周鈺，郝為瀚

（中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，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，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、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)中心用電量占全國全社會用電量的2.67%，預(yù)計2035年和2050年全國數(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，分別占全社會用電量的5.31%及7.35%。隨著數(shù)據(jù)中心能耗問題日益突出，儲能作為靈活性調(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］。本論文旨在研究儲能系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)中心場景的應(yīng)用模式及方案，面向數(shù)據(jù)中心的儲能建設(shè)提供參考。

1 數(shù)據(jù)中心儲能技術(shù)路線選擇

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

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

對于適用于面向數(shù)據(jù)中心大容量儲能系統(tǒng)應(yīng)具備以下特性：

1）安全性高，數(shù)據(jù)中心儲能系統(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，作為大容量儲能電池一般設(shè)計運(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，適用于儲能的系統(tǒng)需適應(yīng)電力市場輔助服務(wù)以及備用電源快速啟動的需求，備用電源啟動時間不應(yīng)低于15 ms，液流電池啟動相對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)中心的儲能系統(tǒng)。

2 面向數(shù)據(jù)中心儲能應(yīng)用模式

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》（GB 50147）的電源要求，A級數(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)立于正常電源的專用饋電線路；B級數(shù)據(jù)中心宜由雙重電源供電，當(dāng)只有一路電源時，應(yīng)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。并鼓勵分布式能源的利用。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，但通過儲能系統(tǒng)和新能源的配合使用，可以平抑新能源波動，為數(shù)據(jù)中心提供穩(wěn)定持久的電能。

圖1 A級數(shù)據(jù)中心儲能系統(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。該模式下儲能預(yù)留部分備用容量作為數(shù)據(jù)中心的備用電源，儲能系統(tǒng)同時可參與電力市場調(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服務(wù)中獲取收益補(bǔ)償。部分地區(qū)，在規(guī)定時間內(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，大部分時間UPS處于事故備用狀態(tài)，正常運(yùn)行時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間小于15 ms的儲能系統(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，可通過儲能系統(tǒng)積極參與與電網(wǎng)的互動及服務(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級數(shù)據(jù)中心儲能系統(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級數(shù)據(jù)中心儲能系統(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)中心儲能系統(tǒng)替代UPS典型方案

除儲能系統(tǒng)替代UPS應(yīng)用模式外，其他應(yīng)用模式儲能系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的儲能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常見的包括單級式、雙級式、H橋鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的儲能系統(tǒng)響應(yīng)時間在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，也能向電網(wǎng)放電，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的雙向互動，主要包括雙變換式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及在線互動式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩種：

圖4 B級數(shù)據(jù)中心儲能系統(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，對于鋰電池等無法浮充運(yùn)行的電池應(yīng)通過DC/DC模塊接入直流母線。正常運(yùn)行時，負(fù)荷可通過旁路開關(guān)或者雙變換設(shè)備向直流負(fù)荷供電，也可通過輸入端的雙向AC/DC模塊向電網(wǎng)放電。例如在峰谷套利的運(yùn)行模式下，可以在谷價期間通過AC/DC模塊整流（或者旁路開關(guān)）向負(fù)荷供電同時向電池充電；在峰值電價期間通過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）在線互動式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在線互動式拓?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)儲能容量設(shè)計，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，以便在谷價可通過電源接口給電池充電，在峰值電價時電池向負(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)劃萬臺機(jī)柜）項(xiàng)目為例，針對數(shù)據(jù)中心配置儲能的運(yùn)行模式及設(shè)計方案進(jìn)行研究。項(xiàng)目為某大規(guī)模多應(yīng)用場景試點(diǎn)電池儲能站，主要為該數(shù)據(jù)中心提供電量供應(yīng)，同時可為電網(wǎng)提供區(qū)域調(diào)峰調(diào)頻及事故備用服務(wù)［9］。該儲能項(xiàng)目擬規(guī)劃規(guī)模為90 MW/180 MWh，同時計劃在儲能站站區(qū)頂部修建光伏系統(tǒng)。主線圖如圖7所示。

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

儲能系統(tǒng)具體運(yùn)行模式設(shè)計如下：

1）正常運(yùn)行時儲能系統(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)過經(jīng)濟(jì)測算，儲能系統(tǒng)除參與系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和緊急備用服務(wù)外，還同時為數(shù)據(jù)中心提供不間斷備用電源，考慮電力市場輔助服務(wù)收益，項(xiàng)目內(nèi)部收益率8.3%，動態(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 儲能系統(tǒng)接入數(shù)據(jù)中心的電力市場輔助服務(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、多站融合四個方面。給出了數(shù)據(jù)中心替代UPS雙變換式及在線互動式儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對其特征參數(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。隨著儲能系統(tǒng)成本的不斷下降，面向數(shù)據(jù)中心儲能產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相信數(shù)據(jù)中心儲能會有越來越廣闊的應(yīng)用前景。