基于大容量储能接入的数据中心供电系统架构研究

张仁玉，朱发熙

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

数据中心属于能耗密集型行业，其用电量连续十几年保持两位数增长，预计到2025年将占社会总用电量的4%[1-3]。近几年新建的数据中心已经通过各种节能方式降低能源利用效率（Power Usage Effectiveness，PUE），提高数据中心的用能效率，但在整个数据中心的运营周期内，电费支出仍占总运营成本的90%左右[4]。因此有必要开展数据中心和储能结合的研究，一方面可以借助峰谷电价差降低总电费支出，另外也可以通过大规模储能参与电力辅助服务市场，协助大量新能源接入后的电网解决调峰、调频等难题。目前储能和数据中心结合的研究有利用数据中心给不间断电源配置的应急蓄电池兼做储能的方案[5,6]，也有单配置储能电池并结合光伏的方案[7,8]。但这些研究都集中在低压侧（0.4 kV），一则容量相对较小，储能系统备电时间太短，一般只有15 min，不容易出效益，二则储能系统的接入点过于分散，控制比较复杂，给运营调度带来很大的困难，因此总体效果不明显。本文提出一种储能系统和数据中心结合的新方案，即储能系统通过储能变流器（Power Cincersion Systent，PCS）和电力变压器将接入电压提升到10 kV，然后直接接入到数据中心供电系统高压侧（10 kV），这样不仅可以提高数据中心供电安全可靠性，还可以将储能系统规模做大，减少充放、电过程电源切换点，降低系统调度的难度。

1 备用电源方案分析

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》的要求，A级数据中心应由双重电源保障，并需要设置备用电源。备用电源可以采用柴油发电机组，也可采用供电网络中独立于正常电源的专用馈电线路。目前数据中心采用柴油发电机组方案的客户接受度更高，因此其成为大部分数据中心后备电源的选择。

国内电网的可靠性很高，发生互为备用的两路市电均断电的情况很小，因而造成大部分数据中心配置的柴油发电机组成为“摆设”，造成投资闲置，另外，为了确保柴油发电机组在关键时刻能够起到作用，机组及其配套系统需要定期测试，运维成本高昂。而电网是一个大系统，负荷突加突减时更稳定，也不存在类似柴发并机不成功的风险、运维简单以及对环境无有害排放，因此第三路市电方案作为备用电源是一个更合适的选择，特别是在第三路市电前端电源点比较近的场合柴油发电机组同第三路市电对比分析见表1。

表1 备用电源方案对比分析

2 储能系统方案

2.1 储能系统设计

每套10 kV储能系统由8个储能电池预制舱组成，电池舱输出的直流经过PCS转换成交流，再经过变压器升压至10 kV，单套10 kV储能系统的容量为10.08 MW（2.2 MWh），其主接线如图1所示。每个电池预制舱内设置10簇电池，分为两组，每组电池采用5簇电池经汇流柜汇流后接入PCS直流侧，每台电池预制舱内设置2台汇流柜，汇流柜直流输出采用分支断路器加总负荷开关的方式。电池采用安全性能高、寿命长以及高温性能好的磷酸铁锂电池，电芯容量为250 Ah，单体电压为3.2 V。

图1 10 kV储能系统主接线

每1台预制仓对应2台630 kW的PCS，单台预制仓的容量为1.26 MW，电池预制仓系统接线详见图2。

图2 单套电池预制仓系统接线

2.2 新能源接入设计

电池预制仓布置在室外太阳能充分的位置，每个预制仓顶上布置光伏电板，光伏系统发的电并不单独给负载供电，而是接入到PCS的直流母线，如果储能系统处于放电过程，就和储能电池一起给负载供电，如果储能系统不处于放电过程，就对储能电池进行充电，将相应的电能储存到储能电池内，这样就避免了光伏系统发电功率不稳定对负载产生影响。新能源接入系统示意详见图3所示。

图3 新能源接入系统示意

3 供电系统架构分析

3.1 供电系统架构设计

以10 000 kVA的供电系统为对象建模，一套基于大容量储能的供电系统由互为备用的两路市电（市电1和市电2）、独立的第三路市电（市电3）和一路10 kV储能系统组成，其供电系统架构如图4所示。相比于常规的三路市电组成的A级机房供电系统，本文提出的供电系统架构多出了一路10 kV的储能接入。10 kV储能系统的接入点设置在第三路市电所在的母线处，储能系统的充放电均通过该母线进行，这样可以避免充放电影响正常母线段的工作。

图4 基于10 kV储能接入的供电系统架构

3.2 运行逻辑分析

储能不参与运行时，市电1和市电2同时供电，各带一半负载，其供电示意如图5，当市电1（市电2）断电后，10 kV母联开关（QF3）合闸，由市电2（市电1）带全部负荷。当两路市电均断电后，市电3投入运行，带全部负荷。

图5 系统正常供电时供电示意

当电价处于“谷”阶段时，储能设备开始充电，数据中心的负载由市电1和市电2保障，市电3给储能设备充电，供电示意如图6，由图6可见，数据中心的正常供电和储能设备的充电是相互独立的，路径上也不交叉，安全性很高。在储能设备充电过程中市电1和市电2有1路出现故障，通过母联开关（QF3）合闸，由另外1路带全部负载。如果市电1和市电2同时故障，则充电过程结束，由市电3保障全部负载。

图6 储能系统充电时供电示意

当电价处于“峰”阶段时，储能设备开始放电，电源切换系统先断开市电1的QF1开关和市电2的QF2开关，然后合市电3的QF6开关和储能的QF7开关，储能和市电3同期运行，保障全部负载，储能设备作为主供电源，储能不足部分由市电3补充，放电时供电示意如图7。

储能系统放电结束后，先断开市电3的QF6开关和储能的QF7开关，然后合开市电1的QF1开关和市电2的QF2开关，供电系统转为储能不参与运行时的运行状态，各种工况下供电系统中的断路器运行控制逻辑详见表2。

表2 运行逻辑关系表

4 结 论

本文提出数据中心和储能系统结合的方案技术上是可行的，实现起来也简单方便。对数据中心本身而言，供电系统的安全可靠性得到进一步提高，相当于在原有三路市电的基础上增加了一路储能接入的保障。对储能系统而言，系统容量可以做大，这样能够产生规模效应，同时也可以降低运维难度。