数据中心储能供电技术应用探讨

刘继亮，张 瑜，陈雪梅

（中国移动通信集团设计院信息能源所，北京 100080）

0 引 言

数据中心基础设施通常会配备不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、柴油发电机组等设备来应对电网故障、供配电系统故障及短时电力短缺的极端状况。但是，随着电力网络稳定性的提高，数据中心柴油发电机组启用次数较少、时间较短，设备的资产利用效率较低。同时，UPS 系统后备蓄电池长时间处于浮充状态，其使用寿命会缩短，相关维护成本居高不下。我国的风能、太阳能等可再生能源发电装备的制造技术和制造能力已经非常成熟，技术水平国际领先[1]。为响应国家的双碳政策，越来越多的分布式新能源在数据中心中投入运行。同时，随着电化学储能技术安全性的提高及其成本的持续降低，可以用于储存不稳定的分布式新能源。目前，储能型供电系统逐渐成为数据中心供电中的首选方案。

1 储能形式

目前，行业内的储能形式各种各样，按照它们的大体类型，主要可以分为机械类（压缩空气储能、飞轮储能、抽水蓄能等）、电化学类（钠离子电池、锂离子电池、液流电池、镁空电池等）、化学类（氢气、甲醇等燃料电池）、热储能及电气类（超级电容器储能、超导储能等）。目前，全球各储能方式装机容量占比如图1 所示。

图1 各储能方式装机容量占比

由图1 可知，抽水蓄能方式在我国占据储能行业的主导地位。但是其投资高占地面积大、效率低，项目建设时还需要满足地理条件的要求，因此抽水蓄能储能方式不适用于数据中心项目。

数据中心应用的储能方式主要包括电化学储能、化学储能（氢储能）和热储能等。氢储能形式在容量上远大于电化学储能，且其充放电次数几乎不会影响寿命，但其转化效率低。热储能规模小，成本高，循环效率低，运维费用高。电化学储能具有效率高、响应速度快、运维方便等优势，是目前数据中心的首选。

数据中心电化学储能在组成方式与电池选择类型方面比较灵活。组成方式分为采用大容量集中式、小容量分布式或大容量集中式与小容量分布式相结合的形式；电池类型包括锂电池、磷酸铁锂电池、铅酸电池以及铅炭电池等。

2 储能供电系统

2.1 储能供电系统概述

储能供电系统可以在用电设备忙时提供电能，用电设备闲时存储电能，具有对发电侧调频调压、并网时平滑过渡、经济上达到削峰填谷等功能，使太阳能、风能等分布式新能源发电平滑输出，降低发电系统的随机性、间歇性、波动性，以此来减少对电网和用户的恶性冲击。当电网断电、救援行动等突发事故发生时，该储能供电系统可以在短时间内进行孤岛运行，保证对重要用户进行不间断供电。同时，用户可以通过监控系统对蓄电池组充放电过程进行实时监控和管理，在市电用电低谷时段为蓄电池组充电，在市电用电高峰时主动释放蓄电池组储存的电能，以满足数据中心用电需求，进而促进电网错峰供电，降低供电系统的峰谷差，节电减排。目前，数据中心建设中常用的储能供电系统解决方案主要如下。

2.2 储能供电系统接入低压侧方案

储能供电系统接入低压侧解决方案主要由储能变流器（Power Conversion System，PCS）和UPS 或高压直流输电（High Voltage Direct Current transmission，HVDC）相结合的方式实现。利用联结在电池系统和电网或负荷中间的PCS 设备，可以进行能量的双向变换。PCS 通过调节蓄电池的充电和放电过程，实现能量交直流的转换，在非供电状态下也可向交流负载供电，保证数据中心核心信息技术（Information Technology，IT）负载不间断供电。储能系统接入低压侧系统架构如图2 所示。

图2 储能系统接入低压侧系统架构

该方案与传统数据中心供电系统架构相似，在满足数据中心IT 负载备电的需求下，通过配置大容量储能电池，获取额外的经济回报。同时，由于方案配置的储能电池容量远超过IT 设备本身备电需求容量，当市电稳定且供电系统备电要求不高的情况下，可进一步精简方案。

2.3 储能供电系统接入10 kV 中压侧解决方案

储能供电系统接入10 kV 中压侧解决方案如图3所示。

图3 储能系统接入10 kV 中压侧系统架构

从图3 可以看出，储能供电系统接入10 kV 中压侧的方案保留了原有数据中心IT 负载不间断电源系统备用电池，在10 kV侧利用储能供电系统作为应急电源。储能供电系统作为数据中心的主要应急电源，能够大幅改善数据中心整个供电系统的可靠性和稳定性，同时系统可参与电力市场服务，提供应急备用电源的同时赚取额外运营收益。系统在特定的场景下，可在规定时间内恢数据中心电供电，替代市电备用回路或部分柴油发电机系统，该方案可较大程度地节省投资和提高经济效益，适合在已经投运的数据中心进行试点运行。

2.4 新能源+储能供电系统接入10 kV 中压侧解决方案

新能源+储能供电系统接入10 kV 中压侧解决方案如图4 所示。

图4 储能系统+新能源系统架构

新能源和储能供电系统相结合接入10 kV 供配电系统是目前储能供电系统的核心应用之一。由于新能源如风能、光伏太阳能等电力存在不稳定、不集中等特点，直接用于用户负荷时经常会出现电力不足或电力不稳定等情况，但通过储能+新能源的方式，可以很好地解决这些问题。该储能系统先将新能源的电能储存到储能系统，再由储能系统统一供电，弥补了新能源的缺陷。同时，结合新能源能量管理系统的合理算法和决策，可以实现新能源的最大功率发电和储能系统的合理时段充电、放电，进而提高数据中心的新能源利用率，降低数据中心运营成本。

2.5 方案的比较与选择

设备是换流器，通过换流器控制实现能量双向传递。它的功能主要包括2 点。一方面，将新能源和储能电池输出的能量转化为交流电与市电并网供给。另一方面，当新能源无法输出而储能电池能量不足时，换流器还可将市电转换为直流电对储能电池进行充电[2-3]。

储能供电系统接入低压侧解决方案与储能供电系统接入10 kV 中压侧解决方案的优点为电能可以直接供给负载，系统减少能量转换过程中的能量损耗，提高系统电能利用率，缺点为2 种供电系统解决方案对电网适应性、功率控制、安全与环境控制有较高要求。具体为：储能供电系统方案要保证供电系统频率，当并网点处的频率低于49.5 Hz 时，系统应停止充电；当并网点处的频率高于50.2 Hz 时，系统应停止放电。为满足上述并网需求，系统需要在用户侧配置自动低频减负荷装置，优先响应负荷切除指令，将储能供电系统快速切换至放电状态。

新能源+储能供电系统接入10 kV 中压侧方案的优点是通过新能源能量管理系统的合理算法与决策，实现新能源的最大功率发电，供电系统在合理的时段进行充放电支撑，从而提高数据中心新能源的使用效率，实现数据中心的节能降碳[4]。

通过比较上述3 种解决方案，发现新能源+储能供电系统接入10 kV 中压侧解决方案的特点更为突出。

目前在新能源发电趋势中，光伏发电技术处于热门且领先位置，光伏储能供电系统并网的接纳范围要求如下：当光伏发电容量达到400 ～6 000 kW 时，可接入10 kV；达到6 000 ～20 000 kW 时，可接入35 kV。光伏储能供电系统中光伏板白天吸收太阳能转化为电能，同时储能设备会将这些电能储存起来，晚上再将储存起来的电能转换成交流电释放出来供给用电设备。在1 d循环周期内，太阳的辐射会不停变化，导致光伏板的电能输出会随之变化。负载的用电负荷需求相对稳定，导致光伏板的电能输出与负荷需求之间存在一定的差异，天气变化的不可预料性会导致光伏板接输出的波动性。

通过使用光伏+储能供电系统的能量缓冲可以使系统在发生不稳定输入波动的情况下，输出的电能仍然能够维持在稳定的水平，为数据中心的供电提供坚实的后盾。

3 储能供电系统的作用

3.1 作为应急备用电源

储能供电系统具备大容量的特点，在电力系统出现故障或发生突发事件导致系统市电缺失情况下发挥重大作用。储能供电系统在平时进行储能，在紧急情况下提供电力支持，科学的储能、供电形式应用于数据中心的应急备用电源，一定情况下替代传统数据中心架构中的UPS 备用电池。

3.2 电力负荷调节

在电力配电系统中，用电负荷会随着时间而发生变化。通常白天是电力负荷高峰期，晚上是电力负荷低谷时间段，储能供电系统通过在负荷低谷时储能，在负荷高峰时释放供电来平衡电力系统的负荷峰值，起到削峰填谷的作用。

3.3 提高投资收益

储能供电系统通过参与电力市场调频、备用和峰谷等交易，为电力市场提供灵活的调度能力。数据中心储能供电系统以削峰填谷为主盈利模式，充分利用储能电池装置，在电网用电高峰时段由储能系统供电，从而分担电网负荷，在用电低谷时段，通过储能系统的充电，促进发电与用电的平衡，实现削峰填谷的效果[5]。

4 结 论

储能供电技术在数据中心不断普及，通过调节用电负荷、增加投资运营等方法，逐步替代传统电源系统。文章通过对储能供电技术的前景分析，了解了未来储能供电的具体方向。通过对比不同的储能供电系统方案，找到了目前最佳的选择。储能供电技术不仅对提升能效有显著作用，而且对于降低碳排放有明显的效果。随着储能供电系统成本的不断下降，数据中心储能产品也会得到大力发展，数据中心储能会有越来越广阔的应用前景。