免费在线卷第1期 Telecom Power Technology Jan. 10,2023,Vol.40 No.1 DOI：i.tpt.2023.01.031 电源与节能技术 “双碳”背景下储能系统在数据中心中的应用 卢学山，张文利 （中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019 ） 摘要： “双碳”背景下的数据中心能源问题值得关注。结合 “双碳”对数据中心提出的更高要求，分析研究了 新能源及储能系统在数据中心的应用，提出了 3 种不同负荷类型的储能应用方案，关注了储能系统在数据中心的注 意要点，并对储能系统的应用进行了展望。 关键词：双碳；储能系统；数据中心 Application of Energy Storage System in Data Center under Dual Carbon Background LU Xueshan, ZHANG Wenli (China Information Consulting and Designing Institute Co., Ltd., Nanjing 210019, China) “ ” Abstract: The energy problem of data center in the context of double carbon deserves attention. Combined with the “ ” higher requirements of double carbon for the data center, this paper analyzes and studies the application of new energy and energy storage system in the data center, puts forward three energy storage application schemes of different load types, pays attention to the key points of energy storage system in the data center, and prospects the application of energy storage system. Keywords: dual carbon; energy storage system; data center 0  引  言 1  多种减排措施的应用 “双碳”是“碳达峰”和“碳中和”的简称。 1.1  太阳能光伏发电 中国在2020 年9 月明确提出了 “双碳”的目标，即 在《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 我国的二氧化碳排放量力争在2030 年前达到峰值， 55015—2021 ）中明确要求：新建建筑应安装太阳能 在2060 年前实现碳中和。为了达到这一目标，需要 系统。在《绿色数据中心政府采购需求标准（试行）》 全社会加快调整优化产业结构、能源结构，大力发展 （征求意见稿）中，要求“现有数据中心使用具有所 新能源，共同推动煤炭消费尽早达峰。 有权的可再生能源使用比例不低于5%，使用比例应 数据中心在全球数字化进程中发挥了重要作用。 逐年增加”。政府采购数据中心的可再生能源使用率 近年来，我国数据中心产业呈现了快速发展的势头， 如表1 要求。 平均每年保持约30% 的增速，预计未来仍将保持快 表1 政府采购数据中心可再生能源使用率 速增长。作为用能大户，在“双碳”背景下的数据中 年份 可再生能源使用率/% 心承担的责任尤为突出。一个常规数据中心园区的用 2023 12 电量常在100 MW 左右，而大型的数据中心园区用电量 2025 30 据统计能达到600 ～800MW，这些用电量已经基本能 2027 50 2030 75 消化一个中型发电厂的发电量。有统计显示，我国数 2032 100 据中心的年用电量已占全社会用电的1% 左右，因此各 按照表1 要求，数据中心政府采购项目需在10 地政府对数据中心的能耗效率提出了更高的要求。对 年内100% 使用可再生能源，并有逐年明确的使用比 于数据中心的关键性能耗指标电源使用效率数据（Power 例时间表。以上标准实际上对于可再生能源在新建数 Usage Effectiveness，PUE），多地政府对于PUE 指标的 据中心的使用比例给出了更严苛、更具体的要求。 要求由PUE ≤ 1.4 降低为PUE ≤ 1.3，在部分经济发达 为了实现“双碳”目标，努力提升绿色能源使用率， 地区更是提出了PUE ≤ 1.25 的能效指标。 研发绿色节能技术，数据中心产业相关企业也已经从 在 “双碳”背景下，如何推动数据中心的节能 多角度上进行相关节能减排的实践。使用不同能源产 减排，来实现数据中心碳减排、碳中和成为多方关注 生的碳排放量也不同，据统计燃煤发电每千瓦时碳排 的线 g ，而光伏太阳能发电每千瓦时碳排放仅 为30 g ，在碳排放上差距显而易见。太阳能系统满足 收稿日期：2022- 11-21 [1] 作者简介：1978 绿色发展的需要，因而愈发受到用户的重视 。 园区级数据中心常利用空余的屋顶面积部署分 96 · · 卢学山，等：“双碳”背景下储能系统在 Telecom Power Technology   2023年1月 10 日第40卷第1期 数据中心中的应用 Jan. 10,2023,Vol.40 No.1 布式光伏或采用光伏一体化幕墙，结合储能技术实现 分发挥削峰填谷作用，协助数据中心节省电费、降低 园区内光伏可再生能源的利用。众所周知，光伏太阳能 能耗；二是作为备用电源为数据中心提供电力保障。 存在着其特有的短板，即受到气候、环境、温度、日照 由此可见，在“双碳”背景下，储能系统应用 等诸多因素的影响，其发电能力会有较大波动。若不辅 于数据中心将成为一种发展趋势。 以大容量储能系统，则其输出电能质量往往不满足用电 2  储能系统+新能源在数据中心的三种应用 负荷连续运行的需要。受此影响，当前阶段配置小型蓄 场景 电池组的光伏发电在数据中心更多是用于辅助办公区 数据中心用电负荷从负荷等级来看，常分为3 的照明、室外景观照明或一些小功率负荷的非连续运行， 类。（1）一级中特别重要负荷：机房模块、运营商 如电缆隧道、电缆沟的排水泵、通风风机等。 机房内网络设备、服务器、存储设备、冷冻水二次泵、 1.2  储能系统 精密空调、安防和控制以及备用照明等。（2 ）一级负荷： 储能系统是指通过媒介存储能量，在需要时再 为IT 设备服务的冷水机组、冷却水泵、冷冻水一次泵、 释放的过程，通常储能主要指的是电力储能。按照能 通风系统、报警设备、排烟风机以及消防水泵等。（3 ） 量储存方式，储能可分为物理储能、电磁储能、化 三级负荷：检修动力、普通照明等 学储能3 类。其中物理储能主要包括抽水蓄能、飞 本节针对数据中心用电负荷的特点，提出3 种 轮储能、压缩空气储能等；电磁储能主要包括超导 应用储能系统解决方案用于数据中心不同场景下的负 储能、超级电容器储能；化学储能主要包括铅酸电 荷用电。 池、锂离子电池、钠硫电池等。目前，在数据中心常 2.1  光伏+储能应用于建筑用电负荷 见的储能方式为电池储能。 建筑用电中三级负荷的特点是不连续、电能质 作为光伏太阳能系统的有效补充，储能系统在 量要求不高，如办公照明、插座、室外道路照明、充 电力系统削峰填谷及补足光伏发电能力不足等方面作 电桩用电等。这些负荷可用光伏+ 储能的方式予以消 用突出。从用电能耗角度来看，光伏发电+ 储能系统 化，不占用园区用电的指标。光伏在白天日照充足的 极为契合绿色发展的需要。储能技术在很大程度上解 时间段为负载供电并对储能系统进行充电，夜间由储 决了新能源发电的随机性、波动性，可以实现新能源 能系统释放供给非连续用电负荷，从而提高光伏的使 发电的平滑输出，能有效调节新能源发电引起的电网 用效率，降低碳排放。 电压、频率及相位的变化，使大规模光伏发电可以便 光伏+ 储能在建筑用电负荷的应用方案如图 1 [2] 捷、可靠地并入常规电网 。 所示。在此方案中，储能系统是核心。储能系统需具 在数据中心适当配置储能系统，储能系统与不 备并网运行与离网运行双模式，利用灵活的模式切换 间断电源装置的结合，能够帮助数据中心进行节能管 来实现调频控制、调峰控制、离网供电、无功控制这 理，而且储能设备还可以与电网进行良好互动、通过 4 种运行功能。 电力需求响应完成削峰填谷电力负荷管理，为数据中 2.2  UPS+光伏+储能应用于数据中心精密空调 心创造收益。储能系统的作用有2 方面，一是可以充 对于数据中心一级负荷中的特别重要负荷，为 交流母线 智能电表 智能电表 智能电表 光伏 光伏 光伏 数据中心 门卫 数据中心 储能系统 建筑用电负荷 建筑用电负荷 储能系统 建筑用电负荷 直流母线 DC/DC 数据中心园区充电桩 数据中心园区照明 图1 光伏+ 储能在建筑用电负荷的应用 97 · ·   2023年1月 10 日第40卷第1期 Telecom Power Technology Jan. 10,2023,Vol.40 No.1 保证供电连续性，需要设置不间断电源（Uninterruptible 保障。此类负荷中，机房精密空调由于有备用机组， Power Supply ，UPS ）装置，为运营商机房、机房精密 具备一定的容错能力，因而更适用UPS+ 储能的低碳 空调、BA 控制和安防设备、应急照明以及冷冻水二 供电模式。UPS+ 光伏+ 储能在数据中心精密空调的 次泵等负荷提供交流220/380 V 50 Hz 的不间断电源 应用模式如图2 所示。 维修旁路 UPS 内部 静态旁路 旁路输入 精密空调等负荷 AC/DC 整流 DC/AC 逆变 主路输入 DC/DC 电源 储能系统 新能源输入 480 V 输出 图2 UPS+ 光伏+ 储能在数据中心精密空调的应用 在该模式下，正常运行负荷由市电为精密空调 研究此模式可发现：白天由大规模光伏电源为 供电，同时由光伏太阳能等新能源为储能系统充电。 机柜提供100% 供电，并为储能系统蓄电池充电；夜 在储能系统充能结束后，可以断开UPS 主路输入电源， 间由市电HVDC 或10 kV 交流输入的直流不间断电源 由储能系统释能为精密空调供电。由于储能系统的容 系统为机柜提供100% 供电，并为储能系统蓄电池充 量远大于UPS 自带蓄电池，可提供超过UPS 正常后 电。当光伏电源和HVDC 同时故障或检修时，由储 备的供电时间，释能结束后转回市电供电，采用此模 能系统供电。该模式满足服务器设备用电需求并降低 [3] 式可以降低市电用电量，提高低碳能源利用率 。 市电使用率，从而达到减少碳排放的目的。 2.3  高压直流+光伏+储能应用于数据中心服务器 3  储能系统在数据中心的注意要点 设备 数据中心对供电安全性（断电和火灾）的要求很 数据中心核心用电负荷是数据机房的IT 设备，其 高。针对数据中心的储能系统蓄电池的放电功率要求高、 余暖通、智能化负荷都是服务于IT 设备。为了达到 放电深度要求大、长期处于浮充运行等特点，需要将 政府采购数据中心的可再生能源使用率在2032 年达到 储能系统的安全放在第一位，从安全设计、材料选用、 100% 的要求，光伏+ 储能最终势必要满足为服务器设 管理系统等全方位综合考虑来保证储能系统的安全性， 备供电的需求。高压直流供电系统（High Voltage Direct [4] 以帮助数据中心降低安全风险，提升能源效率 。 Current，HVDC）+ 光伏+ 储能模式目前已有厂家在西 3.1  储能系统的安全性 部某实验室通过实验，验证了技术的可行性。HVDC+ 当前数据中心储能系统常采用电池储能，蓄电池本 光伏+ 储能在数据中心服务器的应用模式如图3 所示。 质安全十分关键。在传统认识中，铅酸电池在规避起火 爆炸等方面的安全性要优于磷酸铁锂电池。随着电池技 术的发展，锂电池安全可靠性也在逐年提高，并且锂电 DC/DC 电源 服务器 273 V 输出 新能源输入 池质量轻的特点在储能系统室外布置时具有一定优势。 为了保证储能系统运行的安全可靠，在储能系 市电输入 高压直流系统 统运行时，应将蓄电池连接至智能监控系统，实时监 270 V 输出 控电池的温度、容量等状态，可通过无线信号将相关 储能系统 的数据实时传输到监控平台，以降低储能系统运行中 的安全风险。 图3 HVDC+ 光伏+ 储能在数据中心服务器的应用 对于锂电池来说，即便是布置于室外，仍需同 在此模式下，使用光伏太阳能通过DC/DC 输入 步配置合适的消防设施来降低火灾的风险。 273 V 直流电，市电通过HVDC 或10 kV 交流输入的 3.2  储能系统的经济性 直流不间断电源系统输出270 V 直流电供给储能系统， 储能系统需要根据用电负荷的性质和容量合理 2 个直流输出合路成1 路输出为服务器设备供电。 配置，应避免配置不足，也应规避过量配置，造成投 98 · · 卢学山，等：“双碳”背景下储能系统在 Telecom Power Technology   2023年1月 10 日第40卷第1期 数据中心中的应用 Jan. 10,2023,Vol.40 No.1 资浪费。 电气设备应为隔爆型，照明开关应布置于室外，室内 在蓄电池配套选型时，为建筑三级用电负荷供 不能布置普通插座，各电气设备应良好接地。 电的储能系统可选择铅酸电池组柜，目前有试点利用 4  结  论 电动公交车轮换的旧电池组成的储能系统应用良好， 在一定程度上节约了采购成本。同时旧电池应用也存 “双碳”背景下的数据中心，需要大力开展新 在一定弊端，为规避风险在选用时需注意采用同一批 能源、储能系统技术研发应用，推动使用大容量储能 次、同一型号、内阻接近的蓄电池。 系统等电源方式替代传统备用柴油发电机，将新能源 为一级负荷供电的储能系统应综合考虑机柜的常 与数据中心建设协同联动，推动数据中心加快低碳发 用负荷率及后备时间来选择蓄电池容量，并且需要充分 展，从而达到“碳达峰”和“碳中和”的目标。 考虑机柜负荷放电功率高的特点来选择高倍率电池。 参考文献： 3.3  储能系统的设计合理性 [1] 徐 坚 . 储能系统在数据中心的应用 [J]. 通信电 储能系统在布置时，从防火角度考虑，应按规 源技术，2018 ，35（10） ：103-105. 范要求保持与建筑的距离。按照《电化学储能电站设 [2] 中 华 人 民 共 和 国 住 房 和 城 乡 建 设 部， 中 华 计规范》（GB 51048—2014 ）中防火间距的要求，屋 人 民 共 和 国 国 家 质 量 监 督 检 查 检 验 检 疫 总 外布置的储能电池应与耐火等级为甲、乙类及一、二 局 . 数 据 中 心 设 计 规 范：GB 50174—2017[S]. 级丙、丁、戊类生产建筑保持12 m 的安全间距。 北京：中国计划出版社，2017. 在储能系统设计时，电缆选型需要考虑直流电 [3] 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家市场 监督管理总局 . 建筑节能与可再生能源利用通 缆的敷设条件、载流量核实，应充分考虑到电缆长度、 用规范：GB 55015—2021[S]. 北京：中国建筑 敷设系数对载流量的影响，避免电缆过热发生事故。 出版社，2021. 直流断路器选型时应充分考虑上下级的配合，尤其是 [4] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人 与下级熔断器的配合时应保证级差。 民共和国国家质量监督检查检验检疫总局 . 电 储能系统在室内布置时，应充分考虑到蓄电池 化学储能电站设计规范：GB 51048—2014[S]. 充电时释放出的气体对环境的影响，因此蓄电池室内 北京：中国计划出版社，2014. （上接第95 页） 5 V 供电，不需要额外提供基准电源。芯片完成一次 参考文献： 转换需128 μs ，其转换速度和转换精度满足开关电 [1] 刘喜甫，刘志忠 .UCC3802 在实验稳压电源中 源的测量精度要求。 的应用 [C]// 中国电源新技术及应用研讨会， 4.8  显

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