面向数据中心的储能系统应用研究

周钰，郝为瀚

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州510663）

新型基础设施主要包括5G基站、大数据中心、人工智能、新能源汽车充电桩、城际高速铁路和城际轨道交通、工业互联网、特高压等领域［1］。新基建的本质是信息数字化的基础设施，是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。在这一背景下，数据中心作为“新基建”建设的重要支撑得到了迅猛的发展及广泛的关注［2-3］。

2020年数据中心用电量占全国全社会用电量的2.67%，预计2035年和2050年全国数据中心总能耗将在2035年、2050年将分别突破200 TWh、600 TWh、1000 TWh，分别占全社会用电量的5.31%及7.35%。随着数据中心能耗问题日益突出，储能作为灵活性调节资源，为优化数据中心的用能、最大化利用清洁能源、提高供电可靠性并实现资源集约及智慧能源管理等方面提供了强力有效的手段。随着储能产业的发展，产品成熟度不断提高、建设成本不断降低、标准规范的不断完善，都为储能系统应用于数据中心建设奠定了良好的基础［4-7］。本论文旨在研究储能系统应用数据中心场景的应用模式及方案，面向数据中心的储能建设提供参考。

1 数据中心储能技术路线选择

目前规模化使用的电化学储能电池主要包括铅炭电池、磷酸铁锂电池、液流电池三类，各电池的具体参数如表1所示。

表1 主流储能电池参数表Tab.1 Parameters of main energy storage battery

对于适用于面向数据中心大容量储能系统应具备以下特性：

1）安全性高，数据中心储能系统应采用性能稳定，不易发生热失控的电池，上述三种电池由高到低为液流电池、铅炭电池、磷酸铁锂电池，总体而言，安全性均能满足数据中心应用需求。

2）循环寿命长，作为大容量储能电池一般设计运行年限在10～15年，循环寿命不宜小于3 000次。

3）充放电效率高，电池充放电效率的高低，直接影响到系统的成本，因此也是需要考虑的重要因素。

4）响应速度快，适用于储能的系统需适应电力市场辅助服务以及备用电源快速启动的需求，备用电源启动时间不应低于15 ms，液流电池启动相对铅炭电池及磷酸铁锂电池。

结合上述特性需求及表1的电池特性，磷酸铁锂电池兼顾了上述特征，最为适合面向数据中心的储能系统。

2 面向数据中心储能应用模式

根据《数据中心设计规范》（GB 50147）的电源要求，A级数据中心应由双重电源供电，并应设置备用电源，备用电源宜采用独立于正常电源的柴油发电机组，也可采用供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路；B级数据中心宜由双重电源供电，当只有一路电源时，应设置柴油发电机组作为备用电源。并鼓励分布式能源的利用。结合上述数据中心的电源需求，储能在数据中心的应用模式主要包括以下几方面：

1）平滑新能源输出。示意图如图1所示。新能源配置储能作为一路主供电源，为数据中心供电，虽然不能降低PUE，但通过储能系统和新能源的配合使用，可以平抑新能源波动，为数据中心提供稳定持久的电能。

图1 A级数据中心储能系统配合新能源接入应用模式Fig.1 Application mode of energy storage system integrates with new energy access in Class A data center

2）作为数据中心的备用电源。示意图如图2所示。该模式下储能预留部分备用容量作为数据中心的备用电源，储能系统同时可参与电力市场调峰、辅助调频（如有）等辅助服务，一方面可提高数据中心供电的可靠性，另一方面也从电力市场服务中获取收益补偿。部分地区，在规定时间内可恢复市电供应的部分数据中心，可替代市电或者柴油发电机备用回路，节省投资、提高项目整体经济效益。

3）采用特殊结构的储能系统替代传统交流不间断电源（UPS）。示意图如图3所示。由于目前电网的供电可靠性高，大部分时间UPS处于事故备用状态，正常运行时UPS电源的浮充损耗在5%～10%，UPS资源不能得到充分利用。如果采用能够事故电源切换时间小于15 ms的储能系统替代传统UPS，能够在保证数据中心不间断供电的能力的同时，可通过储能系统积极参与与电网的互动及服务，与传统UPS相比可大大提高资产的利用率及系统运行收益。

图2 B级数据中心储能系统配合新能源应用模式Fig.2 Application mode of energy storage system integrates with new energy access in Class B data center

图3 A级数据中心储能系统备用电源应用模式Fig.3 Backup power supply application mode of energy storage system in Class A data center

4）多站融合应用模式。示意图如图4所示。多站融合建设模式和储能站、边缘数据中心和变电站、充电站、能源站等根据多种组合［8］，可以实现设备融合、控制融合、建设融合、信息融合，以达到资源最大化利用，达到多方互利共赢的效果。

3 数据中心储能系统替代UPS典型方案

除储能系统替代UPS应用模式外，其他应用模式储能系统采用传统的储能变流器拓扑结构，常见的包括单级式、双级式、H桥链式结构。传统的储能系统响应时间在20 ms以上，难以满足数据中心小于15 ms的不停电切换需求，替代储能系统的UPS可采用以下几种基于传统UPS的改进型结构，能够实现事故快速为负荷供电的同时，也能向电网放电，实现与电网的双向互动，主要包括双变换式拓扑结构以及在线互动式拓扑结构两种：

图4 B级数据中心储能系统备用电源应用模式Fig.4 Backup power supply application mode of energy storage system in Class B data center

1）双变换式拓扑结构

双变换式拓扑结构将传统的UPS输入端的AC/DC模块由整流元件改为整流逆变双向元件，对于锂电池等无法浮充运行的电池应通过DC/DC模块接入直流母线。正常运行时，负荷可通过旁路开关或者双变换设备向直流负荷供电，也可通过输入端的双向AC/DC模块向电网放电。例如在峰谷套利的运行模式下，可以在谷价期间通过AC/DC模块整流（或者旁路开关）向负荷供电同时向电池充电；在峰值电价期间通过AC/DC模块逆变向电网放电或者负荷放电，节约数据中心用电成本。具体拓扑结构如图5所示。

图5 双变换式拓扑结构示意图Fig.5 Schematic diagram of double conversion topology structure

2）在线互动式拓扑结构

在线互动式拓扑结构将传统UPS输入端电源接口改为整流逆变双向的接口，并根据储能容量设计，确定电源接口及AC/DC模块的额定容量，通常比交流输出侧负荷需量大，以便在谷价可通过电源接口给电池充电，在峰值电价时电池向负荷及电网放电。具体拓扑结构如图6所示。

两种拓扑结构技术经济比较如表2所示。

4 典型案例

本研究以惠州某数据中心（规划万台机柜）项目为例，针对数据中心配置储能的运行模式及设计方案进行研究。项目为某大规模多应用场景试点电池储能站，主要为该数据中心提供电量供应，同时可为电网提供区域调峰调频及事故备用服务［9］。该储能项目拟规划规模为90 MW/180 MWh，同时计划在储能站站区顶部修建光伏系统。主线图如图7所示。

储能系统采用双变换式拓扑结构每个10 kV母线段接入4 MW/8 MWh或者5 MW/10 MWh储能系统，替代传统UPS。

储能系统具体运行模式设计如下：

1）正常运行时储能系统预留15 min的备用容量作为数据中心备用电源。

2）参与调峰、调频、紧急备用容量辅助服务运行模式（如表3所示）如下：

表2 拓扑结构技术经济比较表Tab.2 Technical and economic comparison of the topology structure

经过经济测算，储能系统除参与系统调峰、调频和紧急备用服务外，还同时为数据中心提供不间断备用电源，考虑电力市场辅助服务收益，项目内部收益率8.3%，动态回收期7.05年，项目的辅助收益情况如图8所示。

图7 储能系统接入数据中心主接线图Fig.7 Main wiring diagram of of energy storage system connected to data center

表3 储能系统参与辅助服务收益情况Tab.3 Income situation of energy storage system participation in auxiliary services

图8 储能系统接入数据中心的电力市场辅助服务收益Fig.8 Power market ancillary service income of energy storage systems connected to data centers

5 结论

本论文从数据中心的用电需求出发，分析了面向数据中心储能系统的应用模式，主要包括配合新能源接入、备用电源、替代UPS、多站融合四个方面。给出了数据中心替代UPS双变换式及在线互动式储能系统拓扑结构，并对其特征参数进行了比较，最后以一典型技术方案及储能运行模式分析，证明了本论文应用方案的有效性及经济性。随着储能系统成本的不断下降，面向数据中心储能产品的产业化发展，相信数据中心储能会有越来越广阔的应用前景。