文 | 張丞
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編輯 | 石亞瓊
封面來源｜IC photo
2023 年 2 月，微軟公司的 Christoph Mazur 博士在歐盟儲能峰會上表示，" 微軟認為都柏林數(shù)據(jù)中心配置儲能型 UPS 的項目完全可以被應用在其他數(shù)據(jù)中心。" 2022 年 7 月，微軟公司愛爾蘭都柏林數(shù)據(jù)中心開始使用鋰電池來作為備用電源，替代了鉛酸電池和柴油發(fā)電機。
顯然，如今微軟對擴大數(shù)據(jù)中心配置儲能的應用范圍的信心更加充足。
無獨有偶，2022 年 4 月，谷歌宣布在比利時 Saint-Ghislain 的數(shù)據(jù)中心配置儲能項目也取得了進展。谷歌認為這將幫助比利時實現(xiàn)清潔能源的發(fā)展目標，同時這也展示了谷歌未來在全球數(shù)據(jù)中心推廣應用儲能技術的潛力。
數(shù)據(jù)中心的能耗開支過高一直是令國內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)巨頭們頭疼的問題。而數(shù)據(jù)中心配置儲能將有望降低數(shù)據(jù)中心的購電成本、提高數(shù)據(jù)中心對新能源的利用率，最終降低數(shù)據(jù)中心的能耗。這將為互聯(lián)網(wǎng)巨頭們帶來很大的好處，也將成為數(shù)字經(jīng)濟和能源行業(yè)協(xié)同發(fā)展的范例。
儲能為數(shù)據(jù)中心帶來的三個價值
儲能可以在提高供電穩(wěn)定性、降低能耗、獲取額外收益方面給數(shù)據(jù)中心帶來增量收益。
在分析這三個價值點之前，我們需要明白當前數(shù)據(jù)中心配置儲能獲取收益的前提條件和基礎是什么。
數(shù)據(jù)中心本身就會配置不間斷電源 UPS 作為備用電源，保障數(shù)據(jù)中心的用電安全性和電能質(zhì)量。UPS 過去通常是用鉛酸電池作為電源，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)對鉛酸電源形成了替代趨勢。
鋰電池循環(huán)次數(shù)更高、壽命更長、單位體積能量密度更高。數(shù)據(jù)中心的儲能電源質(zhì)量由此得到了提升，因此具備了更高的供電可靠性和儲能技術應用價值。
下面我們來看數(shù)據(jù)中心配置儲能可以獲得的益處。
穩(wěn)定用電層面，數(shù)據(jù)中心用電可以分為應急電源與常用電源。一方面，儲能可以替代柴油發(fā)電機進行應急供電。另一方面，儲能能夠成為數(shù)據(jù)中心主供電源的來源之一。
降低能耗層面，通過配置儲能，數(shù)據(jù)中心可以提升新能源供電的穩(wěn)定性和利用率，峰谷儲能高峰放電，可以降低數(shù)據(jù)中心的電費支出和能源浪費，最終減少碳排放。
在高峰需求期間減少數(shù)據(jù)中心負荷可以降低容量費用 來源：施耐德施耐德在發(fā)表的一篇白皮書中提到儲能型 UPS 能以非常規(guī)則的方式調(diào)節(jié)電網(wǎng)所測量到的負荷。如此可以將數(shù)據(jù)中心峰值電力容量需求最小化，使用 UPS 之前儲存好的電量，避免在用電高峰期支付高價電費，降低容量費用。
此外，儲能還能為數(shù)據(jù)中心帶來額外的經(jīng)濟收益。因為數(shù)據(jù)中心的 UPS 往往具有大量閑置，如果能高效利用這部分閑置能源參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，不僅能更好地平衡電力供需，還能獲取電力市場輔助服務的經(jīng)濟回報。
這種基于鋰電池的儲能型 UPS 除了可以保障數(shù)據(jù)中心備用電源的可靠性之外，還可以參與電網(wǎng)輔助服務市場來獲取收益，降低數(shù)據(jù)中心的用電成本。微軟的都柏林數(shù)據(jù)中心就參與了愛爾蘭電網(wǎng)的調(diào)頻服務市場。
谷歌比利時的數(shù)據(jù)中心配備了 5.5MWh 的鋰電池儲能，其中的 2.75MWh 將用于優(yōu)化比利時電網(wǎng)的需求響應計劃，儲能系統(tǒng)還將與其他分布式能源實現(xiàn)整合。該儲能項目的支持方為 Fluence，儲能系統(tǒng)是基于 Fluence 公司的第六代 Gridstack 模塊化儲能產(chǎn)品。
" 谷歌很高興能在數(shù)據(jù)中心和能源行業(yè)的交叉領域內(nèi)推動技術創(chuàng)新，特別是當這種技術創(chuàng)新能帶來運營之外的效益時，" 谷歌數(shù)據(jù)中心能源和基礎設施的高級負責人 Marc Oman 曾表示，" 新的儲能項目就是一個很好的例子：它不僅能讓谷歌數(shù)據(jù)中心在電力中斷時能更清潔地運行，而且通過我們的儲能項目將幫助比利時電網(wǎng)進行調(diào)頻，保持電網(wǎng)穩(wěn)定運行。"
數(shù)字經(jīng)濟能耗大戶的配儲之路
數(shù)據(jù)中心是數(shù)字經(jīng)濟中最重要的新型基礎設施之一，但同時也是用電大戶。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)，2021 年全國數(shù)據(jù)中心耗電量達 2166 億度，約占全國總耗電量的 2.6%；碳排放量 1.35 億噸，占全國總排放量的 1.14%。
而 2021 年三峽電站累計發(fā)電 1036.49 億千瓦時。這意味著全國數(shù)據(jù)中心的用電量相當于兩個三峽電站全年的發(fā)電量。
隨著數(shù)據(jù)總量的不斷攀升，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模將越來越大，如何優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的能耗和碳排放成為破解數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展制約的一項重要挑戰(zhàn)。儲能將成為解決該問題的一把鑰匙。
數(shù)據(jù)中心配置儲能途徑目前主要以儲能型 UPS 為主。儲能型 UPS 同時具備電化學儲能功能和數(shù)據(jù)中心 UPS 功能，既能實現(xiàn) UPS 原有的備用電源應急供電功能，也能通過挖掘電池儲能潛力來獲取更多收益。
儲能型 UPS 可以降低數(shù)據(jù)中心能耗水平，同時提高能量管理的智能化水平。國內(nèi)如科士達、科華數(shù)能等企業(yè)均在數(shù)據(jù)中心領域推出了儲能型 UPS 相關產(chǎn)品。
科士達新能源產(chǎn)品總監(jiān)黎志榮向數(shù)字時氪表示如何活用數(shù)據(jù)中心里的儲能電池是非常關鍵的。" 數(shù)據(jù)中心本身就具備大容量電池，是理想的儲能提供方。數(shù)據(jù)中心一方面可以通過容量租賃獲取額外收益，還可以通過參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)獲取更多收益。"
在黎志榮看來，未來數(shù)據(jù)中心的 UPS 要實現(xiàn)雙向的工作模式，提供類似儲能變流器的功能。" 科士達已經(jīng)在研究如何將 UPS 和 PCS 結合，以便更好地利用數(shù)據(jù)中心已經(jīng)投入的電池資產(chǎn)。比如研發(fā)雙向 UPS，過去 UPS 只是單向的從電網(wǎng)把交流電轉(zhuǎn)到直流電，給電池充電。未來電池還要能支撐電網(wǎng)，就需要 UPS 具備從直流再轉(zhuǎn)換到交流側，實現(xiàn)給電網(wǎng)供電的功能。"
儲能系統(tǒng)將是數(shù)據(jù)中心供配電的一部分。由于儲能系統(tǒng)會占據(jù)一定空間，必然會牽扯到整個數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃布局，提升能量密度也將是減少數(shù)據(jù)中心儲能系統(tǒng)安裝占地面積的重要途徑。
此外，數(shù)據(jù)中心并網(wǎng)技術復雜，通常會涉及多個不同系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。因此黎志榮認為未來數(shù)據(jù)中心還需要能源互聯(lián)網(wǎng)技術來實現(xiàn)整套系統(tǒng)的能量管理。
數(shù)據(jù)中心儲能如何降低運行成本、提高電力交易收益
數(shù)據(jù)中心儲能系統(tǒng)的運行要充分考慮電力系統(tǒng)的需求和數(shù)據(jù)中心本身的工作特點。一方面要考慮到電力市場交易的需求，另一方面儲能系統(tǒng)還要結合數(shù)據(jù)中心可以在時間上推后處理計算任務、空間上將計算任務轉(zhuǎn)移至別處數(shù)據(jù)中心處理的特點。
在考慮電力市場交易時，儲能系統(tǒng)調(diào)度控制需要考慮數(shù)據(jù)中心的冗余設計和儲能參與電力輔助服務市場所得收益和壽命損失。微軟研究院的研究員在 IEEE 發(fā)表的一篇研究文章中明確考慮了數(shù)據(jù)中心的 N+1 分布式冗余架構，提出了一種數(shù)據(jù)中心儲能提供頻率服務的收益優(yōu)化框架，找到數(shù)據(jù)中心儲能參與電力市場交易的最優(yōu)投標容量和實時操作 [ 1 ] 。
結合數(shù)據(jù)中心自身工作特點時，數(shù)據(jù)中心運行本身具有的可調(diào)節(jié)性值得充分利用 [ 2 ] 。數(shù)據(jù)中心可以對自身的工作任務、電力負荷進行時間上和空間上的動態(tài)調(diào)節(jié)，從而可以協(xié)同儲能系統(tǒng)對數(shù)據(jù)中心購電成本進行削減以及降低負荷峰谷差，未來甚至可能參與電力市場輔助服務獲取收益。
數(shù)據(jù)中心工作任務可分為延遲敏感型和延遲容忍型兩大類。網(wǎng)絡交易、網(wǎng)頁瀏覽等用戶服務請求就是典型的延遲敏感型工作。而圖像處理、計算處理等需要進行長時間計算的用戶請求就屬于延遲容忍型工作任務。
延遲敏感型工作可以進行空間調(diào)度操作，即從一個地區(qū)的數(shù)據(jù)中心調(diào)度至另一個地區(qū)的數(shù)據(jù)中心。延遲容忍型任務則可以進行時間調(diào)度操作。
基于工作負載時空靈活性的電力負荷調(diào)節(jié) 來源：中國知網(wǎng) [ 2 ]2022 年 5 月，阿里巴巴與華北電力大學合作開展的可再生能源消納驅(qū)動的數(shù)據(jù)中心 " 算力 - 電力 " 優(yōu)化調(diào)度項目以試運行方式參與了華北電力調(diào)峰輔助服務市場。
在電力系統(tǒng)調(diào)峰信號的引導下，阿里巴巴位于江蘇省南通數(shù)據(jù)中心的部分算力負載轉(zhuǎn)移到了河北省張北數(shù)據(jù)中心繼續(xù)運行。這次調(diào)度就是利用了數(shù)據(jù)中心空間上的可調(diào)度性。
這是全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)中心和電力系統(tǒng)間以促進可再生能源消納為目標的第一次協(xié)同調(diào)度，也是國內(nèi)首次跨區(qū)域 " 算力 - 電力 " 優(yōu)化調(diào)度驗證實驗。
此外，由于數(shù)據(jù)中心工作任務處理的實時性要求很高，因此選擇更具有實時性的高效優(yōu)化方法也非常重要。可以解耦多時段的馬爾可夫決策過程方法 MDP 和可以加快計算收斂、降低求解復雜度的交替方向乘子法 ADMM 都是值得考慮的方法 [ 3 ] 。
數(shù)據(jù)中心儲能系統(tǒng)參與電力市場交易是更值得關注的領域。
周鈺等人以惠州某數(shù)據(jù)中心 （規(guī)劃萬臺機柜） 項目為例，針對數(shù)據(jù)中心配置儲能的運行模式及設計方案的經(jīng)濟性進行研究。該數(shù)據(jù)中心的儲能項目擬規(guī)劃規(guī)模為 90 MW/180 MWh。
經(jīng)過經(jīng)濟測算，儲能系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心提供不間斷備用電源之外，同時參與電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和緊急備用服務，獲取電力市場輔助服務收益。項目內(nèi)部收益率 8.3%，動態(tài)回收期 7.05 年 [ 4 ] 。
某數(shù)據(jù)中心儲能系統(tǒng)參與輔助服務收益情況 來源：中國知網(wǎng) [ 4 ]目前數(shù)據(jù)中心儲能參與電力市場交易方面尚未推出明確、完善的政策機制。國內(nèi)現(xiàn)行的各類電力交易市場鮮有考慮數(shù)據(jù)中心作為第三方市場參與電力市場交易的規(guī)則和方案。數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)鏈相關企業(yè)也在關注期待這一類政策的落地。
綜合來看，在考慮配置儲能的情況下，數(shù)據(jù)中心運營商需要根據(jù)實現(xiàn)最小運行成本和最佳峰谷套利策略的目標制定調(diào)度計劃，同時還要考慮日內(nèi)電力交易的實時性和不確定性，綜合運用數(shù)字化技術幫助數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)降低能耗、提升收益的目標。
展望
數(shù)據(jù)中心 + 儲能，可以有效提升數(shù)據(jù)中心用電安全穩(wěn)定性和質(zhì)量，同時還可以充分利用儲能電池資源進行峰谷價差套利以及參與電力輔助服務獲取收益，能夠降低數(shù)據(jù)中心電費開支，提高整個數(shù)字經(jīng)濟基礎設施的運行效率和經(jīng)濟效益。
數(shù)據(jù)中心和儲能將成為算力、電力融合發(fā)展的典型代表。未來，數(shù)字經(jīng)濟基礎設施將更好地與新型電力系統(tǒng)協(xié)同互動，形成支持源網(wǎng)荷儲良性運行的重要力量。
參考文獻：
1. Zhang B , Senior E N . Distributed Redundant Integration of Data Center Battery Storage with the Grid for Regulation Services [ C ] // 2021 IEEE Power & Energy Society General Meeting ( PESGM ) . 0.
2. 曹雨潔 , 丁肇豪 , 王鵬 , 張素芳 , 劉吉臻 , 劉文娟 , 程明 . 能源互聯(lián)網(wǎng)背景下數(shù)據(jù)中心與電力系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化 ( 二 ) ：機遇與挑戰(zhàn) [ J ] . 中國電機工程學報 ,2022,42 ( 10 ) :3512-3527
3. 陳緒昌 , 王育飛 , 薛花 . 基于 MDP-ADMM 的數(shù)據(jù)中心儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行方法 [ J/OL ] . 儲能科學與技術 :1-12 [ 2023-04-27 ]
4. 周鈺 , 郝為瀚 . 面向數(shù)據(jù)中心的儲能系統(tǒng)應用研究 [ J ] . 南方能源建設 ,2021,8 ( 03 ) :58-62
5. 施耐德
6. Energy storage news
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