統(tǒng)的運行效率和經(jīng)濟效益。

2 數(shù)據(jù)中心儲能系統(tǒng)分析

以系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)為目標(biāo)，給出數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)配置方案。其中，經(jīng)濟性最優(yōu)包括設(shè)備固定成本、設(shè)備運維成本、燃料成本等。本文的目標(biāo)函數(shù)為

式中：C為總成本；k為設(shè)備編號；n為設(shè)備數(shù)量；ck為第k個設(shè)備的初投資年化成本；為第k個設(shè)備的運維成本；Ptg為時刻t下的系統(tǒng)與電網(wǎng)交互電量；pe為電價；Gt為時刻t下的其他燃料消費量；p為燃料價格；t為時間。

水蓄冷是單位體積蓄冷量最小的蓄冷方式，需要的蓄冷槽容積最大。水蓄冷是目前數(shù)據(jù)中心常用的蓄冷形式。水蓄冷的應(yīng)用形式可以分為開式和閉式。開式蓄冷系統(tǒng)技術(shù)成熟、冷水的分層效果明顯、造價相對較低，因此數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計大多采用這種形式。數(shù)據(jù)中心水蓄冷最大容量Qmax為

式中：νmax為數(shù)據(jù)中心允許安裝蓄冷罐的最大體積；ρ為蓄冷水密度；Cp為冷水的比熱容；η為蓄冷罐的有效利用體積；ΔT為供回水溫度差。

時刻t蓄冰裝置的蓄冷量Q(t)為

式中：Q(t-1)為時刻t-1的蓄冷量；Pin(t)、Pout(t)分別為時刻t的蓄冷、放冷功率；ηin、ηout分別為蓄冷設(shè)備的蓄冷、放冷效率；Δt為計算時間間隔。

蓄冷裝置的蓄冷和放冷約束為

本文從蓄電池容量約束、出力約束等方面建立模型。蓄電池的容量、出力、電量約束分別為

book=3,ebook=7

式中：E(t)為時刻t蓄電池的總能量；Emax、Emin分別為蓄電池最大 、最小儲電容量；Pc(t)、Pd(t)分別為t時刻蓄電池的充、放電功率；分別為蓄電池充、放電功率的最大限值；Bc(t)、Bd(t)分別為充、放電狀態(tài)；ηc、ηd分別為蓄電池的充、放電效率。

3 案例分析

本文以北京某數(shù)據(jù)中心為案例開展考慮多種儲能設(shè)備的數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)分析，該數(shù)據(jù)中心規(guī)劃建設(shè)1 850個機柜，每臺機柜平均功率約4.4 kW。負荷需求如表1所示。

表1 北京某數(shù)據(jù)中心負荷需求Table 1 Load demand of a data center in Beijing

根據(jù)數(shù)據(jù)中心負荷需求分析，對比分析不同儲能設(shè)備配置的數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)。本文設(shè)置了4種方案，具體如下。

方案1的總設(shè)備投資為3 749萬元，該方案只考慮應(yīng)急蓄冷系統(tǒng)，其他為常規(guī)配置。具體方案配置有變頻離心式冷水機組、冷凍一次泵、冷凍二次泵、應(yīng)急蓄冷罐、板式換熱器、冷卻水泵、開式冷卻塔、冷卻塔補水系統(tǒng)、冷卻水補水儲存量、控制系統(tǒng)、制冷管道及輔材、能源站暖通、能源站通風(fēng)。

方案2的總設(shè)備投資為4 105萬元，該方案增加了調(diào)峰水蓄冷系統(tǒng)。具體方案配置有變頻離心式冷水機組、冷凍一次泵、冷凍二次泵、調(diào)峰蓄冷罐、蓄冷泵、放冷泵、板式換熱器、冷卻水泵、開式冷卻塔、冷卻塔補水系統(tǒng)、冷卻水補水儲存量、控制系統(tǒng)、制冷管道及輔材、能源站暖通、能源站通風(fēng)。

方案3的總設(shè)備投資為6 927萬元，該方案在方案2的基礎(chǔ)上，增加了鋰電池儲能系統(tǒng)，更充分利用峰谷電價差。具體方案配置有變頻離心式冷水機組、冷凍一次泵、冷凍二次泵、調(diào)峰蓄冷罐、蓄冷泵、放冷泵、板式換熱器、冷卻水泵、開式冷卻塔、冷卻塔補水系統(tǒng)、冷卻水補水儲存量、控制系統(tǒng)、制冷管道及輔材、能源站暖通、能源站通風(fēng)、鋰電池儲能系統(tǒng)。

方案4的總設(shè)備投資為6 505萬元，該方案在方案2的基礎(chǔ)上，增加了全釩液流電池系統(tǒng)。具體方案配置有變頻離心式冷水機組、冷凍一次泵、冷凍二次泵、調(diào)峰蓄冷罐、蓄冷泵、放冷泵、板式換熱器、冷卻水泵、開式冷卻塔、冷卻塔補水系統(tǒng)、冷卻水補水儲存量、控制系統(tǒng)、制冷管道及輔材、能源站暖通、能源站通風(fēng)、全釩液流電池儲能系統(tǒng)。

考慮儲能運行優(yōu)化策略的原則是充分利用谷段、平段電價時段儲能以滿足尖峰段、峰段電價時的能源需求。不同參數(shù)對應(yīng)的蓄冷、放冷時長如表2所示。圖2和圖3分別為機柜負載率30%和80%時的控制策略。從圖2～3可以看出，30%機柜負載率下，實行一充三放，利用谷電蓄冷、峰段釋冷；80%機柜負載率下，實行三充三放，利用谷電和平段蓄冷，峰段釋冷。

表2 不同參數(shù)對應(yīng)的蓄冷時長、放冷時長Table 2 Cold storage and discharge time corresponding to different parameters

圖2 機柜負載率30%時蓄冷、放冷策略Fig. 2 Cold storage and discharge strategy at 30% load rate

圖3 機柜負載率80%時蓄冷、放冷策略Fig. 3 Cold storage and discharge strategy at 80% load rate

夏季尖峰電價時段，采用“三充三放”策略。谷電期間冷水機增加蓄冷，受總?cè)萘肯拗?，在此期間利用低功率充滿電。非尖峰電價時段，采用“兩充兩放”策略。電池運行策略如圖4～5所示。從圖4～5可以看出，受電池容量限制，谷電期間，電池低功率充電；平段時間，電池滿功率充電以滿足尖峰或高峰負荷。

圖4 尖峰電價時段蓄電池充放電策略Fig. 4 Strategy of battery charge and discharge in peak price period

圖5 非尖峰電價時段蓄電池充放電策略Fig. 5 Strategy of battery charge and discharge in nonpeak price period

數(shù)據(jù)中心夏季典型日能源系統(tǒng)優(yōu)化運行策略如圖6所示。從圖6可以看出，利用蓄冷和電池儲能系統(tǒng)，可以大幅降低數(shù)據(jù)中心尖峰、高峰段用電。

圖6 數(shù)據(jù)中心夏季典型日能源系統(tǒng)優(yōu)化運行策略Fig. 6 Optimal operation strategy of energy system for data center in a typical summer day

以上述數(shù)據(jù)中心為例，開展考慮多種儲能設(shè)備配置方案的經(jīng)濟效益分析，計算不同負載率下數(shù)據(jù)中心全年能源系統(tǒng)運行成本，如圖7所示。從圖7可以看出，隨著負載率的上升，數(shù)據(jù)中心全年能源系統(tǒng)的運行成本上升，配置水蓄冷和鋰電池儲能系統(tǒng)的方案3最具經(jīng)濟性。

圖7 不同負載率下數(shù)據(jù)中心全年能源系統(tǒng)運行成本Fig. 7 Annual energy system operating cost of data center under different load rates

隨著數(shù)據(jù)中心負載率的上升，用電需求和供冷需求隨之上升，能源系統(tǒng)的燃料成本上升。利用峰谷電價設(shè)置大溫差水蓄冷，有效降低系統(tǒng)運行費用，同時水蓄冷系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)中心的供冷安全性。鋰電池儲能系統(tǒng)同樣利用峰谷價差減少能源系統(tǒng)的電費成本，同時，在一定程度上減少數(shù)據(jù)中心對柴油發(fā)電機的依賴。

儲能設(shè)備的經(jīng)濟性如表3所示，從表3可以看出，水蓄冷系統(tǒng)初期投資小，靜態(tài)投資回收期短，投資收益穩(wěn)定。鋰電池儲能系統(tǒng)單位投資成本低，靜態(tài)回收期短，但是使用壽命相比全釩液流電池儲能系統(tǒng)短。

表3 儲能設(shè)備的經(jīng)濟性Table 3 Economic analysis of different energy storage equipment

根據(jù)上述分析，采用方案3，配備水蓄冷和鋰電池儲能系統(tǒng)，計算數(shù)據(jù)中心運營成本，其中電費包括制冷系統(tǒng)用電和機柜用電。按照數(shù)據(jù)中心運營15年計算，系統(tǒng)負載率第1年取30%、第2年取80%、第3～10年取95%、第11～15年取80%。運營成本如表4所示，制冷系統(tǒng)用電和機柜用電占數(shù)據(jù)中心能源費用的92%，其中機柜用電占數(shù)據(jù)中心能源費用的73%。

表4 北京某數(shù)據(jù)中心運營成本Table 4 Operating cost of a data center in Beijing萬元

4 結(jié)語

本文通過合理配置應(yīng)急與調(diào)峰儲能及優(yōu)化能源系統(tǒng)配置與運行策略，明顯降低了系統(tǒng)運行成本和設(shè)備年化投資成本。利用峰谷電價設(shè)置調(diào)峰水蓄冷系統(tǒng)，可有效降低系統(tǒng)運行費用。同時，水蓄冷系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)中心的供冷安全性。