“雙碳”背景下儲能系統在數據中心中的應用

盧學山，張文利

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

“雙碳”是“碳達峰”和“碳中和”的簡稱。中國在2020年9月明確提出了 “雙碳”的目標，即我國的二氧化碳排放量力爭在2030年前達到峰值，在2060年前實現碳中和。為了達到這一目標，需要全社會加快調整優化產業結構、能源結構，大力發展新能源，共同推動煤炭消費盡早達峰。

數據中心在全球數字化進程中發揮了重要作用。近年來，我國數據中心產業呈現了快速發展的勢頭，平均每年保持約30%的增速，預計未來仍將保持快速增長。作為用能大戶，在“雙碳”背景下的數據中心承擔的責任尤為突出。一個常規數據中心園區的用電量常在100 MW左右，而大型的數據中心園區用電量據統計能達到600～800MW，這些用電量已經基本能消化一個中型發電廠的發電量。有統計顯示，我國數據中心的年用電量已占全社會用電的1%左右，因此各地政府對數據中心的能耗效率提出了更高的要求。對于數據中心的關鍵性能耗指標電源使用效率數據（Power Usage Effectiveness，PUE），多地政府對于PUE指標的要求由PUE≤1.4降低為PUE≤1.3，在部分經濟發達地區更是提出了PUE≤1.25的能效指標。

在“雙碳”背景下，如何推動數據中心的節能減排，來實現數據中心碳減排、碳中和成為多方關注的話題。

1 多種減排措施的應用

1.1 太陽能光伏發電

在《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（GB 55015—2021）中明確要求：新建建筑應安裝太陽能系統。在《綠色數據中心政府采購需求標準（試行）》（征求意見稿）中，要求“現有數據中心使用具有所有權的可再生能源使用比例不低于5%，使用比例應逐年增加”。政府采購數據中心的可再生能源使用率如表1要求。

表1 政府采購數據中心可再生能源使用率

按照表1要求，數據中心政府采購項目需在10年內100%使用可再生能源，并有逐年明確的使用比例時間表。以上標準實際上對于可再生能源在新建數據中心的使用比例給出了更嚴苛、更具體的要求。

為了實現“雙碳”目標，努力提升綠色能源使用率，研發綠色節能技術，數據中心產業相關企業也已經從多角度上進行相關節能減排的實踐。使用不同能源產生的碳排放量也不同，據統計燃煤發電每千瓦時碳排放為1 023 g，而光伏太陽能發電每千瓦時碳排放僅為30 g，在碳排放上差距顯而易見。太陽能系統滿足綠色發展的需要，因而愈發受到用戶的重視[1]。

園區級數據中心常利用空余的屋頂面積部署分布式光伏或采用光伏一體化幕墻，結合儲能技術實現園區內光伏可再生能源的利用。眾所周知，光伏太陽能存在著其特有的短板，即受到氣候、環境、溫度、日照等諸多因素的影響，其發電能力會有較大波動。若不輔以大容量儲能系統，則其輸出電能質量往往不滿足用電負荷連續運行的需要。受此影響，當前階段配置小型蓄電池組的光伏發電在數據中心更多是用于輔助辦公區的照明、室外景觀照明或一些小功率負荷的非連續運行，如電纜隧道、電纜溝的排水泵、通風風機等。

1.2 儲能系統

儲能系統是指通過媒介存儲能量，在需要時再釋放的過程，通常儲能主要指的是電力儲能。按照能量儲存方式，儲能可分為物理儲能、電磁儲能、化學儲能3類。其中物理儲能主要包括抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能等；電磁儲能主要包括超導儲能、超級電容器儲能；化學儲能主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池等。目前，在數據中心常見的儲能方式為電池儲能。

作為光伏太陽能系統的有效補充，儲能系統在電力系統削峰填谷及補足光伏發電能力不足等方面作用突出。從用電能耗角度來看，光伏發電+儲能系統極為契合綠色發展的需要。儲能技術在很大程度上解決了新能源發電的隨機性、波動性，可以實現新能源發電的平滑輸出，能有效調節新能源發電引起的電網電壓、頻率及相位的變化，使大規模光伏發電可以便捷、可靠地并入常規電網[2]。

在數據中心適當配置儲能系統，儲能系統與不間斷電源裝置的結合，能夠幫助數據中心進行節能管理，而且儲能設備還可以與電網進行良好互動、通過電力需求響應完成削峰填谷電力負荷管理，為數據中心創造收益。儲能系統的作用有2方面，一是可以充分發揮削峰填谷作用，協助數據中心節省電費、降低能耗；二是作為備用電源為數據中心提供電力保障。

由此可見，在“雙碳”背景下，儲能系統應用于數據中心將成為一種發展趨勢。

2 儲能系統+新能源在數據中心的三種應用場景

數據中心用電負荷從負荷等級來看，常分為3類。（1）一級中特別重要負荷：機房模塊、運營商機房內網絡設備、服務器、存儲設備、冷凍水二次泵、精密空調、安防和控制以及備用照明等。（2）一級負荷：為IT設備服務的冷水機組、冷卻水泵、冷凍水一次泵、通風系統、報警設備、排煙風機以及消防水泵等。（3）三級負荷：檢修動力、普通照明等

本節針對數據中心用電負荷的特點，提出3種應用儲能系統解決方案用于數據中心不同場景下的負荷用電。

2.1 光伏+儲能應用于建筑用電負荷

建筑用電中三級負荷的特點是不連續、電能質量要求不高，如辦公照明、插座、室外道路照明、充電樁用電等。這些負荷可用光伏+儲能的方式予以消化，不占用園區用電的指標。光伏在白天日照充足的時間段為負載供電并對儲能系統進行充電，夜間由儲能系統釋放供給非連續用電負荷，從而提高光伏的使用效率，降低碳排放。

光伏+儲能在建筑用電負荷的應用方案如圖1所示。在此方案中，儲能系統是核心。儲能系統需具備并網運行與離網運行雙模式，利用靈活的模式切換來實現調頻控制、調峰控制、離網供電、無功控制這4種運行功能。

圖1 光伏+儲能在建筑用電負荷的應用

2.2 UPS+光伏+儲能應用于數據中心精密空調

對于數據中心一級負荷中的特別重要負荷，為保證供電連續性，需要設置不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）裝置，為運營商機房、機房精密空調、BA控制和安防設備、應急照明以及冷凍水二次泵等負荷提供交流220/380 V 50 Hz的不間斷電源保障。此類負荷中，機房精密空調由于有備用機組，具備一定的容錯能力，因而更適用UPS+儲能的低碳供電模式。UPS+光伏+儲能在數據中心精密空調的應用模式如圖2所示。

圖2 UPS+光伏+儲能在數據中心精密空調的應用

在該模式下，正常運行負荷由市電為精密空調供電，同時由光伏太陽能等新能源為儲能系統充電。在儲能系統充能結束后，可以斷開UPS主路輸入電源，由儲能系統釋能為精密空調供電。由于儲能系統的容量遠大于UPS自帶蓄電池，可提供超過UPS正常后備的供電時間，釋能結束后轉回市電供電，采用此模式可以降低市電用電量，提高低碳能源利用率[3]。

2.3 高壓直流+光伏+儲能應用于數據中心服務器設備

數據中心核心用電負荷是數據機房的IT設備，其余暖通、智能化負荷都是服務于IT設備。為了達到政府采購數據中心的可再生能源使用率在2032年達到100%的要求，光伏+儲能最終勢必要滿足為服務器設備供電的需求。高壓直流供電系統（High Voltage Direct Current，HVDC）+光伏+儲能模式目前已有廠家在西部某實驗室通過實驗，驗證了技術的可行性。HVDC+光伏+儲能在數據中心服務器的應用模式如圖3所示。

圖3 HVDC+光伏+儲能在數據中心服務器的應用

在此模式下，使用光伏太陽能通過DC/DC輸入273 V直流電，市電通過HVDC或10 kV交流輸入的直流不間斷電源系統輸出270 V直流電供給儲能系統，2個直流輸出合路成1路輸出為服務器設備供電。

研究此模式可發現：白天由大規模光伏電源為機柜提供100%供電，并為儲能系統蓄電池充電；夜間由市電HVDC或10 kV交流輸入的直流不間斷電源系統為機柜提供100%供電，并為儲能系統蓄電池充電。當光伏電源和HVDC同時故障或檢修時，由儲能系統供電。該模式滿足服務器設備用電需求并降低市電使用率，從而達到減少碳排放的目的。

3 儲能系統在數據中心的注意要點

數據中心對供電安全性（斷電和火災）的要求很高。針對數據中心的儲能系統蓄電池的放電功率要求高、放電深度要求大、長期處于浮充運行等特點，需要將儲能系統的安全放在第一位，從安全設計、材料選用、管理系統等全方位綜合考慮來保證儲能系統的安全性，以幫助數據中心降低安全風險，提升能源效率[4]。

3.1 儲能系統的安全性

當前數據中心儲能系統常采用電池儲能，蓄電池本質安全十分關鍵。在傳統認識中，鉛酸電池在規避起火爆炸等方面的安全性要優于磷酸鐵鋰電池。隨著電池技術的發展，鋰電池安全可靠性也在逐年提高，并且鋰電池質量輕的特點在儲能系統室外布置時具有一定優勢。

為了保證儲能系統運行的安全可靠，在儲能系統運行時，應將蓄電池連接至智能監控系統，實時監控電池的溫度、容量等狀態，可通過無線信號將相關的數據實時傳輸到監控平臺，以降低儲能系統運行中的安全風險。

對于鋰電池來說，即便是布置于室外，仍需同步配置合適的消防設施來降低火災的風險。

3.2 儲能系統的經濟性

儲能系統需要根據用電負荷的性質和容量合理配置，應避免配置不足，也應規避過量配置，造成投資浪費。

在蓄電池配套選型時，為建筑三級用電負荷供電的儲能系統可選擇鉛酸電池組柜，目前有試點利用電動公交車輪換的舊電池組成的儲能系統應用良好，在一定程度上節約了采購成本。同時舊電池應用也存在一定弊端，為規避風險在選用時需注意采用同一批次、同一型號、內阻接近的蓄電池。

為一級負荷供電的儲能系統應綜合考慮機柜的常用負荷率及后備時間來選擇蓄電池容量，并且需要充分考慮機柜負荷放電功率高的特點來選擇高倍率電池。

3.3 儲能系統的設計合理性

儲能系統在布置時，從防火角度考慮，應按規范要求保持與建筑的距離。按照《電化學儲能電站設計規范》（GB 51048—2014）中防火間距的要求，屋外布置的儲能電池應與耐火等級為甲、乙類及一、二級丙、丁、戊類生產建筑保持12 m的安全間距。

在儲能系統設計時，電纜選型需要考慮直流電纜的敷設條件、載流量核實，應充分考慮到電纜長度、敷設系數對載流量的影響，避免電纜過熱發生事故。直流斷路器選型時應充分考慮上下級的配合，尤其是與下級熔斷器的配合時應保證級差。

儲能系統在室內布置時，應充分考慮到蓄電池充電時釋放出的氣體對環境的影響，因此蓄電池室內電氣設備應為隔爆型，照明開關應布置于室外，室內不能布置普通插座，各電氣設備應良好接地。

4 結 論

“雙碳”背景下的數據中心，需要大力開展新能源、儲能系統技術研發應用，推動使用大容量儲能系統等電源方式替代傳統備用柴油發電機，將新能源與數據中心建設協同聯動，推動數據中心加快低碳發展，從而達到“碳達峰”和“碳中和”的目標。