張卓杰，姚言超，陳俊宇，彭騰，林詩焜

(中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510663)

電力作為高品位、低污染的二次能源，是“雙碳”目標(biāo)下的核心能源形式。隨著節(jié)能減排需求的不斷提高，能源領(lǐng)域的融合發(fā)展將成為助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的下一個(gè)抓手，多站融合建設(shè)即為順應(yīng)該融合發(fā)展趨勢(shì)的有益探索[1]。得益于我國完善的輸配電網(wǎng)絡(luò)，變電站覆蓋極為廣泛，以廣州為例，全市各級(jí)變電站共320座，其中有15%的變電站適宜建設(shè)多站融合邊緣數(shù)據(jù)中心[2]。充分利用變電站土地資源和電力資源建設(shè)邊緣數(shù)據(jù)中心、5G基站、北斗衛(wèi)星基站、分布式光伏、儲(chǔ)能電站等，既確保了數(shù)據(jù)中心設(shè)施的用電可靠性，又能夠充分消納可再生能源。

近年來行業(yè)學(xué)者在多站融合建設(shè)與運(yùn)營方面進(jìn)行了許多探索?；诙嗾救诤蟽?chǔ)能電池的實(shí)際使用情況，文獻(xiàn)[3]考慮儲(chǔ)能電池健康狀態(tài)和壽命特性，以儲(chǔ)能全生命周期的經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，建立了多站融合光儲(chǔ)容量優(yōu)化配置模型，并提出多站融合光儲(chǔ)優(yōu)化調(diào)度策略。為全面客觀評(píng)估多站融合的運(yùn)營情況，文獻(xiàn)[4]基于層次分析和風(fēng)險(xiǎn)熵權(quán)建立能源利用率、成本效益、能源耦合效率的綜合性指標(biāo)，以輔助多站融合數(shù)據(jù)中心運(yùn)營優(yōu)化；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了多站融合數(shù)據(jù)中心運(yùn)行架構(gòu)，建立了多站融合協(xié)同優(yōu)化與數(shù)據(jù)遷移經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)多個(gè)融合站的互補(bǔ)調(diào)度，有效提升了多站融合數(shù)據(jù)中心運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[6]基于非合作博弈理論提出多站融合數(shù)據(jù)中心的功率分配方法，有效提高了融合站用電能效；文獻(xiàn)[7]探討了多站融合源荷協(xié)調(diào)的商業(yè)模式，從需求側(cè)管理的角度討論多站融合的優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[8]從各市場主體利益出發(fā)，分析多站融合數(shù)據(jù)中心的商業(yè)盈利模式、建設(shè)運(yùn)營模型，提出多站融合數(shù)據(jù)中心的全流程管理模型；文獻(xiàn)[9]分析對(duì)比多站融合數(shù)據(jù)中心的供電形式，從經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可控性3個(gè)方面提出多站融合數(shù)據(jù)中心供電綜合評(píng)估方法，進(jìn)一步提出直流供電模式更適用于多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)；文獻(xiàn)[10]基于多站融合源荷集中的特性，利用微電網(wǎng)方法分析多站融合工程中儲(chǔ)能、柴油發(fā)電機(jī)、不間斷電源 (uninterruptible power supply，UPS) 的優(yōu)化配置問題，提升了多站融合數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行可靠性，降低了其建設(shè)成本及運(yùn)維成本；文獻(xiàn)[11]利用融合站儲(chǔ)能參與電力系統(tǒng)調(diào)峰，并以此為目標(biāo)規(guī)劃融合站內(nèi)儲(chǔ)能站容量配置；文獻(xiàn)[12]分析了儲(chǔ)能電站在電網(wǎng)內(nèi)的削峰填谷、功率波動(dòng)平抑等作用，并提出配電系統(tǒng)儲(chǔ)能電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，對(duì)多站融合建設(shè)具有參考價(jià)值；文獻(xiàn)[13]討論了可再生能源接入背景下直流配電系統(tǒng)電壓等級(jí)序列劃分方法，為多站融合數(shù)據(jù)中心的供電形式與接入電壓等級(jí)提供了參考；文獻(xiàn)[14]討論了交直流聯(lián)合供電的多站融合微電網(wǎng)系統(tǒng)，提出融合站交直流電源及UPS系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案，并分析了系統(tǒng)供電可靠性；文獻(xiàn)[15]結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目案例研究了多站融合的典型應(yīng)用場景。

上述文獻(xiàn)雖對(duì)多站融合數(shù)據(jù)中心供電結(jié)構(gòu)與方式進(jìn)行了多方面討論，但忽略了多站融合數(shù)據(jù)中心新能源發(fā)電設(shè)備與儲(chǔ)能設(shè)備接入所帶來的碳排放與減排作用，未全面評(píng)估各類多站融合數(shù)據(jù)中心供能結(jié)構(gòu)。為此，本文基于對(duì)多站融合數(shù)據(jù)中心碳排放與收益的評(píng)估，總結(jié)當(dāng)前多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)的3類典型架構(gòu)，分析多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)的碳排放與投資收益，最后介紹多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)、政策與典型示范工程。

1 多站融合數(shù)據(jù)中心供能碳排放核算模型

1.1 多站融合數(shù)據(jù)中心基本結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心、通信基站、衛(wèi)星站等數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施需要穩(wěn)定的電能供應(yīng)，并且在地理位置選取上需靠近用戶主體。變電站擁有電網(wǎng)穩(wěn)定的供能優(yōu)勢(shì)以及靠近用戶負(fù)荷的地理位置優(yōu)勢(shì)，與上述數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的選址要求十分契合，因此多站融合數(shù)據(jù)中心成為推進(jìn)數(shù)字新基建的一項(xiàng)重要落地內(nèi)容。多站融合數(shù)據(jù)中心基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。多站融合數(shù)據(jù)中心在變電站原址上擴(kuò)建數(shù)據(jù)中心、5G基站、衛(wèi)星站等數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施，以及儲(chǔ)能電站、光伏電站、電動(dòng)汽車充/換電站等新能源基礎(chǔ)設(shè)施，變電站母線依照設(shè)備接入需求進(jìn)行擴(kuò)建。在服務(wù)臨近電能負(fù)荷需求的同時(shí)，多站融合數(shù)據(jù)中心也滿足了臨近數(shù)據(jù)負(fù)荷的需求，為負(fù)荷調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)接入、新能源消納等需求提供設(shè)備支持。

圖1 多站融合數(shù)據(jù)中心基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of the basic structure of multi-station integration data center

1.2 供能設(shè)備建設(shè)碳排放核算模型

多站融合數(shù)據(jù)中心供能設(shè)備建設(shè)碳排放C1包括新增設(shè)備及設(shè)備連接方式2部分，計(jì)算如下：

(1)

式中：Li為制造第i種設(shè)備的單位碳排放；pi為多站融合數(shù)據(jù)中心第i種設(shè)備數(shù)量，設(shè)備包括擴(kuò)建所需新增的變電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、新能源發(fā)電設(shè)備及設(shè)備所需土建等；M為電力連接所需電纜及母線的單位碳排放；q為該設(shè)備電力連接方式所需的線纜及母線長度。

1.3 供能設(shè)備運(yùn)營碳排放核算模型

多站融合數(shù)據(jù)中心供能設(shè)備運(yùn)營碳排放C2包括設(shè)備損耗及電能傳輸損耗，由于新能源發(fā)電與儲(chǔ)能的加入，多站融合數(shù)據(jù)中心運(yùn)營還存在碳減排，計(jì)算方法如下：

(2)

式中：η1為設(shè)備損耗碳排放。包含變流器損耗、變壓器損耗、儲(chǔ)能充放電損耗等碳排放；η2為電能傳輸損耗碳排放，主要為在電纜及母線上產(chǎn)生的線路損耗碳排放；η3為光伏電站發(fā)電及儲(chǔ)能調(diào)節(jié)新能源發(fā)電等效碳減排，采用年等效滿負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)計(jì)算。

1.4 供能設(shè)備綜合碳排放核算模型

多站融合數(shù)據(jù)中心綜合碳排放C考慮了新增設(shè)備全生命周期的建設(shè)碳排放、運(yùn)營碳排放與回收碳減排，如下：

C=C1+365YC2-C3.

(3)

式中：Y為多站融合數(shù)據(jù)中心新增設(shè)備正常使用年限；C3為設(shè)備回收碳減排，主要體現(xiàn)在光伏電池硅片組件、鋁殼支架回收，儲(chǔ)能電池電芯金屬回收以及逆變器回收3個(gè)方面。

2 多站融合數(shù)據(jù)中心供電標(biāo)準(zhǔn)與結(jié)構(gòu)

2.1 多站融合數(shù)據(jù)中心供電標(biāo)準(zhǔn)

多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)需滿足建筑節(jié)能各方面標(biāo)準(zhǔn)，電力與可再生能源利用方面規(guī)定太陽能供電比率需達(dá)到20%～50%，推薦采用分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)以及碳排放計(jì)算分析系統(tǒng)[16]。中國電子協(xié)會(huì)發(fā)布的《綠色數(shù)據(jù)中心評(píng)估準(zhǔn)則》將數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)節(jié)能、可再生能源利用以及能源統(tǒng)計(jì)和分析納入評(píng)估，分別占總評(píng)的1%、3%和10%[17]。

2.2 多站融合數(shù)據(jù)中心供電結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中心常用的2N供電結(jié)構(gòu)如圖2所示。儲(chǔ)能作為保障數(shù)據(jù)中心供能的重要設(shè)備，其配置與應(yīng)用方式也對(duì)多站融合數(shù)據(jù)中心的建設(shè)與運(yùn)營產(chǎn)生較大影響。相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能單一應(yīng)用場景，多站融合數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能兼顧數(shù)據(jù)中心備用電源與新能源消納功能，大規(guī)模儲(chǔ)能電站還可響應(yīng)電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)。根據(jù)新能源發(fā)電與儲(chǔ)能設(shè)備接入方式的不同，本文進(jìn)一步討論多站融合數(shù)據(jù)中心的供能結(jié)構(gòu)，并擴(kuò)展其他可能性。為方便表述，后續(xù)功能架構(gòu)均以A路供電為例。

圖2 數(shù)據(jù)中心2N供電結(jié)構(gòu)Fig.2 2N power structure of data center

2.2.1 多站融合數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能單元類別及作用

區(qū)別于傳統(tǒng)變電站，多站融合數(shù)據(jù)中心需要更高的供電可靠性與更為主動(dòng)的新能源發(fā)電消納，為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，儲(chǔ)能單元在多站融合數(shù)據(jù)中心供能設(shè)備中尤為重要。在分析多站融合數(shù)據(jù)中心供電結(jié)構(gòu)前，本節(jié)首先明確多站融合數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能單元的類別及作用。

按照儲(chǔ)能單元的功率能量比，可將其分為能量型儲(chǔ)能與功率型儲(chǔ)能。能量型儲(chǔ)能以鉛酸電池、鋰電池等電化學(xué)儲(chǔ)能為代表，可在站點(diǎn)配置較大容量，但儲(chǔ)能充放電功率與容量的比值較小，要實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的大功率充放電需增加額外成本，以提升儲(chǔ)能容量。結(jié)合上述特性，能量型儲(chǔ)能在多站融合數(shù)據(jù)中心可解決運(yùn)行功率較為穩(wěn)定的應(yīng)用需求，例如維持站點(diǎn)停電后的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)、削峰填谷和長時(shí)間尺度的新能源發(fā)電消納等。功率型儲(chǔ)能由超級(jí)電容組成，其充放電功率與容量的比值較高，但單位容量的配置成本高，因此其在多站融合數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能配置中作為功率型儲(chǔ)能的補(bǔ)充，支撐站點(diǎn)短時(shí)間內(nèi)較高功率的調(diào)節(jié)需求，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。功率型儲(chǔ)能在多站融合數(shù)據(jù)中心可用于站點(diǎn)意外斷電后的數(shù)據(jù)保護(hù)、站點(diǎn)凈負(fù)荷功率波動(dòng)調(diào)節(jié)等。

2.2.2 多站融合數(shù)據(jù)中心交流母線處消納可再生能源

圖3所示為可再生能源通過交流母線分配與就地消納示意圖。在2N架構(gòu)下，多站融合數(shù)據(jù)中心可在10 kV母線、0.4 kV母線處接入光伏發(fā)電與儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)內(nèi)的靈活消納，而無需擔(dān)心可再生能源接入給該區(qū)域帶來的電壓異常問題，也沒有配電網(wǎng)線路末端功率反送造成的配電網(wǎng)繼電保護(hù)配合問題，0.4 kV母線處接入的光伏發(fā)電需在服務(wù)器負(fù)荷處就地消納。該架構(gòu)下按照從上至下的配電順序消納可再生能源發(fā)電功率，對(duì)傳統(tǒng)配電設(shè)備的改造要求不高。但如果在數(shù)據(jù)服務(wù)器處安裝有儲(chǔ)能，為避免負(fù)荷端儲(chǔ)能功率反送帶來的保護(hù)和電壓問題，多站融合主控需協(xié)調(diào)好服務(wù)器處儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)，即在傳統(tǒng)配電設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的框架下，多站融合數(shù)據(jù)中心負(fù)荷端儲(chǔ)能靈活調(diào)節(jié)以消納可再生能源，從而減小系統(tǒng)的碳排放量。

圖3 可再生能源通過交流母線分配與就地消納Fig.3 Renewable energy distribution and local consumption through AC bus and load

2.2.3 多站融合數(shù)據(jù)中心負(fù)荷端消納可再生能源

圖4所示為可再生能源就地消納與組間消納方案。該方案基于騰訊T-Block、華為Fusion DC的模塊化數(shù)據(jù)中心，在典型2N架構(gòu)下建設(shè)模塊間功率互濟(jì)的多站融合數(shù)據(jù)中心，可再生能源發(fā)電與儲(chǔ)能均可在各個(gè)數(shù)據(jù)中心模塊中共用。該組網(wǎng)方式下各模塊間的功率交換可能會(huì)導(dǎo)致0.4 kV母線電壓波動(dòng)增大，但電力電子電源對(duì)電壓偏移的接納范圍較廣，模塊化數(shù)據(jù)中心依然可以正常運(yùn)行。配電設(shè)備應(yīng)設(shè)計(jì)新的繼保方案以適應(yīng)該結(jié)構(gòu)下內(nèi)部電壓波動(dòng)較大、功率反送等問題。

圖4 可再生能源就地消納與組網(wǎng)消納方案Fig.4 Local and networking consumption scheme of renewable energy

該結(jié)構(gòu)下利用數(shù)據(jù)中心負(fù)荷高度模塊化和功能高重復(fù)的特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)更加靈活的可再生消納方案，即通過合理的算力調(diào)度使得數(shù)據(jù)中心的計(jì)算服務(wù)器位置與可再生能源發(fā)電冗余的位置相匹配，真正實(shí)現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一調(diào)度。為了提升可再生能源在數(shù)據(jù)中心總能耗中的占比，該組網(wǎng)形式仍然可以在0.4 kV和10 kV母線下并入可再生能源發(fā)電設(shè)備及儲(chǔ)能。

2.2.4 直流微電網(wǎng)供能結(jié)構(gòu)

多站融合數(shù)據(jù)中心直流負(fù)荷多，直流組網(wǎng)方式可減少電能變換單元，提升供電效率。基于巴拿馬電源可實(shí)現(xiàn)在功率交換點(diǎn)10 kV交流到600 V直流的直接轉(zhuǎn)換，因此多站融合數(shù)據(jù)中心內(nèi)部沒有變壓器，實(shí)現(xiàn)全開關(guān)設(shè)備組網(wǎng)方式。電力電子設(shè)備硬件拓?fù)涞闹貜?fù)性高，在額定電壓和額定電流范圍內(nèi)，設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能取決于設(shè)備控制方式，基于電力電子變壓器組網(wǎng)的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)十分靈活，可再生能源的接入方式多樣，如圖5所示；多站融合數(shù)據(jù)中心新能源接入方式對(duì)比見表1。

圖5 基于電力電子變壓器的直流微電網(wǎng)組網(wǎng)方式Fig.5 DC micro-grid networking based on power electric transformer

表1 多站融合數(shù)據(jù)中心新能源接入方式對(duì)比Tab.1 New energy power supply methods comparison of multi-station integration data center

光伏發(fā)電可通過匯流，經(jīng)DC/DC變換器升壓直接接入高壓直流母線，此時(shí)高壓直流母線相當(dāng)于能量路由器，可平衡配電網(wǎng)、可再生能源、儲(chǔ)能與負(fù)荷的電能需求。為確保高壓直流母線電壓穩(wěn)定，直流母線側(cè)需配置適合容量的電容和儲(chǔ)能以進(jìn)行能量緩沖并提供充足無功功率，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

類似如圖4的交流微電網(wǎng)組網(wǎng)方案也適用于采用直流方式的模塊化數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)。各模塊電源通過小功率DC/DC變換器接入，可再生能源就地消納可以減少傳輸損耗，模塊化組網(wǎng)數(shù)據(jù)中心各模塊間應(yīng)設(shè)置相配合的電壓調(diào)節(jié)機(jī)制，以避免低壓直流母線電壓產(chǎn)生過大偏移。

3 多站融合數(shù)據(jù)中心供電成本及收益測算

以光儲(chǔ)多站融合數(shù)據(jù)中心為例，其包含大量可再生能源發(fā)電和電化學(xué)儲(chǔ)能接入，中心的建設(shè)需額外投入大量資金，額外設(shè)備制造也大大提高了系統(tǒng)的建設(shè)碳排放。從長遠(yuǎn)來看，隨著光伏、儲(chǔ)能成本日益下降，新能源并網(wǎng)發(fā)電帶來的運(yùn)營碳減排以及分時(shí)電價(jià)的政策支持，多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)具有良好的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益。本章以某物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)數(shù)據(jù)中心為例，對(duì)多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)、運(yùn)行進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境效益測算。

3.1 多站融合數(shù)據(jù)中心供電建設(shè)成本

多站融合數(shù)據(jù)中心基本參數(shù)如下：設(shè)計(jì)負(fù)荷容量700 kW，變壓器容量1 000 kVA，分布式光伏發(fā)電按照50%負(fù)荷容量、20%冗余配置為420 kW，磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池按照1.5倍可再生能源發(fā)電功率配置630 kW/630 kWh；儲(chǔ)能使用策略為優(yōu)先消納站內(nèi)光伏發(fā)電，其次進(jìn)行數(shù)據(jù)中心需量管理，最后剩余容量實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)削峰填谷。

3.1.1 經(jīng)濟(jì)成本測算

某市分布式光伏-儲(chǔ)能建設(shè)成本測算見表2，其中光伏具體數(shù)據(jù)采用線性插值方法獲得，儲(chǔ)能成本按照電芯成本占比50%計(jì)算，光伏度電成本P按照式(4)計(jì)算：

P=(Cr-Tr+Or-Ct)/G.

(4)

式中：Cr為初期投資；Tr為生命周期內(nèi)因折舊導(dǎo)致的稅費(fèi)減免的現(xiàn)值；Or生命周期內(nèi)因項(xiàng)目運(yùn)營導(dǎo)致的成本的現(xiàn)值；Ct為固定資產(chǎn)殘值的現(xiàn)值；G為生命周期內(nèi)發(fā)電量的現(xiàn)值。

表2 某市分布式光伏-儲(chǔ)能建設(shè)成本測算(光照條件1 179 h/年)Tab.2 Construction costs of distributed photovoltaic and energy storage

按照上述規(guī)劃方法及成本測算，多站融合光伏、儲(chǔ)能設(shè)備主體建設(shè)成本見表3。

表3 多站融合光伏、儲(chǔ)能設(shè)備主體建設(shè)成本測算Tab.3 Total costs of multi-station integration including main photovoltaic and energy storage

從多站融合光儲(chǔ)主體建設(shè)成本看，為1 MW數(shù)據(jù)中心配置負(fù)荷容量50%的光儲(chǔ)設(shè)備需要200萬元以上的投資。

3.1.2 碳排放測算

多站融合數(shù)據(jù)中心在原有變電站基礎(chǔ)上擴(kuò)建，因此可充分利用原有變電站的電力設(shè)備，新增供能設(shè)備建設(shè)成本主要為光伏設(shè)備與儲(chǔ)能設(shè)備，文獻(xiàn)[18]分析了2021年光儲(chǔ)設(shè)備全生命周期碳排放，見表4。

表4 光儲(chǔ)設(shè)備建設(shè)碳排放Tab.4 Carbon emissions of construction of photovoltaic and energy storage equipment

計(jì)及系統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)與安裝建設(shè)成本，建設(shè)上述多站融合數(shù)據(jù)中心碳排放為927.88 t，設(shè)備周期結(jié)束后，將資源回收利用可減少碳排放214.37 t。

3.2 多站融合數(shù)據(jù)中心供電收益

本節(jié)從多站融合數(shù)據(jù)中心用電成本的角度分析投資回收年限及效益。表5為某市接入10 kV和35 kV配電網(wǎng)所執(zhí)行的兩部制分時(shí)電價(jià)中的電量電費(fèi)部分，基本電費(fèi)計(jì)算方法為：約定最大供電功率乘以40.50元/(kW·月)，如果實(shí)際運(yùn)行出現(xiàn)超約定最大功率，超出部分乘以81.00元/(kW·月)。

表5 某市部分企業(yè)分時(shí)電價(jià)Tab.5 Two part time-of-use electricity price in a city 元/kWh

多站融合數(shù)據(jù)中心典型負(fù)荷(標(biāo)幺值)曲線和光伏發(fā)電(標(biāo)幺值)典型曲線如圖6所示。

圖6 多站融合數(shù)據(jù)中心負(fù)荷與光伏發(fā)電功率曲線Fig.6 Load and photovoltaic power generation curves of data center

采用合理的儲(chǔ)能控制策略實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電全消納，進(jìn)一步利用剩余儲(chǔ)能容量實(shí)現(xiàn)需量管理和削峰填谷，可能實(shí)現(xiàn)的年收益見表6。

表6 多站融合數(shù)據(jù)中心收益測算Tab.6 The income of multi-station integration data center

按照2020年多站融合數(shù)據(jù)中心投資額計(jì)算，站內(nèi)光伏發(fā)電全消納輔以儲(chǔ)能進(jìn)行站內(nèi)需量管理和削峰填谷，最多2.4年即可回收多站融合數(shù)據(jù)中心光伏、儲(chǔ)能設(shè)備投資成本，后續(xù)便可實(shí)現(xiàn)可觀的可再生能源發(fā)電收益，并且在國家政策的大力推動(dòng)下，多站融合數(shù)據(jù)中心的推廣建設(shè)經(jīng)濟(jì)性十分可觀。從系統(tǒng)的碳排放來看，站內(nèi)光伏發(fā)電全消納每年可實(shí)現(xiàn)1.13 t節(jié)能減排碳減排。目前光伏設(shè)備大多采取設(shè)計(jì)使用壽命為25年，計(jì)及儲(chǔ)能設(shè)備衰減，當(dāng)系統(tǒng)生命周期為10年，則其碳減排為11.3 t，多站融合數(shù)據(jù)中心供能改造綜合碳排放為702 t。相較傳統(tǒng)供電方式，多站融合中的光儲(chǔ)設(shè)備顯著降低了數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)運(yùn)行給環(huán)境帶來的壓力，同時(shí)多站融合能夠?qū)崿F(xiàn)電能的自發(fā)自用，可有效解決數(shù)據(jù)密集區(qū)域數(shù)據(jù)中心建設(shè)帶來的供電線路擴(kuò)容問題，進(jìn)一步降低供電系統(tǒng)建設(shè)碳排放。

表7為多站融合數(shù)據(jù)中心各類度電成本和度電收益對(duì)比。若僅計(jì)算光伏度電收益，在分布式光伏全消納前提下，其度電收益已經(jīng)可以完全覆蓋度電成本，但分布式光伏的消納需要儲(chǔ)能輔助，儲(chǔ)能較高的度電成本推高了分布式光伏發(fā)電的度電成本；因此儲(chǔ)能度電成本下降是提升多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。同時(shí)，若配置儲(chǔ)能以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)的削峰填谷，需使得儲(chǔ)能度電成本小于峰谷差度電收益，若依照表2所測算的儲(chǔ)能充放電壽命，在2023年即可實(shí)現(xiàn)配置儲(chǔ)能削峰填谷的盈利。

表7 多站融合數(shù)據(jù)中心各類度電成本及度電收益對(duì)比Tab.7 Comparisons of costs and incomes of per kWh in multi-station integration data center 元/kWh

《關(guān)于進(jìn)一步完善分時(shí)電價(jià)機(jī)制的通知》對(duì)合理設(shè)定峰谷電價(jià)價(jià)差提出了要求：電力系統(tǒng)峰谷差率超過40%的地方，峰谷電價(jià)價(jià)差原則上不低于4∶1，其他地方原則上不低于3∶1；建立尖峰電價(jià)機(jī)制，尖峰電價(jià)在峰段電價(jià)基礎(chǔ)上的上浮比例原則上不低于20%，政策將進(jìn)一步拉大峰谷差電價(jià)。數(shù)據(jù)中心對(duì)供電可靠性要求極高，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心為避免電網(wǎng)供電與備用柴油發(fā)電機(jī)供電切換期間的短時(shí)斷電，通常會(huì)配置一定量的UPS。采用儲(chǔ)能電站替代UPS，同時(shí)具備不間斷供電以及響應(yīng)分時(shí)電價(jià)的能力，提高儲(chǔ)能利用率。結(jié)合上述2點(diǎn)以及表7的經(jīng)濟(jì)性測算，未來市場環(huán)境將更有利于多站融合數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。

4 多站融合數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢(shì)

多站融合數(shù)據(jù)中心與電力系統(tǒng)、可再生能源消納之間相互融合，在“雙碳”目標(biāo)下，數(shù)據(jù)中心必將成為可再生能源消納的主力軍。從全球來看，到2025年，多站融合數(shù)據(jù)中心將占全球能耗的最大份額，高達(dá)33%；從國內(nèi)看，全國數(shù)據(jù)中心的耗電量已連續(xù)8年以超過12%的速度增長[25]。為支持我國“核心+樞紐+邊緣”的三級(jí)數(shù)據(jù)中心體系建設(shè)，國家電網(wǎng)有限公司和中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司正在探索利用密集分布的電網(wǎng)變電站資源，建設(shè)運(yùn)營數(shù)據(jù)中心站、5G基站、北斗地基增強(qiáng)站等，以支撐智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)，并助力其他行業(yè)新基建，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。

國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司于2019年啟動(dòng)牽頭建設(shè)了多個(gè)多站融合數(shù)據(jù)中心示范點(diǎn)，不同于傳統(tǒng)變電站的運(yùn)維方式，多站融合的有效市場化運(yùn)營是其建設(shè)產(chǎn)生收益與回報(bào)的關(guān)鍵。為避免數(shù)據(jù)壁壘帶來的數(shù)據(jù)中心重復(fù)性建設(shè)，多站融合數(shù)據(jù)中心在前期建設(shè)上應(yīng)統(tǒng)一產(chǎn)權(quán)歸屬，由電網(wǎng)企業(yè)或電力基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)權(quán)單位做好頂層協(xié)調(diào)與規(guī)劃，做到“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、特色化建設(shè)”，實(shí)現(xiàn)開放共享、深度協(xié)同的資源和數(shù)據(jù)服務(wù)能力。運(yùn)營期應(yīng)順應(yīng)變電站周邊其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展趨勢(shì)，分階段運(yùn)營，試點(diǎn)階段需發(fā)掘試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)能源需求以及數(shù)據(jù)需求，以投資少、見效快的方式布置合理的多站融合數(shù)據(jù)中心設(shè)備并首先支持電力物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用，當(dāng)市場穩(wěn)定后則逐步對(duì)外開放通信資源與計(jì)算資源，進(jìn)行5G設(shè)備租賃、數(shù)據(jù)中心機(jī)柜算力租賃等增值服務(wù)，支持所在區(qū)域的邊緣計(jì)算等數(shù)據(jù)需求。

當(dāng)前我國在甘肅、山西、廈門、東北、江蘇、安徽等地均有成功的多站融合試點(diǎn)案例，其中黑龍江建成的哈西、哈東、城鄉(xiāng)3座多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)有數(shù)據(jù)中心站、4G/5G基站、北斗衛(wèi)星基準(zhǔn)站。前期除支持電力大數(shù)據(jù)外僅提供數(shù)據(jù)中心托管和寬帶出租業(yè)務(wù)，后期將擴(kuò)展至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，滿足工業(yè)用戶異構(gòu)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)帶來的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入與可靠傳輸需求。安徽合肥2座多站融合數(shù)據(jù)中心集合了光伏電站、儲(chǔ)能站、數(shù)據(jù)中心、城市5G通信站等功能，滿足所在區(qū)域高速數(shù)據(jù)計(jì)算與交換需求，并可協(xié)同充電樁、儲(chǔ)能電站、光伏電站實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)功能，后期規(guī)劃成為合肥智慧城市建設(shè)的重要組成部分。多站融合數(shù)據(jù)中心符合當(dāng)前節(jié)能減排目標(biāo)與數(shù)據(jù)計(jì)算需求，在政策支持與示范工程上均獲得大力扶持，有廣闊的發(fā)展前景。

5 結(jié)束語

多站融合數(shù)據(jù)中心有效綜合了可再生能源就地消納、邊緣數(shù)據(jù)中心建設(shè)與節(jié)能減排等多項(xiàng)目標(biāo)。基于數(shù)據(jù)中心典型的2N架構(gòu)，可設(shè)計(jì)多種形式的多站融合數(shù)據(jù)中心供能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可再生能源就地消納。多站融合數(shù)據(jù)中心在提高數(shù)據(jù)中心供電可靠性的同時(shí)，其中的光伏、儲(chǔ)能通過參與電力系統(tǒng)價(jià)格互動(dòng)，還可獲得其他收益，相比傳統(tǒng)邊緣數(shù)據(jù)中心，大大提升了系統(tǒng)整體碳減排與投資經(jīng)濟(jì)效益。本文多站融合數(shù)據(jù)中心收益測算表明，多站融合數(shù)據(jù)中心建設(shè)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益，發(fā)展前景廣闊。