基于大容量儲能接入的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)架構(gòu)研究

張仁玉，朱發(fā)熙

（中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

數(shù)據(jù)中心屬于能耗密集型行業(yè)，其用電量連續(xù)十幾年保持兩位數(shù)增長，預(yù)計到2025年將占社會總用電量的4%[1-3]。近幾年新建的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)通過各種節(jié)能方式降低能源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），提高數(shù)據(jù)中心的用能效率，但在整個數(shù)據(jù)中心的運營周期內(nèi)，電費支出仍占總運營成本的90%左右[4]。因此有必要開展數(shù)據(jù)中心和儲能結(jié)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(guī)模儲能參與電力輔助服務(wù)市場，協(xié)助大量新能源接入后的電網(wǎng)解決調(diào)峰、調(diào)頻等難題。目前儲能和數(shù)據(jù)中心結(jié)合的研究有利用數(shù)據(jù)中心給不間斷電源配置的應(yīng)急蓄電池兼做儲能的方案[5,6]，也有單配置儲能電池并結(jié)合光伏的方案[7,8]。但這些研究都集中在低壓側(cè)（0.4 kV），一則容量相對較小，儲能系統(tǒng)備電時間太短，一般只有15 min，不容易出效益，二則儲能系統(tǒng)的接入點過于分散，控制比較復(fù)雜，給運營調(diào)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(tǒng)和數(shù)據(jù)中心結(jié)合的新方案，即儲能系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)高壓側(cè)（10 kV），這樣不僅可以提高數(shù)據(jù)中心供電安全可靠性，還可以將儲能系統(tǒng)規(guī)模做大，減少充放、電過程電源切換點，降低系統(tǒng)調(diào)度的難度。

1 備用電源方案分析

根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》的要求，A級數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源保障，并需要設(shè)置備用電源。備用電源可以采用柴油發(fā)電機組，也可采用供電網(wǎng)絡(luò)中獨立于正常電源的專用饋電線路。目前數(shù)據(jù)中心采用柴油發(fā)電機組方案的客戶接受度更高，因此其成為大部分數(shù)據(jù)中心后備電源的選擇。

國內(nèi)電網(wǎng)的可靠性很高，發(fā)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(shù)據(jù)中心配置的柴油發(fā)電機組成為“擺設(shè)”，造成投資閑置，另外，為了確保柴油發(fā)電機組在關(guān)鍵時刻能夠起到作用，機組及其配套系統(tǒng)需要定期測試，運維成本高昂。而電網(wǎng)是一個大系統(tǒng)，負荷突加突減時更穩(wěn)定，也不存在類似柴發(fā)并機不成功的風(fēng)險、運維簡單以及對環(huán)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(fā)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(tǒng)方案

2.1 儲能系統(tǒng)設(shè)計

每套10 kV儲能系統(tǒng)由8個儲能電池預(yù)制艙組成，電池艙輸出的直流經(jīng)過PCS轉(zhuǎn)換成交流，再經(jīng)過變壓器升壓至10 kV，單套10 kV儲能系統(tǒng)的容量為10.08 MW（2.2 MWh），其主接線如圖1所示。每個電池預(yù)制艙內(nèi)設(shè)置10簇電池，分為兩組，每組電池采用5簇電池經(jīng)匯流柜匯流后接入PCS直流側(cè)，每臺電池預(yù)制艙內(nèi)設(shè)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(guān)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(tǒng)主接線

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

圖2 單套電池預(yù)制倉系統(tǒng)接線

2.2 新能源接入設(shè)計

電池預(yù)制倉布置在室外太陽能充分的位置，每個預(yù)制倉頂上布置光伏電板，光伏系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)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(tǒng)不處于放電過程，就對儲能電池進行充電，將相應(yīng)的電能儲存到儲能電池內(nèi)，這樣就避免了光伏系統(tǒng)發(fā)電功率不穩(wěn)定對負載產(chǎn)生影響。新能源接入系統(tǒng)示意詳見圖3所示。

圖3 新能源接入系統(tǒng)示意

3 供電系統(tǒng)架構(gòu)分析

3.1 供電系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

以10 000 kVA的供電系統(tǒng)為對象建模，一套基于大容量儲能的供電系統(tǒng)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(tǒng)組成，其供電系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。相比于常規(guī)的三路市電組成的A級機房供電系統(tǒng)，本文提出的供電系統(tǒng)架構(gòu)多出了一路10 kV的儲能接入。10 kV儲能系統(tǒng)的接入點設(shè)置在第三路市電所在的母線處，儲能系統(tǒng)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(tǒng)架構(gòu)

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(lián)開關(guān)（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(tǒng)正常供電時供電示意

當電價處于“谷”階段時，儲能設(shè)備開始充電，數(shù)據(jù)中心的負載由市電1和市電2保障，市電3給儲能設(shè)備充電，供電示意如圖6，由圖6可見，數(shù)據(jù)中心的正常供電和儲能設(shè)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(shè)備充電過程中市電1和市電2有1路出現(xiàn)故障，通過母聯(lián)開關(guān)（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(jié)束，由市電3保障全部負載。

圖6 儲能系統(tǒng)充電時供電示意

當電價處于“峰”階段時，儲能設(shè)備開始放電，電源切換系統(tǒng)先斷開市電1的QF1開關(guān)和市電2的QF2開關(guān)，然后合市電3的QF6開關(guān)和儲能的QF7開關(guān)，儲能和市電3同期運行，保障全部負載，儲能設(shè)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(tǒng)放電結(jié)束后，先斷開市電3的QF6開關(guān)和儲能的QF7開關(guān)，然后合開市電1的QF1開關(guān)和市電2的QF2開關(guān)，供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)為儲能不參與運行時的運行狀態(tài)，各種工況下供電系統(tǒng)中的斷路器運行控制邏輯詳見表2。

表2 運行邏輯關(guān)系表

4 結(jié) 論

本文提出數(shù)據(jù)中心和儲能系統(tǒng)結(jié)合的方案技術(shù)上是可行的，實現(xiàn)起來也簡單方便。對數(shù)據(jù)中心本身而言，供電系統(tǒng)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(chǔ)上增加了一路儲能接入的保障。對儲能系統(tǒng)而言，系統(tǒng)容量可以做大，這樣能夠產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)，同時也可以降低運維難度。