數(shù)據(jù)中心 + 儲(chǔ)能，微軟谷歌都在下場(chǎng)做的一件事

文 | 張丞

編輯 | 石亞瓊

(相關(guān)資料圖)

封面來(lái)源｜IC photo

2023 年 2 月，微軟公司的 Christoph Mazur 博士在歐盟儲(chǔ)能峰會(huì)上表示，" 微軟認(rèn)為都柏林?jǐn)?shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能型 UPS 的項(xiàng)目完全可以被應(yīng)用在其他數(shù)據(jù)中心。" 2022 年 7 月，微軟公司愛爾蘭都柏林?jǐn)?shù)據(jù)中心開始使用鋰電池來(lái)作為備用電源，替代了鉛酸電池和柴油發(fā)電機(jī)。

顯然，如今微軟對(duì)擴(kuò)大數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍的信心更加充足。

無(wú)獨(dú)有偶，2022 年 4 月，谷歌宣布在比利時(shí) Saint-Ghislain 的數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能項(xiàng)目也取得了進(jìn)展。谷歌認(rèn)為這將幫助比利時(shí)實(shí)現(xiàn)清潔能源的發(fā)展目標(biāo)，同時(shí)這也展示了谷歌未來(lái)在全球數(shù)據(jù)中心推廣應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)的潛力。

數(shù)據(jù)中心的能耗開支過(guò)高一直是令國(guó)內(nèi)外互聯(lián)網(wǎng)巨頭們頭疼的問(wèn)題。而數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能將有望降低數(shù)據(jù)中心的購(gòu)電成本、提高數(shù)據(jù)中心對(duì)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(lái)很大的好處，也將成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)和能源行業(yè)協(xié)同發(fā)展的范例。

儲(chǔ)能為數(shù)據(jù)中心帶來(lái)的三個(gè)價(jià)值

儲(chǔ)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(lái)增量收益。

在分析這三個(gè)價(jià)值點(diǎn)之前，我們需要明白當(dāng)前數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能獲取收益的前提條件和基礎(chǔ)是什么。

數(shù)據(jù)中心本身就會(huì)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(guò)去通常是用鉛酸電池作為電源，現(xiàn)在鋰電池已經(jīng)對(duì)鉛酸電源形成了替代趨勢(shì)。

鋰電池循環(huán)次數(shù)更高、壽命更長(zhǎng)、單位體積能量密度更高。數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。

下面我們來(lái)看數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)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(yīng)急電源與常用電源。一方面，儲(chǔ)能可以替代柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行應(yīng)急供電。另一方面，儲(chǔ)能能夠成為數(shù)據(jù)中心主供電源的來(lái)源之一。

降低能耗層面，通過(guò)配置儲(chǔ)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(chǔ)能高峰放電，可以降低數(shù)據(jù)中心的電費(fèi)支出和能源浪費(fèi)，最終減少碳排放。

在高峰需求期間減少數(shù)據(jù)中心負(fù)荷可以降低容量費(fèi)用 來(lái)源：施耐德

施耐德在發(fā)表的一篇白皮書中提到儲(chǔ)能型 UPS 能以非常規(guī)則的方式調(diào)節(jié)電網(wǎng)所測(cè)量到的負(fù)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(chǔ)存好的電量，避免在用電高峰期支付高價(jià)電費(fèi)，降低容量費(fèi)用。

此外，儲(chǔ)能還能為數(shù)據(jù)中心帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)收益。因?yàn)閿?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(chǎng)輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。

這種基于鋰電池的儲(chǔ)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(wù)市場(chǎng)來(lái)獲取收益，降低數(shù)據(jù)中心的用電成本。微軟的都柏林?jǐn)?shù)據(jù)中心就參與了愛爾蘭電網(wǎng)的調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)。

谷歌比利時(shí)的數(shù)據(jù)中心配備了 5.5MWh 的鋰電池儲(chǔ)能，其中的 2.75MWh 將用于優(yōu)化比利時(shí)電網(wǎng)的需求響應(yīng)計(jì)劃，儲(chǔ)能系統(tǒng)還將與其他分布式能源實(shí)現(xiàn)整合。該儲(chǔ)能項(xiàng)目的支持方為 Fluence，儲(chǔ)能系統(tǒng)是基于 Fluence 公司的第六代 Gridstack 模塊化儲(chǔ)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(lǐng)域內(nèi)推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，特別是當(dāng)這種技術(shù)創(chuàng)新能帶來(lái)運(yùn)營(yíng)之外的效益時(shí)，" 谷歌數(shù)據(jù)中心能源和基礎(chǔ)設(shè)施的高級(jí)負(fù)責(zé)人 Marc Oman 曾表示，" 新的儲(chǔ)能項(xiàng)目就是一個(gè)很好的例子：它不僅能讓谷歌數(shù)據(jù)中心在電力中斷時(shí)能更清潔地運(yùn)行，而且通過(guò)我們的儲(chǔ)能項(xiàng)目將幫助比利時(shí)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)頻，保持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。"

數(shù)字經(jīng)濟(jì)能耗大戶的配儲(chǔ)之路

數(shù)據(jù)中心是數(shù)字經(jīng)濟(jì)中最重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施之一，但同時(shí)也是用電大戶。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)，2021 年全國(guó)數(shù)據(jù)中心耗電量達(dá) 2166 億度，約占全國(guó)總耗電量的 2.6%；碳排放量 1.35 億噸，占全國(guó)總排放量的 1.14%。

而 2021 年三峽電站累計(jì)發(fā)電 1036.49 億千瓦時(shí)。這意味著全國(guó)數(shù)據(jù)中心的用電量相當(dāng)于兩個(gè)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(lái)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(jì)發(fā)展制約的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能將成為解決該問(wèn)題的一把鑰匙。

數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能途徑目前主要以儲(chǔ)能型 UPS 為主。儲(chǔ)能型 UPS 同時(shí)具備電化學(xué)儲(chǔ)能功能和數(shù)據(jù)中心 UPS 功能，既能實(shí)現(xiàn) UPS 原有的備用電源應(yīng)急供電功能，也能通過(guò)挖掘電池儲(chǔ)能潛力來(lái)獲取更多收益。

儲(chǔ)能型 UPS 可以降低數(shù)據(jù)中心能耗水平，同時(shí)提高能量管理的智能化水平。國(guó)內(nèi)如科士達(dá)、科華數(shù)能等企業(yè)均在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域推出了儲(chǔ)能型 UPS 相關(guān)產(chǎn)品。

科士達(dá)新能源產(chǎn)品總監(jiān)黎志榮向數(shù)字時(shí)氪表示如何活用數(shù)據(jù)中心里的儲(chǔ)能電池是非常關(guān)鍵的。" 數(shù)據(jù)中心本身就具備大容量電池，是理想的儲(chǔ)能提供方。數(shù)據(jù)中心一方面可以通過(guò)容量租賃獲取額外收益，還可以通過(guò)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)獲取更多收益。"

在黎志榮看來(lái)，未來(lái)數(shù)據(jù)中心的 UPS 要實(shí)現(xiàn)雙向的工作模式，提供類似儲(chǔ)能變流器的功能。" 科士達(dá)已經(jīng)在研究如何將 UPS 和 PCS 結(jié)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(guò)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(lái)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(cè)，實(shí)現(xiàn)給電網(wǎng)供電的功能。"

儲(chǔ)能系統(tǒng)將是數(shù)據(jù)中心供配電的一部分。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)占據(jù)一定空間，必然會(huì)牽扯到整個(gè)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(chǔ)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(shù)復(fù)雜，通常會(huì)涉及多個(gè)不同系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。因此黎志榮認(rèn)為未來(lái)數(shù)據(jù)中心還需要能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的能量管理。

數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能如何降低運(yùn)行成本、提高電力交易收益

數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)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(diǎn)。一方面要考慮到電力市場(chǎng)交易的需求，另一方面儲(chǔ)能系統(tǒng)還要結(jié)合數(shù)據(jù)中心可以在時(shí)間上推后處理計(jì)算任務(wù)、空間上將計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移至別處數(shù)據(jù)中心處理的特點(diǎn)。

在考慮電力市場(chǎng)交易時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)度控制需要考慮數(shù)據(jù)中心的冗余設(shè)計(jì)和儲(chǔ)能參與電力輔助服務(wù)市場(chǎng)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(gòu)，提出了一種數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能提供頻率服務(wù)的收益優(yōu)化框架，找到數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)交易的最優(yōu)投標(biāo)容量和實(shí)時(shí)操作 [ 1 ] 。

結(jié)合數(shù)據(jù)中心自身工作特點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)中心運(yùn)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(duì)自身的工作任務(wù)、電力負(fù)荷進(jìn)行時(shí)間上和空間上的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，從而可以協(xié)同儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)中心購(gòu)電成本進(jìn)行削減以及降低負(fù)荷峰谷差，未來(lái)甚至可能參與電力市場(chǎng)輔助服務(wù)獲取收益。

數(shù)據(jù)中心工作任務(wù)可分為延遲敏感型和延遲容忍型兩大類。網(wǎng)絡(luò)交易、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等用戶服務(wù)請(qǐng)求就是典型的延遲敏感型工作。而圖像處理、計(jì)算處理等需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算的用戶請(qǐng)求就屬于延遲容忍型工作任務(wù)。

延遲敏感型工作可以進(jìn)行空間調(diào)度操作，即從一個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)中心調(diào)度至另一個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)中心。延遲容忍型任務(wù)則可以進(jìn)行時(shí)間調(diào)度操作。

基于工作負(fù)載時(shí)空靈活性的電力負(fù)荷調(diào)節(jié) 來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng) [ 2 ]

2022 年 5 月，阿里巴巴與華北電力大學(xué)合作開展的可再生能源消納驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)中心 " 算力 - 電力 " 優(yōu)化調(diào)度項(xiàng)目以試運(yùn)行方式參與了華北電力調(diào)峰輔助服務(wù)市場(chǎng)。

在電力系統(tǒng)調(diào)峰信號(hào)的引導(dǎo)下，阿里巴巴位于江蘇省南通數(shù)據(jù)中心的部分算力負(fù)載轉(zhuǎn)移到了河北省張北數(shù)據(jù)中心繼續(xù)運(yùn)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(jìn)可再生能源消納為目標(biāo)的第一次協(xié)同調(diào)度，也是國(guó)內(nèi)首次跨區(qū)域 " 算力 - 電力 " 優(yōu)化調(diào)度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

此外，由于數(shù)據(jù)中心工作任務(wù)處理的實(shí)時(shí)性要求很高，因此選擇更具有實(shí)時(shí)性的高效優(yōu)化方法也非常重要。可以解耦多時(shí)段的馬爾可夫決策過(guò)程方法 MDP 和可以加快計(jì)算收斂、降低求解復(fù)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(chǔ)能系統(tǒng)參與電力市場(chǎng)交易是更值得關(guān)注的領(lǐng)域。

周鈺等人以惠州某數(shù)據(jù)中心 （規(guī)劃萬(wàn)臺(tái)機(jī)柜） 項(xiàng)目為例，針對(duì)數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能的運(yùn)行模式及設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究。該數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)能項(xiàng)目擬規(guī)劃規(guī)模為 90 MW/180 MWh。

經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)測(cè)算，儲(chǔ)能系統(tǒng)為數(shù)據(jù)中心提供不間斷備用電源之外，同時(shí)參與電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和緊急備用服務(wù)，獲取電力市場(chǎng)輔助服務(wù)收益。項(xiàng)目?jī)?nèi)部收益率 8.3%，動(dòng)態(tài)回收期 7.05 年 [ 4 ] 。

某數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)參與輔助服務(wù)收益情況 來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng) [ 4 ]

目前數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)交易方面尚未推出明確、完善的政策機(jī)制。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的各類電力交易市場(chǎng)鮮有考慮數(shù)據(jù)中心作為第三方市場(chǎng)參與電力市場(chǎng)交易的規(guī)則和方案。數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)也在關(guān)注期待這一類政策的落地。

綜合來(lái)看，在考慮配置儲(chǔ)能的情況下，數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商需要根據(jù)實(shí)現(xiàn)最小運(yùn)行成本和最佳峰谷套利策略的目標(biāo)制定調(diào)度計(jì)劃，同時(shí)還要考慮日內(nèi)電力交易的實(shí)時(shí)性和不確定性，綜合運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)幫助數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)降低能耗、提升收益的目標(biāo)。

展望

數(shù)據(jù)中心 + 儲(chǔ)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(shí)還可以充分利用儲(chǔ)能電池資源進(jìn)行峰谷價(jià)差套利以及參與電力輔助服務(wù)獲取收益，能夠降低數(shù)據(jù)中心電費(fèi)開支，提高整個(gè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。

數(shù)據(jù)中心和儲(chǔ)能將成為算力、電力融合發(fā)展的典型代表。未來(lái)，數(shù)字經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)設(shè)施將更好地與新型電力系統(tǒng)協(xié)同互動(dòng)，形成支持源網(wǎng)荷儲(chǔ)良性運(yùn)行的重要力量。

參考文獻(xiàn)：

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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(jī)遇與挑戰(zhàn) [ J ] . 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) ,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(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行方法 [ J/OL ] . 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù) :1-12 [ 2023-04-27 ]

4. 周鈺 , 郝為瀚 . 面向數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用研究 [ J ] . 南方能源建設(shè) ,2021,8 ( 03 ) :58-62

5. 施耐德

6. Energy storage news

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