考慮多種儲(chǔ)能的數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化
孫強(qiáng)1,2, 孫志凰1, 潘杭萍1, 陳杰軍1, 朱嬋霞1, 陳倩1, 周佳偉1
（1. 國(guó)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(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司，北京 102209）
摘要：數(shù)據(jù)中心是中國(guó)數(shù)字化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，如何通過(guò)配置多種儲(chǔ)能設(shè)施以降低數(shù)據(jù)中心綜合用能成本亟須研究。對(duì)數(shù)據(jù)中心采用的儲(chǔ)能技術(shù)路徑進(jìn)行了效益分析，考慮了數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化及能源系統(tǒng)運(yùn)行策略。以北京某數(shù)據(jù)中心為例，進(jìn)行算例分析，結(jié)果表明數(shù)據(jù)中心優(yōu)化配置應(yīng)急與調(diào)峰儲(chǔ)能及系統(tǒng)運(yùn)行策略對(duì)數(shù)據(jù)中心提高能源供應(yīng)可靠性、降低運(yùn)行成本具有積極作用。
引文信息
孫強(qiáng), 孫志凰, 潘杭萍, 等. 考慮多種儲(chǔ)能的數(shù)據(jù)中心綜合能源系統(tǒng)配置優(yōu)化[J]. 中國(guó)電力, 2022, 55(9): 1-7.
SUN Qiang, SUN Zhihuang, PAN Hangping, et al. Configuration optimization of integrated energy system for data center considering multiple energy storage facilities[J]. Electric Power, 2022, 55(9): 1-7.
引言
數(shù)據(jù)資源已成為人類社會(huì)重要的生產(chǎn)要素和國(guó)家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，截至2020年，全國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量超2 045億kW·h[1]，約占全社會(huì)用電量的2.7%[2]。截至2021年底，中國(guó)數(shù)據(jù)中心機(jī)架已超過(guò)520萬(wàn)架[3]。預(yù)計(jì)到2025年，中國(guó)數(shù)據(jù)中心總耗電量占當(dāng)年全國(guó)電力消耗總量的4.7%[4]。2019年中國(guó)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(guó)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(jiàn)，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(diǎn)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(lái)，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(jìn)老舊數(shù)據(jù)中心升級(jí)、加強(qiáng)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(jì)性不明顯等問(wèn)題突出，對(duì)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(duì)于新型能源設(shè)備還缺乏研究和推廣應(yīng)用。儲(chǔ)能系統(tǒng)在能源應(yīng)急保障、促進(jìn)可再生能源消納等方面發(fā)揮重要作用。隨著未來(lái)數(shù)據(jù)中心電力負(fù)荷比例的進(jìn)一步擴(kuò)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(chǔ)能系統(tǒng)成為新的研究焦點(diǎn)。
文獻(xiàn)[10-11]分析了含有光伏發(fā)電、電池儲(chǔ)能的數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)，通過(guò)算例驗(yàn)證了儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)降低數(shù)據(jù)中心綜合運(yùn)行成本的有效性。文獻(xiàn)[12]對(duì)比了數(shù)據(jù)中心鋰電池和傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能的性能指標(biāo)。文獻(xiàn)[13-15]闡述了電池儲(chǔ)能在數(shù)據(jù)中心發(fā)揮重要作用，通過(guò)案例說(shuō)明可以將數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能設(shè)備作為靈活性資源，從而實(shí)現(xiàn)削峰填谷、降低成本。文獻(xiàn)[16-20]對(duì)比分析了不同蓄冷方案的經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)案例說(shuō)明蓄冷對(duì)數(shù)據(jù)中心的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[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(duì)于數(shù)據(jù)中心運(yùn)行動(dòng)態(tài)和多場(chǎng)景的考慮，且針對(duì)目前更加多樣化的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)缺少優(yōu)化分析。
本文從能源系統(tǒng)整體角度對(duì)數(shù)據(jù)中心采用儲(chǔ)電與儲(chǔ)冷等多種技術(shù)路徑進(jìn)行效益比較，分析儲(chǔ)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(yùn)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(duì)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(fù)荷密度大、用能需求穩(wěn)定、余熱排放量大等特點(diǎn)[22-23]，中斷供電或制冷會(huì)對(duì)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(chǔ)電系統(tǒng)和蓄冷系統(tǒng)[24-30]。在儲(chǔ)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(jià)制度的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)據(jù)中心亟需新型儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足經(jīng)濟(jì)性和靈活性的用電需求，并擴(kuò)大蓄冷容量，提高可靠性。
數(shù)據(jù)中心采用儲(chǔ)能模式時(shí)，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(shí)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(shí)，能夠充分利用峰谷電價(jià)差等政策，采用“削峰填谷”的運(yùn)行模式，有效減少數(shù)據(jù)中心的電費(fèi)開(kāi)支，進(jìn)一步提高整個(gè)能源系統(tǒng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。
2 數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)分析
以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(jì)性最優(yōu)包括設(shè)備固定成本、設(shè)備運(yùn)維成本、燃料成本等。本文的目標(biāo)函數(shù)為
3 案例分析
本文以北京某數(shù)據(jù)中心為案例開(kāi)展考慮多種儲(chǔ)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(gè)機(jī)柜，每臺(tái)機(jī)柜平均功率約4.4 kW。負(fù)荷需求如表1所示。
表1 北京某數(shù)據(jù)中心負(fù)荷需求
Table 1 Load demand of a data center in Beijing
根據(jù)數(shù)據(jù)中心負(fù)荷需求分析，對(duì)比分析不同儲(chǔ)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(wàn)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(jī)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(kāi)式冷卻塔、冷卻塔補(bǔ)水系統(tǒng)、冷卻水補(bǔ)水儲(chǔ)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(wàn)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(jī)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(kāi)式冷卻塔、冷卻塔補(bǔ)水系統(tǒng)、冷卻水補(bǔ)水儲(chǔ)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(wàn)元，該方案在方案2的基礎(chǔ)上，增加了鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，更充分利用峰谷電價(jià)差。具體方案配置有變頻離心式冷水機(jī)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(kāi)式冷卻塔、冷卻塔補(bǔ)水系統(tǒng)、冷卻水補(bǔ)水儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)。
方案4的總設(shè)備投資為6 505萬(wàn)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(jī)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(kāi)式冷卻塔、冷卻塔補(bǔ)水系統(tǒng)、冷卻水補(bǔ)水儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)。
考慮儲(chǔ)能運(yùn)行優(yōu)化策略的原則是充分利用谷段、平段電價(jià)時(shí)段儲(chǔ)能以滿足尖峰段、峰段電價(jià)時(shí)的能源需求。不同參數(shù)對(duì)應(yīng)的蓄冷、放冷時(shí)長(zhǎng)如表2所示。圖2和圖3分別為機(jī)柜負(fù)載率30%和80%時(shí)的控制策略。從圖2~3可以看出，30%機(jī)柜負(fù)載率下，實(shí)行一充三放，利用谷電蓄冷、峰段釋冷；80%機(jī)柜負(fù)載率下，實(shí)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(duì)應(yīng)的蓄冷時(shí)長(zhǎng)、放冷時(shí)長(zhǎng)
Table 2 Cold storage and discharge time corresponding to different parameters
夏季尖峰電價(jià)時(shí)段，采用“三充三放”策略。谷電期間冷水機(jī)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(jià)時(shí)段，采用“兩充兩放”策略。電池運(yùn)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(shí)間，電池滿功率充電以滿足尖峰或高峰負(fù)荷。
圖2 機(jī)柜負(fù)載率30%時(shí)蓄冷、放冷策略
Fig.2 Cold storage and discharge strategy at 30% load rate
圖3 機(jī)柜負(fù)載率80%時(shí)蓄冷、放冷策略
Fig.3 Cold storage and discharge strategy at 80% load rate
圖4 尖峰電價(jià)時(shí)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(jià)時(shí)段蓄電池充放電策略
Fig.5 Strategy of battery charge and discharge in non-peak price period
數(shù)據(jù)中心夏季典型日能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略如圖6所示。從圖6可以看出，利用蓄冷和電池儲(chǔ)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(yùn)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(kāi)展考慮多種儲(chǔ)能設(shè)備配置方案的經(jīng)濟(jì)效益分析，計(jì)算不同負(fù)載率下數(shù)據(jù)中心全年能源系統(tǒng)運(yùn)行成本，如圖7所示。從圖7可以看出，隨著負(fù)載率的上升，數(shù)據(jù)中心全年能源系統(tǒng)的運(yùn)行成本上升，配置水蓄冷和鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案3最具經(jīng)濟(jì)性。
圖7 不同負(fù)載率下數(shù)據(jù)中心全年能源系統(tǒng)運(yùn)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(fù)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(jià)設(shè)置大溫差水蓄冷，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)同樣利用峰谷價(jià)差減少能源系統(tǒng)的電費(fèi)成本，同時(shí)，在一定程度上減少數(shù)據(jù)中心對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的依賴。
儲(chǔ)能設(shè)備的經(jīng)濟(jì)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)短。
表3 儲(chǔ)能設(shè)備的經(jīng)濟(jì)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(chǔ)能系統(tǒng)，計(jì)算數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本，其中電費(fèi)包括制冷系統(tǒng)用電和機(jī)柜用電。按照數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)15年計(jì)算，系統(tǒng)負(fù)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(yùn)營(yíng)成本如表4所示，制冷系統(tǒng)用電和機(jī)柜用電占數(shù)據(jù)中心能源費(fèi)用的92%，其中機(jī)柜用電占數(shù)據(jù)中心能源費(fèi)用的73%。
表4 北京某數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本
Table 4 Operating cost of a data center in Beijing
4 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)合理配置應(yīng)急與調(diào)峰儲(chǔ)能及優(yōu)化能源系統(tǒng)配置與運(yùn)行策略，明顯降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本和設(shè)備年化投資成本。利用峰谷電價(jià)設(shè)置調(diào)峰水蓄冷系統(tǒng)，可有效降低系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)，水蓄冷系統(tǒng)增加了數(shù)據(jù)中心的供冷安全性。
