“双碳”目标下多站融合数据中心供能结构分析

张卓杰，姚言超，陈俊宇，彭腾，林诗焜

(中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广东 广州 510663)

电力作为高品位、低污染的二次能源，是“双碳”目标下的核心能源形式。随着节能减排需求的不断提高，能源领域的融合发展将成为助力“双碳”目标实现的下一个抓手，多站融合建设即为顺应该融合发展趋势的有益探索[1]。得益于我国完善的输配电网络，变电站覆盖极为广泛，以广州为例，全市各级变电站共320座，其中有15%的变电站适宜建设多站融合边缘数据中心[2]。充分利用变电站土地资源和电力资源建设边缘数据中心、5G基站、北斗卫星基站、分布式光伏、储能电站等，既确保了数据中心设施的用电可靠性，又能够充分消纳可再生能源。

近年来行业学者在多站融合建设与运营方面进行了许多探索。基于多站融合储能电池的实际使用情况，文献[3]考虑储能电池健康状态和寿命特性，以储能全生命周期的经济性为目标函数，建立了多站融合光储容量优化配置模型，并提出多站融合光储优化调度策略。为全面客观评估多站融合的运营情况，文献[4]基于层次分析和风险熵权建立能源利用率、成本效益、能源耦合效率的综合性指标，以辅助多站融合数据中心运营优化；文献[5]设计了多站融合数据中心运行架构，建立了多站融合协同优化与数据迁移经济调度模型，实现多个融合站的互补调度，有效提升了多站融合数据中心运行经济性；文献[6]基于非合作博弈理论提出多站融合数据中心的功率分配方法，有效提高了融合站用电能效；文献[7]探讨了多站融合源荷协调的商业模式，从需求侧管理的角度讨论多站融合的优势；文献[8]从各市场主体利益出发，分析多站融合数据中心的商业盈利模式、建设运营模型，提出多站融合数据中心的全流程管理模型；文献[9]分析对比多站融合数据中心的供电形式，从经济性、可靠性、可控性3个方面提出多站融合数据中心供电综合评估方法，进一步提出直流供电模式更适用于多站融合数据中心建设；文献[10]基于多站融合源荷集中的特性，利用微电网方法分析多站融合工程中储能、柴油发电机、不间断电源 (uninterruptible power supply，UPS) 的优化配置问题，提升了多站融合数据中心的运行可靠性，降低了其建设成本及运维成本；文献[11]利用融合站储能参与电力系统调峰，并以此为目标规划融合站内储能站容量配置；文献[12]分析了储能电站在电网内的削峰填谷、功率波动平抑等作用，并提出配电系统储能电站经济运行策略，对多站融合建设具有参考价值；文献[13]讨论了可再生能源接入背景下直流配电系统电压等级序列划分方法，为多站融合数据中心的供电形式与接入电压等级提供了参考；文献[14]讨论了交直流联合供电的多站融合微电网系统，提出融合站交直流电源及UPS系统的优化配置方案，并分析了系统供电可靠性；文献[15]结合实际项目案例研究了多站融合的典型应用场景。

上述文献虽对多站融合数据中心供电结构与方式进行了多方面讨论，但忽略了多站融合数据中心新能源发电设备与储能设备接入所带来的碳排放与减排作用，未全面评估各类多站融合数据中心供能结构。为此，本文基于对多站融合数据中心碳排放与收益的评估，总结当前多站融合数据中心建设的3类典型架构，分析多站融合数据中心建设的碳排放与投资收益，最后介绍多站融合数据中心建设的发展趋势、政策与典型示范工程。

1 多站融合数据中心供能碳排放核算模型

1.1 多站融合数据中心基本结构

数据中心、通信基站、卫星站等数字化基础设施需要稳定的电能供应，并且在地理位置选取上需靠近用户主体。变电站拥有电网稳定的供能优势以及靠近用户负荷的地理位置优势，与上述数字化基础设施建设的选址要求十分契合，因此多站融合数据中心成为推进数字新基建的一项重要落地内容。多站融合数据中心基本结构如图1所示。多站融合数据中心在变电站原址上扩建数据中心、5G基站、卫星站等数字化基础设施，以及储能电站、光伏电站、电动汽车充/换电站等新能源基础设施，变电站母线依照设备接入需求进行扩建。在服务临近电能负荷需求的同时，多站融合数据中心也满足了临近数据负荷的需求，为负荷调节、数据接入、新能源消纳等需求提供设备支持。

图1 多站融合数据中心基本结构Fig.1 Schematic diagram of the basic structure of multi-station integration data center

1.2 供能设备建设碳排放核算模型

多站融合数据中心供能设备建设碳排放C1包括新增设备及设备连接方式2部分，计算如下：

(1)

式中：Li为制造第i种设备的单位碳排放；pi为多站融合数据中心第i种设备数量，设备包括扩建所需新增的变电设备、储能设备、新能源发电设备及设备所需土建等；M为电力连接所需电缆及母线的单位碳排放；q为该设备电力连接方式所需的线缆及母线长度。

1.3 供能设备运营碳排放核算模型

多站融合数据中心供能设备运营碳排放C2包括设备损耗及电能传输损耗，由于新能源发电与储能的加入，多站融合数据中心运营还存在碳减排，计算方法如下：

(2)

式中：η1为设备损耗碳排放。包含变流器损耗、变压器损耗、储能充放电损耗等碳排放；η2为电能传输损耗碳排放，主要为在电缆及母线上产生的线路损耗碳排放；η3为光伏电站发电及储能调节新能源发电等效碳减排，采用年等效满负荷利用小时数计算。

1.4 供能设备综合碳排放核算模型

多站融合数据中心综合碳排放C考虑了新增设备全生命周期的建设碳排放、运营碳排放与回收碳减排，如下：

C=C1+365YC2-C3.

(3)

式中：Y为多站融合数据中心新增设备正常使用年限；C3为设备回收碳减排，主要体现在光伏电池硅片组件、铝壳支架回收，储能电池电芯金属回收以及逆变器回收3个方面。

2 多站融合数据中心供电标准与结构

2.1 多站融合数据中心供电标准

多站融合数据中心建设需满足建筑节能各方面标准，电力与可再生能源利用方面规定太阳能供电比率需达到20%～50%，推荐采用分布式冷热电联供技术以及碳排放计算分析系统[16]。中国电子协会发布的《绿色数据中心评估准则》将数据中心供配电系统节能、可再生能源利用以及能源统计和分析纳入评估，分别占总评的1%、3%和10%[17]。

2.2 多站融合数据中心供电结构

数据中心常用的2N供电结构如图2所示。储能作为保障数据中心供能的重要设备，其配置与应用方式也对多站融合数据中心的建设与运营产生较大影响。相比传统数据中心储能单一应用场景，多站融合数据中心储能兼顾数据中心备用电源与新能源消纳功能，大规模储能电站还可响应电网功率调节。根据新能源发电与储能设备接入方式的不同，本文进一步讨论多站融合数据中心的供能结构，并扩展其他可能性。为方便表述，后续功能架构均以A路供电为例。

图2 数据中心2N供电结构Fig.2 2N power structure of data center

2.2.1 多站融合数据中心储能单元类别及作用

区别于传统变电站，多站融合数据中心需要更高的供电可靠性与更为主动的新能源发电消纳，为实现上述目标，储能单元在多站融合数据中心供能设备中尤为重要。在分析多站融合数据中心供电结构前，本节首先明确多站融合数据中心储能单元的类别及作用。

按照储能单元的功率能量比，可将其分为能量型储能与功率型储能。能量型储能以铅酸电池、锂电池等电化学储能为代表，可在站点配置较大容量，但储能充放电功率与容量的比值较小，要实现短时间内的大功率充放电需增加额外成本，以提升储能容量。结合上述特性，能量型储能在多站融合数据中心可解决运行功率较为稳定的应用需求，例如维持站点停电后的基础数据服务、削峰填谷和长时间尺度的新能源发电消纳等。功率型储能由超级电容组成，其充放电功率与容量的比值较高，但单位容量的配置成本高，因此其在多站融合数据中心储能配置中作为功率型储能的补充，支撑站点短时间内较高功率的调节需求，提升储能系统的动态响应能力。功率型储能在多站融合数据中心可用于站点意外断电后的数据保护、站点净负荷功率波动调节等。

2.2.2 多站融合数据中心交流母线处消纳可再生能源

图3所示为可再生能源通过交流母线分配与就地消纳示意图。在2N架构下，多站融合数据中心可在10 kV母线、0.4 kV母线处接入光伏发电与储能，实现在网内的灵活消纳，而无需担心可再生能源接入给该区域带来的电压异常问题，也没有配电网线路末端功率反送造成的配电网继电保护配合问题，0.4 kV母线处接入的光伏发电需在服务器负荷处就地消纳。该架构下按照从上至下的配电顺序消纳可再生能源发电功率，对传统配电设备的改造要求不高。但如果在数据服务器处安装有储能，为避免负荷端储能功率反送带来的保护和电压问题，多站融合主控需协调好服务器处储能的荷电状态(state of charge，SOC)，即在传统配电设备网络的框架下，多站融合数据中心负荷端储能灵活调节以消纳可再生能源，从而减小系统的碳排放量。

图3 可再生能源通过交流母线分配与就地消纳Fig.3 Renewable energy distribution and local consumption through AC bus and load

2.2.3 多站融合数据中心负荷端消纳可再生能源

图4所示为可再生能源就地消纳与组间消纳方案。该方案基于腾讯T-Block、华为Fusion DC的模块化数据中心，在典型2N架构下建设模块间功率互济的多站融合数据中心，可再生能源发电与储能均可在各个数据中心模块中共用。该组网方式下各模块间的功率交换可能会导致0.4 kV母线电压波动增大，但电力电子电源对电压偏移的接纳范围较广，模块化数据中心依然可以正常运行。配电设备应设计新的继保方案以适应该结构下内部电压波动较大、功率反送等问题。

图4 可再生能源就地消纳与组网消纳方案Fig.4 Local and networking consumption scheme of renewable energy

该结构下利用数据中心负荷高度模块化和功能高重复的特点可实现更加灵活的可再生消纳方案，即通过合理的算力调度使得数据中心的计算服务器位置与可再生能源发电冗余的位置相匹配，真正实现能量和数据的统一调度。为了提升可再生能源在数据中心总能耗中的占比，该组网形式仍然可以在0.4 kV和10 kV母线下并入可再生能源发电设备及储能。

2.2.4 直流微电网供能结构

多站融合数据中心直流负荷多，直流组网方式可减少电能变换单元，提升供电效率。基于巴拿马电源可实现在功率交换点10 kV交流到600 V直流的直接转换，因此多站融合数据中心内部没有变压器，实现全开关设备组网方式。电力电子设备硬件拓扑的重复性高，在额定电压和额定电流范围内，设备实现功能取决于设备控制方式，基于电力电子变压器组网的直流微电网结构十分灵活，可再生能源的接入方式多样，如图5所示；多站融合数据中心新能源接入方式对比见表1。

图5 基于电力电子变压器的直流微电网组网方式Fig.5 DC micro-grid networking based on power electric transformer

表1 多站融合数据中心新能源接入方式对比Tab.1 New energy power supply methods comparison of multi-station integration data center

光伏发电可通过汇流，经DC/DC变换器升压直接接入高压直流母线，此时高压直流母线相当于能量路由器，可平衡配电网、可再生能源、储能与负荷的电能需求。为确保高压直流母线电压稳定，直流母线侧需配置适合容量的电容和储能以进行能量缓冲并提供充足无功功率，确保系统稳定运行。

类似如图4的交流微电网组网方案也适用于采用直流方式的模块化数据中心组网。各模块电源通过小功率DC/DC变换器接入，可再生能源就地消纳可以减少传输损耗，模块化组网数据中心各模块间应设置相配合的电压调节机制，以避免低压直流母线电压产生过大偏移。

3 多站融合数据中心供电成本及收益测算

以光储多站融合数据中心为例，其包含大量可再生能源发电和电化学储能接入，中心的建设需额外投入大量资金，额外设备制造也大大提高了系统的建设碳排放。从长远来看，随着光伏、储能成本日益下降，新能源并网发电带来的运营碳减排以及分时电价的政策支持，多站融合数据中心建设具有良好的经济与环境效益。本章以某物联网行业数据中心为例，对多站融合数据中心建设、运行进行经济性与环境效益测算。

3.1 多站融合数据中心供电建设成本

多站融合数据中心基本参数如下：设计负荷容量700 kW，变压器容量1 000 kVA，分布式光伏发电按照50%负荷容量、20%冗余配置为420 kW，磷酸铁锂储能电池按照1.5倍可再生能源发电功率配置630 kW/630 kWh；储能使用策略为优先消纳站内光伏发电，其次进行数据中心需量管理，最后剩余容量实现电网侧削峰填谷。

3.1.1 经济成本测算

某市分布式光伏-储能建设成本测算见表2，其中光伏具体数据采用线性插值方法获得，储能成本按照电芯成本占比50%计算，光伏度电成本P按照式(4)计算：

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

(4)

式中：Cr为初期投资；Tr为生命周期内因折旧导致的税费减免的现值；Or生命周期内因项目运营导致的成本的现值；Ct为固定资产残值的现值；G为生命周期内发电量的现值。

表2 某市分布式光伏-储能建设成本测算(光照条件1 179 h/年)Tab.2 Construction costs of distributed photovoltaic and energy storage

按照上述规划方法及成本测算，多站融合光伏、储能设备主体建设成本见表3。

表3 多站融合光伏、储能设备主体建设成本测算Tab.3 Total costs of multi-station integration including main photovoltaic and energy storage

从多站融合光储主体建设成本看，为1 MW数据中心配置负荷容量50%的光储设备需要200万元以上的投资。

3.1.2 碳排放测算

多站融合数据中心在原有变电站基础上扩建，因此可充分利用原有变电站的电力设备，新增供能设备建设成本主要为光伏设备与储能设备，文献[18]分析了2021年光储设备全生命周期碳排放，见表4。

表4 光储设备建设碳排放Tab.4 Carbon emissions of construction of photovoltaic and energy storage equipment

计及系统产品生产与安装建设成本，建设上述多站融合数据中心碳排放为927.88 t，设备周期结束后，将资源回收利用可减少碳排放214.37 t。

3.2 多站融合数据中心供电收益

本节从多站融合数据中心用电成本的角度分析投资回收年限及效益。表5为某市接入10 kV和35 kV配电网所执行的两部制分时电价中的电量电费部分，基本电费计算方法为：约定最大供电功率乘以40.50元/(kW·月)，如果实际运行出现超约定最大功率，超出部分乘以81.00元/(kW·月)。

表5 某市部分企业分时电价Tab.5 Two part time-of-use electricity price in a city 元/kWh

多站融合数据中心典型负荷(标幺值)曲线和光伏发电(标幺值)典型曲线如图6所示。

图6 多站融合数据中心负荷与光伏发电功率曲线Fig.6 Load and photovoltaic power generation curves of data center

采用合理的储能控制策略实现光伏发电全消纳，进一步利用剩余储能容量实现需量管理和削峰填谷，可能实现的年收益见表6。

表6 多站融合数据中心收益测算Tab.6 The income of multi-station integration data center

按照2020年多站融合数据中心投资额计算，站内光伏发电全消纳辅以储能进行站内需量管理和削峰填谷，最多2.4年即可回收多站融合数据中心光伏、储能设备投资成本，后续便可实现可观的可再生能源发电收益，并且在国家政策的大力推动下，多站融合数据中心的推广建设经济性十分可观。从系统的碳排放来看，站内光伏发电全消纳每年可实现1.13 t节能减排碳减排。目前光伏设备大多采取设计使用寿命为25年，计及储能设备衰减，当系统生命周期为10年，则其碳减排为11.3 t，多站融合数据中心供能改造综合碳排放为702 t。相较传统供电方式，多站融合中的光储设备显著降低了数据中心系统运行给环境带来的压力，同时多站融合能够实现电能的自发自用，可有效解决数据密集区域数据中心建设带来的供电线路扩容问题，进一步降低供电系统建设碳排放。

表7为多站融合数据中心各类度电成本和度电收益对比。若仅计算光伏度电收益，在分布式光伏全消纳前提下，其度电收益已经可以完全覆盖度电成本，但分布式光伏的消纳需要储能辅助，储能较高的度电成本推高了分布式光伏发电的度电成本；因此储能度电成本下降是提升多站融合数据中心建设经济性的关键。同时，若配置储能以实现电网侧的削峰填谷，需使得储能度电成本小于峰谷差度电收益，若依照表2所测算的储能充放电寿命，在2023年即可实现配置储能削峰填谷的盈利。

表7 多站融合数据中心各类度电成本及度电收益对比Tab.7 Comparisons of costs and incomes of per kWh in multi-station integration data center 元/kWh

《关于进一步完善分时电价机制的通知》对合理设定峰谷电价价差提出了要求：电力系统峰谷差率超过40%的地方，峰谷电价价差原则上不低于4∶1，其他地方原则上不低于3∶1；建立尖峰电价机制，尖峰电价在峰段电价基础上的上浮比例原则上不低于20%，政策将进一步拉大峰谷差电价。数据中心对供电可靠性要求极高，传统数据中心为避免电网供电与备用柴油发电机供电切换期间的短时断电，通常会配置一定量的UPS。采用储能电站替代UPS，同时具备不间断供电以及响应分时电价的能力，提高储能利用率。结合上述2点以及表7的经济性测算，未来市场环境将更有利于多站融合数据中心的建设。

4 多站融合数据中心发展趋势

多站融合数据中心与电力系统、可再生能源消纳之间相互融合，在“双碳”目标下，数据中心必将成为可再生能源消纳的主力军。从全球来看，到2025年，多站融合数据中心将占全球能耗的最大份额，高达33%；从国内看，全国数据中心的耗电量已连续8年以超过12%的速度增长[25]。为支持我国“核心+枢纽+边缘”的三级数据中心体系建设，国家电网有限公司和中国南方电网有限责任公司正在探索利用密集分布的电网变电站资源，建设运营数据中心站、5G基站、北斗地基增强站等，以支撑智能电网业务，并助力其他行业新基建，推动经济社会发展。

国网信息通信产业集团有限公司于2019年启动牵头建设了多个多站融合数据中心示范点，不同于传统变电站的运维方式，多站融合的有效市场化运营是其建设产生收益与回报的关键。为避免数据壁垒带来的数据中心重复性建设，多站融合数据中心在前期建设上应统一产权归属，由电网企业或电力基础设施产权单位做好顶层协调与规划，做到“统一规划、统一设计、特色化建设”，实现开放共享、深度协同的资源和数据服务能力。运营期应顺应变电站周边其他基础设施建设发展趋势，分阶段运营，试点阶段需发掘试点区域内重点能源需求以及数据需求，以投资少、见效快的方式布置合理的多站融合数据中心设备并首先支持电力物联网相关应用，当市场稳定后则逐步对外开放通信资源与计算资源，进行5G设备租赁、数据中心机柜算力租赁等增值服务，支持所在区域的边缘计算等数据需求。

当前我国在甘肃、山西、厦门、东北、江苏、安徽等地均有成功的多站融合试点案例，其中黑龙江建成的哈西、哈东、城乡3座多站融合数据中心建设有数据中心站、4G/5G基站、北斗卫星基准站。前期除支持电力大数据外仅提供数据中心托管和宽带出租业务，后期将扩展至工业互联网应用场景，满足工业用户异构设备与网络带来的多元异构数据实时接入与可靠传输需求。安徽合肥2座多站融合数据中心集合了光伏电站、储能站、数据中心、城市5G通信站等功能，满足所在区域高速数据计算与交换需求，并可协同充电桩、储能电站、光伏电站实现电网需求侧响应功能，后期规划成为合肥智慧城市建设的重要组成部分。多站融合数据中心符合当前节能减排目标与数据计算需求，在政策支持与示范工程上均获得大力扶持，有广阔的发展前景。

5 结束语

多站融合数据中心有效综合了可再生能源就地消纳、边缘数据中心建设与节能减排等多项目标。基于数据中心典型的2N架构，可设计多种形式的多站融合数据中心供能结构，实现可再生能源就地消纳。多站融合数据中心在提高数据中心供电可靠性的同时，其中的光伏、储能通过参与电力系统价格互动，还可获得其他收益，相比传统边缘数据中心，大大提升了系统整体碳减排与投资经济效益。本文多站融合数据中心收益测算表明，多站融合数据中心建设具有良好的经济效益与环保效益，发展前景广阔。