“双碳”背景下储能系统在数据中心中的应用

2023-03-28卢学山张文利

通信电源技术 2023年1期

卢学山，张文利

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

“双碳”是“碳达峰”和“碳中和”的简称。中国在2020年9月明确提出了 “双碳”的目标，即我国的二氧化碳排放量力争在2030年前达到峰值，在2060年前实现碳中和。为了达到这一目标，需要全社会加快调整优化产业结构、能源结构，大力发展新能源，共同推动煤炭消费尽早达峰。

数据中心在全球数字化进程中发挥了重要作用。近年来，我国数据中心产业呈现了快速发展的势头，平均每年保持约30%的增速，预计未来仍将保持快速增长。作为用能大户，在“双碳”背景下的数据中心承担的责任尤为突出。一个常规数据中心园区的用电量常在100 MW左右，而大型的数据中心园区用电量据统计能达到600～800MW，这些用电量已经基本能消化一个中型发电厂的发电量。有统计显示，我国数据中心的年用电量已占全社会用电的1%左右，因此各地政府对数据中心的能耗效率提出了更高的要求。对于数据中心的关键性能耗指标电源使用效率数据（Power Usage Effectiveness，PUE），多地政府对于PUE指标的要求由PUE≤1.4降低为PUE≤1.3，在部分经济发达地区更是提出了PUE≤1.25的能效指标。

在“双碳”背景下，如何推动数据中心的节能减排，来实现数据中心碳减排、碳中和成为多方关注的话题。

1 多种减排措施的应用

1.1 太阳能光伏发电

在《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015—2021）中明确要求：新建建筑应安装太阳能系统。在《绿色数据中心政府采购需求标准（试行）》（征求意见稿）中，要求“现有数据中心使用具有所有权的可再生能源使用比例不低于5%，使用比例应逐年增加”。政府采购数据中心的可再生能源使用率如表1要求。

表1 政府采购数据中心可再生能源使用率

按照表1要求，数据中心政府采购项目需在10年内100%使用可再生能源，并有逐年明确的使用比例时间表。以上标准实际上对于可再生能源在新建数据中心的使用比例给出了更严苛、更具体的要求。

为了实现“双碳”目标，努力提升绿色能源使用率，研发绿色节能技术，数据中心产业相关企业也已经从多角度上进行相关节能减排的实践。使用不同能源产生的碳排放量也不同，据统计燃煤发电每千瓦时碳排放为1 023 g，而光伏太阳能发电每千瓦时碳排放仅为30 g，在碳排放上差距显而易见。太阳能系统满足绿色发展的需要，因而愈发受到用户的重视[1]。

园区级数据中心常利用空余的屋顶面积部署分布式光伏或采用光伏一体化幕墙，结合储能技术实现园区内光伏可再生能源的利用。众所周知，光伏太阳能存在着其特有的短板，即受到气候、环境、温度、日照等诸多因素的影响，其发电能力会有较大波动。若不辅以大容量储能系统，则其输出电能质量往往不满足用电负荷连续运行的需要。受此影响，当前阶段配置小型蓄电池组的光伏发电在数据中心更多是用于辅助办公区的照明、室外景观照明或一些小功率负荷的非连续运行，如电缆隧道、电缆沟的排水泵、通风风机等。

1.2 储能系统

储能系统是指通过媒介存储能量，在需要时再释放的过程，通常储能主要指的是电力储能。按照能量储存方式，储能可分为物理储能、电磁储能、化学储能3类。其中物理储能主要包括抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能等；电磁储能主要包括超导储能、超级电容器储能；化学储能主要包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池等。目前，在数据中心常见的储能方式为电池储能。

作为光伏太阳能系统的有效补充，储能系统在电力系统削峰填谷及补足光伏发电能力不足等方面作用突出。从用电能耗角度来看，光伏发电+储能系统极为契合绿色发展的需要。储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波动性，可以实现新能源发电的平滑输出，能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模光伏发电可以便捷、可靠地并入常规电网[2]。

在数据中心适当配置储能系统，储能系统与不间断电源装置的结合，能够帮助数据中心进行节能管理，而且储能设备还可以与电网进行良好互动、通过电力需求响应完成削峰填谷电力负荷管理，为数据中心创造收益。储能系统的作用有2方面，一是可以充分发挥削峰填谷作用，协助数据中心节省电费、降低能耗；二是作为备用电源为数据中心提供电力保障。

由此可见，在“双碳”背景下，储能系统应用于数据中心将成为一种发展趋势。

2 储能系统+新能源在数据中心的三种应用场景

数据中心用电负荷从负荷等级来看，常分为3类。（1）一级中特别重要负荷：机房模块、运营商机房内网络设备、服务器、存储设备、冷冻水二次泵、精密空调、安防和控制以及备用照明等。（2）一级负荷：为IT设备服务的冷水机组、冷却水泵、冷冻水一次泵、通风系统、报警设备、排烟风机以及消防水泵等。（3）三级负荷：检修动力、普通照明等

本节针对数据中心用电负荷的特点，提出3种应用储能系统解决方案用于数据中心不同场景下的负荷用电。

2.1 光伏+储能应用于建筑用电负荷

建筑用电中三级负荷的特点是不连续、电能质量要求不高，如办公照明、插座、室外道路照明、充电桩用电等。这些负荷可用光伏+储能的方式予以消化，不占用园区用电的指标。光伏在白天日照充足的时间段为负载供电并对储能系统进行充电，夜间由储能系统释放供给非连续用电负荷，从而提高光伏的使用效率，降低碳排放。

光伏+储能在建筑用电负荷的应用方案如图1所示。在此方案中，储能系统是核心。储能系统需具备并网运行与离网运行双模式，利用灵活的模式切换来实现调频控制、调峰控制、离网供电、无功控制这4种运行功能。

图1 光伏+储能在建筑用电负荷的应用

2.2 UPS+光伏+储能应用于数据中心精密空调

对于数据中心一级负荷中的特别重要负荷，为保证供电连续性，需要设置不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）装置，为运营商机房、机房精密空调、BA控制和安防设备、应急照明以及冷冻水二次泵等负荷提供交流220/380 V 50 Hz的不间断电源保障。此类负荷中，机房精密空调由于有备用机组，具备一定的容错能力，因而更适用UPS+储能的低碳供电模式。UPS+光伏+储能在数据中心精密空调的应用模式如图2所示。

图2 UPS+光伏+储能在数据中心精密空调的应用

在该模式下，正常运行负荷由市电为精密空调供电，同时由光伏太阳能等新能源为储能系统充电。在储能系统充能结束后，可以断开UPS主路输入电源，由储能系统释能为精密空调供电。由于储能系统的容量远大于UPS自带蓄电池，可提供超过UPS正常后备的供电时间，释能结束后转回市电供电，采用此模式可以降低市电用电量，提高低碳能源利用率[3]。

2.3 高压直流+光伏+储能应用于数据中心服务器设备

数据中心核心用电负荷是数据机房的IT设备，其余暖通、智能化负荷都是服务于IT设备。为了达到政府采购数据中心的可再生能源使用率在2032年达到100%的要求，光伏+储能最终势必要满足为服务器设备供电的需求。高压直流供电系统（High Voltage Direct Current，HVDC）+光伏+储能模式目前已有厂家在西部某实验室通过实验，验证了技术的可行性。HVDC+光伏+储能在数据中心服务器的应用模式如图3所示。

图3 HVDC+光伏+储能在数据中心服务器的应用

在此模式下，使用光伏太阳能通过DC/DC输入273 V直流电，市电通过HVDC或10 kV交流输入的直流不间断电源系统输出270 V直流电供给储能系统，2个直流输出合路成1路输出为服务器设备供电。

研究此模式可发现：白天由大规模光伏电源为机柜提供100%供电，并为储能系统蓄电池充电；夜间由市电HVDC或10 kV交流输入的直流不间断电源系统为机柜提供100%供电，并为储能系统蓄电池充电。当光伏电源和HVDC同时故障或检修时，由储能系统供电。该模式满足服务器设备用电需求并降低市电使用率，从而达到减少碳排放的目的。