基于大容量儲能接入的數據中心供電系統架構研究

張仁玉，朱發熙

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數據中心屬于能耗密集型行業，其用電量連續十幾年保持兩位數增長，預計到2025年將占社會總用電量的4%[1-3]。近幾年新建的數據中心已經通過各種節能方式降低能源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），提高數據中心的用能效率，但在整個數據中心的運營周期內，電費支出仍占總運營成本的90%左右[4]。因此有必要開展數據中心和儲能結合的研究，一方面可以借助峰谷電價差降低總電費支出，另外也可以通過大規模儲能參與電力輔助服務市場，協助大量新能源接入后的電網解決調峰、調頻等難題。目前儲能和數據中心結合的研究有利用數據中心給不間斷電源配置的應急蓄電池兼做儲能的方案[5,6]，也有單配置儲能電池并結合光伏的方案[7,8]。但這些研究都集中在低壓側（0.4 kV），一則容量相對較小，儲能系統備電時間太短，一般只有15 min，不容易出效益，二則儲能系統的接入點過于分散，控制比較復雜，給運營調度帶來很大的困難，因此總體效果不明顯。本文提出一種儲能系統和數據中心結合的新方案，即儲能系統通過儲能變流器（Power Cincersion Systent，PCS）和電力變壓器將接入電壓提升到10 kV，然后直接接入到數據中心供電系統高壓側（10 kV），這樣不僅可以提高數據中心供電安全可靠性，還可以將儲能系統規模做大，減少充放、電過程電源切換點，降低系統調度的難度。

1 備用電源方案分析

根據GB 50174—2017《數據中心設計規范》的要求，A級數據中心應由雙重電源保障，并需要設置備用電源。備用電源可以采用柴油發電機組，也可采用供電網絡中獨立于正常電源的專用饋電線路。目前數據中心采用柴油發電機組方案的客戶接受度更高，因此其成為大部分數據中心后備電源的選擇。

國內電網的可靠性很高，發生互為備用的兩路市電均斷電的情況很小，因而造成大部分數據中心配置的柴油發電機組成為“擺設”，造成投資閑置，另外，為了確保柴油發電機組在關鍵時刻能夠起到作用，機組及其配套系統需要定期測試，運維成本高昂。而電網是一個大系統，負荷突加突減時更穩定，也不存在類似柴發并機不成功的風險、運維簡單以及對環境無有害排放，因此第三路市電方案作為備用電源是一個更合適的選擇，特別是在第三路市電前端電源點比較近的場合柴油發電機組同第三路市電對比分析見表1。

表1 備用電源方案對比分析

2 儲能系統方案

2.1 儲能系統設計

每套10 kV儲能系統由8個儲能電池預制艙組成，電池艙輸出的直流經過PCS轉換成交流，再經過變壓器升壓至10 kV，單套10 kV儲能系統的容量為10.08 MW（2.2 MWh），其主接線如圖1所示。每個電池預制艙內設置10簇電池，分為兩組，每組電池采用5簇電池經匯流柜匯流后接入PCS直流側，每臺電池預制艙內設置2臺匯流柜，匯流柜直流輸出采用分支斷路器加總負荷開關的方式。電池采用安全性能高、壽命長以及高溫性能好的磷酸鐵鋰電池，電芯容量為250 Ah，單體電壓為3.2 V。

圖1 10 kV儲能系統主接線

每1臺預制倉對應2臺630 kW的PCS，單臺預制倉的容量為1.26 MW，電池預制倉系統接線詳見圖2。

圖2 單套電池預制倉系統接線

2.2 新能源接入設計

電池預制倉布置在室外太陽能充分的位置，每個預制倉頂上布置光伏電板，光伏系統發的電并不單獨給負載供電，而是接入到PCS的直流母線，如果儲能系統處于放電過程，就和儲能電池一起給負載供電，如果儲能系統不處于放電過程，就對儲能電池進行充電，將相應的電能儲存到儲能電池內，這樣就避免了光伏系統發電功率不穩定對負載產生影響。新能源接入系統示意詳見圖3所示。

圖3 新能源接入系統示意

3 供電系統架構分析

3.1 供電系統架構設計

以10 000 kVA的供電系統為對象建模，一套基于大容量儲能的供電系統由互為備用的兩路市電（市電1和市電2）、獨立的第三路市電（市電3）和一路10 kV儲能系統組成，其供電系統架構如圖4所示。相比于常規的三路市電組成的A級機房供電系統，本文提出的供電系統架構多出了一路10 kV的儲能接入。10 kV儲能系統的接入點設置在第三路市電所在的母線處，儲能系統的充放電均通過該母線進行，這樣可以避免充放電影響正常母線段的工作。

圖4 基于10 kV儲能接入的供電系統架構

3.2 運行邏輯分析

儲能不參與運行時，市電1和市電2同時供電，各帶一半負載，其供電示意如圖5，當市電1（市電2）斷電后，10 kV母聯開關（QF3）合閘，由市電2（市電1）帶全部負荷。當兩路市電均斷電后，市電3投入運行，帶全部負荷。

圖5 系統正常供電時供電示意

當電價處于“谷”階段時，儲能設備開始充電，數據中心的負載由市電1和市電2保障，市電3給儲能設備充電，供電示意如圖6，由圖6可見，數據中心的正常供電和儲能設備的充電是相互獨立的，路徑上也不交叉，安全性很高。在儲能設備充電過程中市電1和市電2有1路出現故障，通過母聯開關（QF3）合閘，由另外1路帶全部負載。如果市電1和市電2同時故障，則充電過程結束，由市電3保障全部負載。

圖6 儲能系統充電時供電示意

當電價處于“峰”階段時，儲能設備開始放電，電源切換系統先斷開市電1的QF1開關和市電2的QF2開關，然后合市電3的QF6開關和儲能的QF7開關，儲能和市電3同期運行，保障全部負載，儲能設備作為主供電源，儲能不足部分由市電3補充，放電時供電示意如圖7。

儲能系統放電結束后，先斷開市電3的QF6開關和儲能的QF7開關，然后合開市電1的QF1開關和市電2的QF2開關，供電系統轉為儲能不參與運行時的運行狀態，各種工況下供電系統中的斷路器運行控制邏輯詳見表2。

表2 運行邏輯關系表

4 結 論

本文提出數據中心和儲能系統結合的方案技術上是可行的，實現起來也簡單方便。對數據中心本身而言，供電系統的安全可靠性得到進一步提高，相當于在原有三路市電的基礎上增加了一路儲能接入的保障。對儲能系統而言，系統容量可以做大，這樣能夠產生規模效應，同時也可以降低運維難度。