王 玚,李 鵬,冀浩然,宋潔瑩,陳思睿,王成山
(1. 智能電網(wǎng)教育部重點實驗室(天津大學),天津市 300072;2. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司,北京市 102200)
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和規(guī)??焖僭鲩L,成為一類重要的需求響應資源[1-2]。據(jù)統(tǒng)計[3],2020 年中國數(shù)據(jù)中心用電量約占全社會總用電量的2.7%,預計2023 年用電規(guī)模將繼續(xù)增長66%。數(shù)據(jù)中心所產(chǎn)生的大量電力需求給配電網(wǎng)及其自身的高效運行帶來極大的挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)中心購電成本占其整體運行成本的一半以上,是制約數(shù)據(jù)中心經(jīng)濟運營的關鍵因素[4]。因此,通過合理的系統(tǒng)規(guī)劃充分挖掘數(shù)據(jù)中心負荷調(diào)節(jié)能力,提高數(shù)據(jù)中心運行效率具有重要意義。
數(shù)據(jù)中心負荷具有時空調(diào)節(jié)潛力,對數(shù)據(jù)負荷的靈活調(diào)度能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)中心功率的靈活調(diào)節(jié)[5]。對數(shù)據(jù)負荷進行時間上的優(yōu)化調(diào)度,能夠有效實現(xiàn)負荷削峰填谷[6];對數(shù)據(jù)負荷進行空間尺度的調(diào)度,將數(shù)據(jù)任務在不同數(shù)據(jù)中心(或服務器)之間轉(zhuǎn)移,能夠進一步均衡服務器的利用效率[7]。數(shù)據(jù)負載的靈活調(diào)控能夠有效提升數(shù)據(jù)中心電能利用效率,提升數(shù)據(jù)中心運行經(jīng)濟性和靈活性。
目前,國內(nèi)外已開展了基于數(shù)據(jù)中心功耗特性和數(shù)據(jù)負載靈活調(diào)度特性的運行優(yōu)化研究。文獻[8]提出了考慮數(shù)據(jù)負載時空調(diào)節(jié)特性的數(shù)據(jù)中心靈活調(diào)度模型,有效緩解了配電網(wǎng)運行電壓越限和饋線負載不平衡問題;文獻[9]以數(shù)據(jù)中心購電成本最小為優(yōu)化目標,研究了數(shù)據(jù)負載在不同地理分布的數(shù)據(jù)中心之間的調(diào)度,解決了云服務供應商與數(shù)據(jù)中心和智能電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)問題;文獻[10]研究了不同地理分布的數(shù)據(jù)中心和電動汽車的聯(lián)合能量管理問題;文獻[11]以數(shù)據(jù)中心運行成本最小為目標,提出了一個考慮儲能與數(shù)據(jù)中心在微電網(wǎng)中協(xié)調(diào)運行的優(yōu)化模型。
隨著用戶對數(shù)據(jù)處理可靠性和速度要求的提升,數(shù)據(jù)中心逐漸向集成化與規(guī)?;姆较虬l(fā)展[12]。為保證數(shù)據(jù)中心具有更加高效可靠的電力供應,園區(qū)內(nèi)常配置有交直流轉(zhuǎn)換設備,通過直流系統(tǒng)向數(shù)據(jù)中心供電[12-13]。相比于傳統(tǒng)變壓器,以柔性變電站為代表的新型柔性配電設備具有多電壓等級、多端口柔性互聯(lián)等特性,能夠?qū)崿F(xiàn)交直流配電系統(tǒng)的雙向互通[14-16]。通過柔性變電站將外部配電網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心園區(qū)內(nèi)多類型資源協(xié)調(diào),可以為數(shù)據(jù)中心提供高效可靠的直流電力供應,并減小其電力運營成本。因此,以柔性變電站為核心,對數(shù)據(jù)中心進行高效集成供電,可以使數(shù)據(jù)中心充分發(fā)揮其負載靈活調(diào)節(jié)特性,與園區(qū)內(nèi)接入的分布式電源和儲能等資源協(xié)調(diào)互動,實現(xiàn)能源利用效率最大化。
如何合理地規(guī)劃部署數(shù)據(jù)中心IT 設備及園區(qū)內(nèi)其他設備,在實現(xiàn)運行狀態(tài)最優(yōu)的同時降低建設及運行成本,是數(shù)據(jù)中心在提高園區(qū)經(jīng)濟效益時亟待解決的關鍵問題。文獻[17]中以降低數(shù)據(jù)中心運營成本為目標,對數(shù)據(jù)中心位置、容量及數(shù)據(jù)線路的建設路線進行規(guī)劃。文獻[18-19]的規(guī)劃問題中,假定數(shù)據(jù)中心、分布式電源、儲能系統(tǒng)等設備的位置已知,建立基于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心計算和供電基礎設施的規(guī)劃模型,以經(jīng)濟性最優(yōu)為目標,對數(shù)據(jù)中心服務器數(shù)量及類型、分布式電源和儲能的容量進行規(guī)劃。文獻[20]提出一種基于數(shù)據(jù)中心的多能源系統(tǒng)能源站的優(yōu)化建設方法,考慮電、熱負荷之間的耦合關系,實現(xiàn)能源站各設備的容量配置和數(shù)據(jù)中心服務器的優(yōu)化調(diào)度。文獻[21]提出一種數(shù)據(jù)中心和儲能裝置在智能電網(wǎng)中的位置和容量的綜合規(guī)劃方案,模擬電網(wǎng)中各類資源之間的耦合影響。而如何以柔性配電設備為核心,實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心、分布式電源、儲能系統(tǒng)等多類型資源的綜合協(xié)調(diào)規(guī)劃,在提高數(shù)據(jù)中心供電可靠性和運行經(jīng)濟性的同時,降低設備投資仍有待進一步研究。
綜上,本文提出了考慮多類型資源的數(shù)據(jù)中心園區(qū)供電協(xié)調(diào)規(guī)劃方法。該方法以數(shù)據(jù)中心園區(qū)建設成本和運行成本最小為目標,考慮園區(qū)各類型資源的規(guī)劃與運行約束,重點研究了數(shù)據(jù)中心園區(qū)供電協(xié)調(diào)規(guī)劃問題,以柔性變電站規(guī)劃為核心,將園區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)中心各類型服務器數(shù)量規(guī)劃、儲能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)的容量規(guī)劃集成到同一規(guī)劃框架下,充分發(fā)揮數(shù)據(jù)中心負載靈活調(diào)節(jié)特性,與園區(qū)內(nèi)接入的光伏和儲能進行互動,在得到最優(yōu)規(guī)劃方案的同時實現(xiàn)園區(qū)運行經(jīng)濟性最優(yōu)。最后,通過數(shù)據(jù)中心園區(qū)算例驗證了所述方法的有效性,并進一步分析了數(shù)據(jù)負載靈活調(diào)度策略、數(shù)據(jù)中心可靠性供電要求、光伏單位容量規(guī)劃成本對數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃結(jié)果的影響。
典型數(shù)據(jù)中心園區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 數(shù)據(jù)中心園區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of data center park
園區(qū)內(nèi)共含兩個子數(shù)據(jù)中心,一處儲能和兩處光伏,通過兩個柔性變電站對數(shù)據(jù)中心進行集成供電。各設備協(xié)調(diào)配合,為機房IT 設備提供可靠供電的同時,促進數(shù)據(jù)中心園區(qū)綠色高效運行。
通過柔性變電站為數(shù)據(jù)中心園區(qū)供電,可以滿足數(shù)據(jù)中心多電壓等級和靈活功率調(diào)控的供電需求。以圖1 中四端口柔性變電站為例,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 柔性變電站結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of flexible substation
依據(jù)四端口柔性變電站內(nèi)部換流器結(jié)構(gòu)示意圖,其各端口有功功率平衡約束如下:
柔性變電站交流端口的無功補償容量約束如式(2)所示,并且用二范數(shù)形式表示了AC/DC 換流器、DC/AC 換流器的容量約束。
數(shù)據(jù)中心建模主要包括基于動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)(dynamic voltage and frequency scaling,DVFS)技術[22]的設備功耗建模以及數(shù)據(jù)負載調(diào)度策略建模?;贒VFS 技術,數(shù)據(jù)中心的CPU 可以靈活選擇工作頻率,提高IT 設備工作效率;對數(shù)據(jù)負載進行靈活調(diào)度,可以降低數(shù)據(jù)中心功耗,提高光伏出力的消納水平。
1)基于DVFS 技術的數(shù)據(jù)中心功耗模型
數(shù)據(jù)中心核心設備主要包括IT 設備、冷卻設備和配電設備等[23]。其中,IT 設備負責數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲及交互通信;冷卻設備用于維持機房設備運行環(huán)境的溫度和濕度;配電設備主要用于交直流電能轉(zhuǎn)換,為IT 設備提供可靠、高質(zhì)量的電源。由此,數(shù)據(jù)中心總功耗可表示為:
數(shù)據(jù)負載調(diào)度是指對不同類型數(shù)據(jù)計算需求進行操作的一種數(shù)據(jù)服務管理方式,對延遲敏感型和延遲容忍型[1]兩種數(shù)據(jù)負載進行調(diào)度,能有效改善系統(tǒng)的運行狀態(tài)。
延遲敏感型負載有嚴格的時間延遲要求,采用M/M/1 排隊模型[8]對一個時間段內(nèi)的排隊延遲進行建模,保證數(shù)據(jù)中心在t時段內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)負載必須在該時段處理完成。延遲敏感型數(shù)據(jù)負載需滿足的關系式如下:
為滿足數(shù)據(jù)中心高可靠供電需求,園區(qū)內(nèi)需配置儲能備用電源,保證故障發(fā)生時數(shù)據(jù)中心的運行。儲能系統(tǒng)運行約束表示如下:
通過接入光伏系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心供電,可以有效減小運營成本,提升園區(qū)運行經(jīng)濟性。數(shù)據(jù)中心負荷調(diào)節(jié)也能夠更好地適應光伏出力時序變化,提高光伏利用率。光伏系統(tǒng)運行約束如下:
采用直流配電網(wǎng)向數(shù)據(jù)中心園區(qū)供電,其運行約束如下:
基于光伏出力和數(shù)據(jù)負載典型歷史場景,對數(shù)據(jù)中心園區(qū)內(nèi)設備進行規(guī)劃,規(guī)劃變量包括柔性變電站中各換流器容量、子數(shù)據(jù)中心中各類型服務器數(shù)量、儲能容量及光伏容量。
式中:cFS為柔性變電站中換流器單位容量投資成本;η為柔性變電站運行維護費用系數(shù);d為貼現(xiàn)率;y為設備使用年限。
數(shù)據(jù)中心園區(qū)供電協(xié)調(diào)規(guī)劃模型中,考慮柔性變電站容量、數(shù)據(jù)中心服務器數(shù)量、儲能和光伏容量的規(guī)劃,其約束表示如下。
1)柔性變電站規(guī)劃約束
采用如圖1 所示的數(shù)據(jù)中心園區(qū)算例對提出的規(guī)劃方法進行分析求解。模型基于MATLAB 2016a 下YALMIP 工具平臺搭建,通過調(diào)用CPLEX 12.4 求解器進行求解。執(zhí)行優(yōu)化計算的計算機處理器為Intel Core i7-10700,主頻為3.70 GHz,內(nèi)存為64 GB,操作系統(tǒng)為Windows 10。
數(shù)據(jù)中心園區(qū)中,柔性變電站與10 kV 交流母線相連,其380 V 交流輸出端與750 V 直流輸出端分別為數(shù)據(jù)中心交直流負荷進行供電。園區(qū)內(nèi)有兩個子數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心服務器參數(shù)如附錄C 表C1所示[27]。同時,將兩個光伏系統(tǒng)并入10 kV 配電網(wǎng)。為保證供電可靠性,在750 V 直流配電網(wǎng)裝設儲能系統(tǒng),其荷電狀態(tài)的上、下限為90%和20%。柔性變電站、光伏與儲能系統(tǒng)的參數(shù)如附錄C 表C2 所示[16,28]。所有待規(guī)劃設備的貼現(xiàn)率和使用年限設置為8%和20 年,假設儲能系統(tǒng)儲存電量需供數(shù)據(jù)中心以當前狀態(tài)運行1 h,光伏削減成本為0.95 元/(kW·h)。配電網(wǎng)中安全電壓上、下限分別設置為1.05 p.u.和0.95 p.u.,分時電價曲線如圖3所示。
圖3 分時電價曲線Fig.3 Time-of-use price curve
對一年中光伏出力曲線與數(shù)據(jù)負載變化曲線數(shù)據(jù)進行聚類[28-29],得到圖4 中4 種典型場景,每個場景包含一天內(nèi)數(shù)據(jù)負載、光伏出力及園區(qū)電力負荷的變化,各場景延遲容忍型數(shù)據(jù)負載的占比為70%。
圖4 典型場景曲線Fig.4 Curves of typical scenarios
采用上述方法對數(shù)據(jù)中心園區(qū)內(nèi)柔性變電站、數(shù)據(jù)中心、儲能和光伏進行綜合規(guī)劃,其中,柔性變電 站1 中AC/DC 換 流 器、DC/DC 換 流 器、DC/AC換流器容量規(guī)劃結(jié)果分別為3、3、1 MW;柔性變電站2 中上述各換流器結(jié)果分別為5、5、1 MW;數(shù)據(jù)中心1 中兩類服務器的數(shù)量分別為6 000、3 000 臺;數(shù)據(jù)中心2 中兩類服務器的數(shù)量分別為15 000、6 000 臺。此外,光伏1 和光伏2 的容量規(guī)劃分別為5 MW 和7.5 MW。從結(jié)果可以看出,規(guī)劃的光伏系統(tǒng)容量與柔性變電站換流器容量是相對匹配的,同時,園區(qū)內(nèi)配置了10 MW·h 的儲能,保證數(shù)據(jù)中心供電可靠性并提高光伏系統(tǒng)的能量利用率,減小數(shù)據(jù)中心購電費用。按照以上配置,數(shù)據(jù)中心園區(qū)的年投資成本為1 965.71 萬元,年綜合費用為4 241.41 萬元,設定數(shù)據(jù)中心處理每個數(shù)據(jù)負載賺取0.03 元的費用[30],則每年的收益約為6 162 萬元,每年凈收益為1 920.59 萬元。
為驗證園區(qū)設備配置方案的有效性,需考慮多重因素對規(guī)劃結(jié)果的影響,本文選取數(shù)據(jù)負載靈活調(diào)度特性、數(shù)據(jù)中心可靠性要求、光伏單位投資成本3 個因素進行分析。
1)數(shù)據(jù)負載靈活調(diào)度策略影響分析
數(shù)據(jù)負載時空靈活調(diào)度能在保證數(shù)據(jù)中心運行可靠性的同時,提升園區(qū)經(jīng)濟性。采用以下兩種方案分析對比數(shù)據(jù)負載靈活調(diào)度策略對設備規(guī)劃結(jié)果的影響:
方案1:未考慮數(shù)據(jù)負載的靈活調(diào)度特性,得到數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃結(jié)果和數(shù)據(jù)中心調(diào)度策略。
方案2:考慮數(shù)據(jù)負載靈活調(diào)度特性,得到考慮多類型資源的數(shù)據(jù)中心園區(qū)綜合規(guī)劃結(jié)果。
兩種方案規(guī)劃結(jié)果分別如附錄C 表C3 和表C4所示。由規(guī)劃結(jié)果可知,方案1 中光伏系統(tǒng)總?cè)萘恳?guī)劃明顯小于方案2,反映出數(shù)據(jù)負載的靈活調(diào)度在一定程度上提高了光伏滲透率。方案1 中,數(shù)據(jù)負載不能進行時間轉(zhuǎn)移,且數(shù)據(jù)處理任務由前端服務器平均分配給各數(shù)據(jù)中心,因此規(guī)劃出相同的服務器配置方案,且現(xiàn)有規(guī)劃條件無法使數(shù)據(jù)中心完成全部數(shù)據(jù)負載的處理,會產(chǎn)生棄數(shù)據(jù)負載費用,兩種方案詳細成本如表1 所示。考慮數(shù)據(jù)中心每丟棄1 個數(shù)據(jù)負載懲罰0.3 元[11],則在數(shù)據(jù)負載不能靈活調(diào)度時,年棄數(shù)據(jù)成本增加了1 039.81 萬元,導致方案1 年綜合費用增加。
表1 數(shù)據(jù)中心園區(qū)年綜合費用Table 1 Annual comprehensive cost of data center park
在考慮數(shù)據(jù)負載靈活調(diào)度后,雖然大規(guī)模光伏接入產(chǎn)生的能量不能被完全消納,但光伏接入與數(shù)據(jù)中心靈活調(diào)度策略協(xié)調(diào)配合,使數(shù)據(jù)中心購電費用降低23.3%,年綜合費用降低28.4%,從而降低方案2 年綜合費用,進一步證明了對數(shù)據(jù)負載進行靈活調(diào)度的必要性。
為進一步分析數(shù)據(jù)負載靈活調(diào)度特性對規(guī)劃結(jié)果的影響,本節(jié)對比了延遲容忍型數(shù)據(jù)負載占比為30%、60%、90%時的數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃結(jié)果。
附錄C 表C5 和表C6 為延遲容忍型負載占比不同時數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃結(jié)果。延遲容忍型負載在時間尺度有更強的調(diào)度潛力,因此當其比例減小時,為了滿足延遲敏感型數(shù)據(jù)的計算要求,規(guī)劃的服務器數(shù)量會有所增加。由表2 可知,當數(shù)據(jù)負載靈活調(diào)度能力增強時,數(shù)據(jù)中心傾向于將數(shù)據(jù)負載轉(zhuǎn)移至購電費用較低的時段內(nèi)進行,數(shù)據(jù)中心的年購電費用會明顯減小。
表2 不同延遲容忍負載占比下數(shù)據(jù)中心園區(qū)年綜合費用Table 2 Annual comprehensive cost of data center park with different proportion of time-delay-tolerant workload
2)數(shù)據(jù)中心供電可靠要求影響分析
由于數(shù)據(jù)中心服務的對象、服務質(zhì)量、業(yè)務的規(guī)模等有所差異,對各類型數(shù)據(jù)中心的可靠性要求也有所區(qū)別。在分析中,以τ值取1、2、3 h 為例,分析不同可靠性要求下數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃結(jié)果。
附錄C 表C7 和表C8 為不同可靠性要求下數(shù)據(jù)中心園區(qū)的規(guī)劃結(jié)果。隨著可靠性要求的提升,儲能系統(tǒng)容量規(guī)劃分別增加了6 MW 和8 MW,投資費用也相應增加。儲能系統(tǒng)容量增加后,配電網(wǎng)靈活調(diào)度能力得到有效提升,在數(shù)據(jù)中心運行策略求解中,更傾向于通過調(diào)度儲能減小光伏削減和數(shù)據(jù)中心購電費用,從而提高光伏發(fā)電利用率。如表3所示,以維持運行時長1 h 為參考,其光伏削減費用分別減小了32.1%和40.56%。
表3 不同可靠性要求下數(shù)據(jù)中心園區(qū)年綜合費用Table 3 Annual comprehensive cost of data center park with different reliability requirements
3)光伏系統(tǒng)投資成本影響分析
隨著分布式電源技術的發(fā)展,光伏的應用越來越廣泛,其建設成本也會隨時間推移有下降趨勢。本節(jié)選取光伏單位容量價格為0.50、0.32、0.10 萬元/kW,分析了光伏單位成本變化時數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃結(jié)果。
附錄C 表C9 和表C10 為光伏單位成本不同時的規(guī)劃結(jié)果。單位成本下調(diào)時,光伏安裝容量會有明顯增加,但由于光伏安裝價格的下調(diào),光伏系統(tǒng)整體投資呈下降趨勢。如表4 所示,以0.50 萬元/kW為參照,光伏系統(tǒng)投資分別下降了30.4%和75.7%,相應年投資成本分別降低了4.93%和21.2%。從數(shù)據(jù)中心園區(qū)光伏削減費用和儲能調(diào)度費用的趨勢可以看出,雖然光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的能量無法被完全消納,但會通過增加儲能調(diào)度盡量減小光伏削減費用,提高光伏能量利用率,進一步降低數(shù)據(jù)中心購電費用及園區(qū)年綜合費用。
表4 不同光伏單位投資成本下數(shù)據(jù)中心園區(qū)年綜合費用Table 4 Annual comprehensive cost of data center park with different investment costs per unit of photovoltaic
綜上所述,數(shù)據(jù)負載靈活調(diào)度策略、供電可靠性要求、光伏單位投資費用發(fā)生變化時,均會引起數(shù)據(jù)中心園區(qū)各設備規(guī)劃結(jié)果的改變。因此,根據(jù)實際規(guī)劃需求選取相應參數(shù),對數(shù)據(jù)中心園區(qū)的合理規(guī)劃具有重要意義。
面向數(shù)據(jù)中心園區(qū)經(jīng)濟高效運行,本文提出了考慮多類型資源的數(shù)據(jù)中心園區(qū)供電協(xié)調(diào)規(guī)劃方法。首先,對數(shù)據(jù)中心園區(qū)內(nèi)多類型設備進行建模。在此基礎上,建立了考慮多類型資源的數(shù)據(jù)中心園區(qū)供電規(guī)劃模型,以數(shù)據(jù)中心園區(qū)設備投資成本和運行成本之和最小為目標,協(xié)調(diào)規(guī)劃園區(qū)內(nèi)柔性變電站各換流器容量、數(shù)據(jù)中心各類型服務器數(shù)量、儲能及光伏的容量,并在數(shù)據(jù)中心園區(qū)算例上驗證了本文提出的數(shù)據(jù)中心園區(qū)供電協(xié)調(diào)方法規(guī)劃的經(jīng)濟效益。最后,分析了數(shù)據(jù)負載靈活調(diào)度策略、數(shù)據(jù)中心可靠性供電要求、光伏單位容量規(guī)劃成本對數(shù)據(jù)中心園區(qū)規(guī)劃結(jié)果的影響。使用不同參數(shù)進行規(guī)劃時,各設備規(guī)劃結(jié)果有所區(qū)別,得到了多種數(shù)據(jù)中心園區(qū)建設方案。
本文在數(shù)據(jù)中心園區(qū)的規(guī)劃問題中僅考慮了園區(qū)內(nèi)的電氣設備,而制冷設備也是園區(qū)中關鍵設備之一??紤]園區(qū)內(nèi)電-熱耦合,未來對制冷設備進行詳細建模并納入規(guī)劃范圍,可以使數(shù)據(jù)中心園區(qū)內(nèi)多類型資源綜合規(guī)劃更加完善,進一步提升能源利用效率。
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