數據中心儲能供電技術應用探討

劉繼亮，張 瑜，陳雪梅

（中國移動通信集團設計院信息能源所，北京 100080）

0 引 言

數據中心基礎設施通常會配備不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、柴油發電機組等設備來應對電網故障、供配電系統故障及短時電力短缺的極端狀況。但是，隨著電力網絡穩定性的提高，數據中心柴油發電機組啟用次數較少、時間較短，設備的資產利用效率較低。同時，UPS 系統后備蓄電池長時間處于浮充狀態，其使用壽命會縮短，相關維護成本居高不下。我國的風能、太陽能等可再生能源發電裝備的制造技術和制造能力已經非常成熟，技術水平國際領先[1]。為響應國家的雙碳政策，越來越多的分布式新能源在數據中心中投入運行。同時，隨著電化學儲能技術安全性的提高及其成本的持續降低，可以用于儲存不穩定的分布式新能源。目前，儲能型供電系統逐漸成為數據中心供電中的首選方案。

1 儲能形式

目前，行業內的儲能形式各種各樣，按照它們的大體類型，主要可以分為機械類（壓縮空氣儲能、飛輪儲能、抽水蓄能等）、電化學類（鈉離子電池、鋰離子電池、液流電池、鎂空電池等）、化學類（氫氣、甲醇等燃料電池）、熱儲能及電氣類（超級電容器儲能、超導儲能等）。目前，全球各儲能方式裝機容量占比如圖1 所示。

圖1 各儲能方式裝機容量占比

由圖1 可知，抽水蓄能方式在我國占據儲能行業的主導地位。但是其投資高占地面積大、效率低，項目建設時還需要滿足地理條件的要求，因此抽水蓄能儲能方式不適用于數據中心項目。

數據中心應用的儲能方式主要包括電化學儲能、化學儲能（氫儲能）和熱儲能等。氫儲能形式在容量上遠大于電化學儲能，且其充放電次數幾乎不會影響壽命，但其轉化效率低。熱儲能規模小，成本高，循環效率低，運維費用高。電化學儲能具有效率高、響應速度快、運維方便等優勢，是目前數據中心的首選。

數據中心電化學儲能在組成方式與電池選擇類型方面比較靈活。組成方式分為采用大容量集中式、小容量分布式或大容量集中式與小容量分布式相結合的形式；電池類型包括鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池以及鉛炭電池等。

2 儲能供電系統

2.1 儲能供電系統概述

儲能供電系統可以在用電設備忙時提供電能，用電設備閑時存儲電能，具有對發電側調頻調壓、并網時平滑過渡、經濟上達到削峰填谷等功能，使太陽能、風能等分布式新能源發電平滑輸出，降低發電系統的隨機性、間歇性、波動性，以此來減少對電網和用戶的惡性沖擊。當電網斷電、救援行動等突發事故發生時，該儲能供電系統可以在短時間內進行孤島運行，保證對重要用戶進行不間斷供電。同時，用戶可以通過監控系統對蓄電池組充放電過程進行實時監控和管理，在市電用電低谷時段為蓄電池組充電，在市電用電高峰時主動釋放蓄電池組儲存的電能，以滿足數據中心用電需求，進而促進電網錯峰供電，降低供電系統的峰谷差，節電減排。目前，數據中心建設中常用的儲能供電系統解決方案主要如下。

2.2 儲能供電系統接入低壓側方案

儲能供電系統接入低壓側解決方案主要由儲能變流器（Power Conversion System，PCS）和UPS 或高壓直流輸電（High Voltage Direct Current transmission，HVDC）相結合的方式實現。利用聯結在電池系統和電網或負荷中間的PCS 設備，可以進行能量的雙向變換。PCS 通過調節蓄電池的充電和放電過程，實現能量交直流的轉換，在非供電狀態下也可向交流負載供電，保證數據中心核心信息技術（Information Technology，IT）負載不間斷供電。儲能系統接入低壓側系統架構如圖2 所示。

圖2 儲能系統接入低壓側系統架構

該方案與傳統數據中心供電系統架構相似，在滿足數據中心IT 負載備電的需求下，通過配置大容量儲能電池，獲取額外的經濟回報。同時，由于方案配置的儲能電池容量遠超過IT 設備本身備電需求容量，當市電穩定且供電系統備電要求不高的情況下，可進一步精簡方案。

2.3 儲能供電系統接入10 kV 中壓側解決方案

儲能供電系統接入10 kV 中壓側解決方案如圖3所示。

圖3 儲能系統接入10 kV 中壓側系統架構

從圖3 可以看出，儲能供電系統接入10 kV 中壓側的方案保留了原有數據中心IT 負載不間斷電源系統備用電池，在10 kV側利用儲能供電系統作為應急電源。儲能供電系統作為數據中心的主要應急電源，能夠大幅改善數據中心整個供電系統的可靠性和穩定性，同時系統可參與電力市場服務，提供應急備用電源的同時賺取額外運營收益。系統在特定的場景下，可在規定時間內恢數據中心電供電，替代市電備用回路或部分柴油發電機系統，該方案可較大程度地節省投資和提高經濟效益，適合在已經投運的數據中心進行試點運行。

2.4 新能源+儲能供電系統接入10 kV 中壓側解決方案

新能源+儲能供電系統接入10 kV 中壓側解決方案如圖4 所示。

圖4 儲能系統+新能源系統架構

新能源和儲能供電系統相結合接入10 kV 供配電系統是目前儲能供電系統的核心應用之一。由于新能源如風能、光伏太陽能等電力存在不穩定、不集中等特點，直接用于用戶負荷時經常會出現電力不足或電力不穩定等情況，但通過儲能+新能源的方式，可以很好地解決這些問題。該儲能系統先將新能源的電能儲存到儲能系統，再由儲能系統統一供電，彌補了新能源的缺陷。同時，結合新能源能量管理系統的合理算法和決策，可以實現新能源的最大功率發電和儲能系統的合理時段充電、放電，進而提高數據中心的新能源利用率，降低數據中心運營成本。

2.5 方案的比較與選擇

設備是換流器，通過換流器控制實現能量雙向傳遞。它的功能主要包括2 點。一方面，將新能源和儲能電池輸出的能量轉化為交流電與市電并網供給。另一方面，當新能源無法輸出而儲能電池能量不足時，換流器還可將市電轉換為直流電對儲能電池進行充電[2-3]。

儲能供電系統接入低壓側解決方案與儲能供電系統接入10 kV 中壓側解決方案的優點為電能可以直接供給負載，系統減少能量轉換過程中的能量損耗，提高系統電能利用率，缺點為2 種供電系統解決方案對電網適應性、功率控制、安全與環境控制有較高要求。具體為：儲能供電系統方案要保證供電系統頻率，當并網點處的頻率低于49.5 Hz 時，系統應停止充電；當并網點處的頻率高于50.2 Hz 時，系統應停止放電。為滿足上述并網需求，系統需要在用戶側配置自動低頻減負荷裝置，優先響應負荷切除指令，將儲能供電系統快速切換至放電狀態。

新能源+儲能供電系統接入10 kV 中壓側方案的優點是通過新能源能量管理系統的合理算法與決策，實現新能源的最大功率發電，供電系統在合理的時段進行充放電支撐，從而提高數據中心新能源的使用效率，實現數據中心的節能降碳[4]。

通過比較上述3 種解決方案，發現新能源+儲能供電系統接入10 kV 中壓側解決方案的特點更為突出。

目前在新能源發電趨勢中，光伏發電技術處于熱門且領先位置，光伏儲能供電系統并網的接納范圍要求如下：當光伏發電容量達到400 ～6 000 kW 時，可接入10 kV；達到6 000 ～20 000 kW 時，可接入35 kV。光伏儲能供電系統中光伏板白天吸收太陽能轉化為電能，同時儲能設備會將這些電能儲存起來，晚上再將儲存起來的電能轉換成交流電釋放出來供給用電設備。在1 d循環周期內，太陽的輻射會不停變化，導致光伏板的電能輸出會隨之變化。負載的用電負荷需求相對穩定，導致光伏板的電能輸出與負荷需求之間存在一定的差異，天氣變化的不可預料性會導致光伏板接輸出的波動性。

通過使用光伏+儲能供電系統的能量緩沖可以使系統在發生不穩定輸入波動的情況下，輸出的電能仍然能夠維持在穩定的水平，為數據中心的供電提供堅實的后盾。

3 儲能供電系統的作用

3.1 作為應急備用電源

儲能供電系統具備大容量的特點，在電力系統出現故障或發生突發事件導致系統市電缺失情況下發揮重大作用。儲能供電系統在平時進行儲能，在緊急情況下提供電力支持，科學的儲能、供電形式應用于數據中心的應急備用電源，一定情況下替代傳統數據中心架構中的UPS 備用電池。

3.2 電力負荷調節

在電力配電系統中，用電負荷會隨著時間而發生變化。通常白天是電力負荷高峰期，晚上是電力負荷低谷時間段，儲能供電系統通過在負荷低谷時儲能，在負荷高峰時釋放供電來平衡電力系統的負荷峰值，起到削峰填谷的作用。

3.3 提高投資收益

儲能供電系統通過參與電力市場調頻、備用和峰谷等交易，為電力市場提供靈活的調度能力。數據中心儲能供電系統以削峰填谷為主盈利模式，充分利用儲能電池裝置，在電網用電高峰時段由儲能系統供電，從而分擔電網負荷，在用電低谷時段，通過儲能系統的充電，促進發電與用電的平衡，實現削峰填谷的效果[5]。

4 結 論

儲能供電技術在數據中心不斷普及，通過調節用電負荷、增加投資運營等方法，逐步替代傳統電源系統。文章通過對儲能供電技術的前景分析，了解了未來儲能供電的具體方向。通過對比不同的儲能供電系統方案，找到了目前最佳的選擇。儲能供電技術不僅對提升能效有顯著作用，而且對于降低碳排放有明顯的效果。隨著儲能供電系統成本的不斷下降，數據中心儲能產品也會得到大力發展，數據中心儲能會有越來越廣闊的應用前景。