周鈺，郝為瀚

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663）

新型基礎設施主要包括5G基站、大數據中心、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)互聯網、特高壓等領域［1］。新基建的本質是信息數字化的基礎設施，是以新發(fā)展理念為引領，以技術創(chuàng)新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發(fā)展需要，提供數字轉型、智能升級、融合創(chuàng)新等服務的基礎設施體系。在這一背景下，數據中心作為“新基建”建設的重要支撐得到了迅猛的發(fā)展及廣泛的關注［2-3］。

2020年數據中心用電量占全國全社會用電量的2.67%，預計2035年和2050年全國數據中心總能耗將在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%。隨著數據中心能耗問題日益突出，儲能作為靈活性調節(jié)資源，為優(yōu)化數據中心的用能、最大化利用清潔能源、提高供電可靠性并實現資源集約及智慧能源管理等方面提供了強力有效的手段。隨著儲能產業(yè)的發(fā)展，產品成熟度不斷提高、建設成本不斷降低、標準規(guī)范的不斷完善，都為儲能系統應用于數據中心建設奠定了良好的基礎［4-7］。本論文旨在研究儲能系統應用數據中心場景的應用模式及方案，面向數據中心的儲能建設提供參考。

1 數據中心儲能技術路線選擇

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

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

對于適用于面向數據中心大容量儲能系統應具備以下特性：

1）安全性高，數據中心儲能系統應采用性能穩(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，安全性均能滿足數據中心應用需求。

2）循環(huán)壽命長，作為大容量儲能電池一般設計運行年限在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，直接影響到系統的成本，因此也是需要考慮的重要因素。

4）響應速度快，適用于儲能的系統需適應電力市場輔助服務以及備用電源快速啟動的需求，備用電源啟動時間不應低于15 ms，液流電池啟動相對鉛炭電池及磷酸鐵鋰電池。

結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，最為適合面向數據中心的儲能系統。

2 面向數據中心儲能應用模式

根據《數據中心設計規(guī)范》（GB 50147）的電源要求，A級數據中心應由雙重電源供電，并應設置備用電源，備用電源宜采用獨立于正常電源的柴油發(fā)電機組，也可采用供電網絡中獨立于正常電源的專用饋電線路；B級數據中心宜由雙重電源供電，當只有一路電源時，應設置柴油發(fā)電機組作為備用電源。并鼓勵分布式能源的利用。結合上述數據中心的電源需求，儲能在數據中心的應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，為數據中心供電，雖然不能降低PUE，但通過儲能系統和新能源的配合使用，可以平抑新能源波動，為數據中心提供穩(wěn)定持久的電能。

圖1 A級數據中心儲能系統配合新能源接入應用模式Fig.1 Application mode of energy storage system integrates with new energy access in Class A data center

2）作為數據中心的備用電源。示意圖如圖2所示。該模式下儲能預留部分備用容量作為數據中心的備用電源，儲能系統同時可參與電力市場調峰、輔助調頻（如有）等輔助服務，一方面可提高數據中心供電的可靠性，另一方面也從電力市場服務中獲取收益補償。部分地區(qū)，在規(guī)定時間內可恢復市電供應的部分數據中心，可替代市電或者柴油發(fā)電機備用回路，節(jié)省投資、提高項目整體經濟效益。

3）采用特殊結構的儲能系統替代傳統交流不間斷電源（UPS）。示意圖如圖3所示。由于目前電網的供電可靠性高，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的儲能系統替代傳統UPS，能夠在保證數據中心不間斷供電的能力的同時，可通過儲能系統積極參與與電網的互動及服務，與傳統UPS相比可大大提高資產的利用率及系統運行收益。

圖2 B級數據中心儲能系統配合新能源應用模式Fig.2 Application mode of energy storage system integrates with new energy access in Class B data center

圖3 A級數據中心儲能系統備用電源應用模式Fig.3 Backup power supply application mode of energy storage system in Class A data center

4）多站融合應用模式。示意圖如圖4所示。多站融合建設模式和儲能站、邊緣數據中心和變電站、充電站、能源站等根據多種組合［8］，可以實現設備融合、控制融合、建設融合、信息融合，以達到資源最大化利用，達到多方互利共贏的效果。

3 數據中心儲能系統替代UPS典型方案

除儲能系統替代UPS應用模式外，其他應用模式儲能系統采用傳統的儲能變流器拓撲結構，常見的包括單級式、雙級式、H橋鏈式結構。傳統的儲能系統響應時間在20 ms以上，難以滿足數據中心小于15 ms的不停電切換需求，替代儲能系統的UPS可采用以下幾種基于傳統UPS的改進型結構，能夠實現事故快速為負荷供電的同時，也能向電網放電，實現與電網的雙向互動，主要包括雙變換式拓撲結構以及在線互動式拓撲結構兩種：

圖4 B級數據中心儲能系統備用電源應用模式Fig.4 Backup power supply application mode of energy storage system in Class B data center

1）雙變換式拓撲結構

雙變換式拓撲結構將傳統的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行的電池應通過DC/DC模塊接入直流母線。正常運行時，負荷可通過旁路開關或者雙變換設備向直流負荷供電，也可通過輸入端的雙向AC/DC模塊向電網放電。例如在峰谷套利的運行模式下，可以在谷價期間通過AC/DC模塊整流（或者旁路開關）向負荷供電同時向電池充電；在峰值電價期間通過AC/DC模塊逆變向電網放電或者負荷放電，節(jié)約數據中心用電成本。具體拓撲結構如圖5所示。

圖5 雙變換式拓撲結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of double conversion topology structure

2）在線互動式拓撲結構

在線互動式拓撲結構將傳統UPS輸入端電源接口改為整流逆變雙向的接口，并根據儲能容量設計，確定電源接口及AC/DC模塊的額定容量，通常比交流輸出側負荷需量大，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荷及電網放電。具體拓撲結構如圖6所示。

兩種拓撲結構技術經濟比較如表2所示。

4 典型案例

本研究以惠州某數據中心（規(guī)劃萬臺機柜）項目為例，針對數據中心配置儲能的運行模式及設計方案進行研究。項目為某大規(guī)模多應用場景試點電池儲能站，主要為該數據中心提供電量供應，同時可為電網提供區(qū)域調峰調頻及事故備用服務［9］。該儲能項目擬規(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。主線圖如圖7所示。

儲能系統采用雙變換式拓撲結構每個10 kV母線段接入4 MW/8 MWh或者5 MW/10 MWh儲能系統，替代傳統UPS。

儲能系統具體運行模式設計如下：

1）正常運行時儲能系統預留15 min的備用容量作為數據中心備用電源。

2）參與調峰、調頻、緊急備用容量輔助服務運行模式（如表3所示）如下：

表2 拓撲結構技術經濟比較表Tab.2 Technical and economic comparison of the topology structure

經過經濟測算，儲能系統除參與系統調峰、調頻和緊急備用服務外，還同時為數據中心提供不間斷備用電源，考慮電力市場輔助服務收益，項目內部收益率8.3%，動態(tài)回收期7.05年，項目的輔助收益情況如圖8所示。

圖7 儲能系統接入數據中心主接線圖Fig.7 Main wiring diagram of of energy storage system connected to data center

表3 儲能系統參與輔助服務收益情況Tab.3 Income situation of energy storage system participation in auxiliary services

圖8 儲能系統接入數據中心的電力市場輔助服務收益Fig.8 Power market ancillary service income of energy storage systems connected to data centers

5 結論

本論文從數據中心的用電需求出發(fā)，分析了面向數據中心儲能系統的應用模式，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。給出了數據中心替代UPS雙變換式及在線互動式儲能系統拓撲結構，并對其特征參數進行了比較，最后以一典型技術方案及儲能運行模式分析，證明了本論文應用方案的有效性及經濟性。隨著儲能系統成本的不斷下降，面向數據中心儲能產品的產業(yè)化發(fā)展，相信數據中心儲能會有越來越廣闊的應用前景。