IDC储能 备电系统设计分析.pdf
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1、C o m m u n i c a t i o n&I n f o r m a t i o n T e c h n o l o g y N o.4.2 0 2 3通信与信息技术2 0 2 3 年第4 期(总第2 6 4 期)I D C 储能十备电系统设计分析闫其尧,张文利中通服咨询设计研究院有限公司,江苏南京2 1 0 0 1 9摘 要:互联网技术和数据通信业务持续发展,中国数据中心(以下简称I D C)建设规模在逐渐扩展,已经进入了规范化建设阶段。但是相比较发达国家,我国I D C 建设能耗增长率过快,这显然与数据中心行业发展要求不符,需要做出相应完善。阐述了I D C 建设现状及储能系统应
2、用优势,分析了常见I D C 储能系统模式,从削峰填谷运行机制、关键技术、电池管理系统S O C 模型、市电电池联合供电风险、机房储能费用计量控制方面分析了I D C 储能+备电系统设计实例,以期为I D C 储能+备电系统设计提供参考。关键词:I D C 建设;储能系统;备电系统;削峰填谷运行机制中图分类号:T M 7 3文献标识码:A文章编号:1 6 7 2-0 1 6 4(2 0 2 3)0 4-0 0 3 8-0 41 引言I D C 为集中放置电子信息设备提供运行环境的建筑场所。据相关资料显示,我国I D C 建设及运行耗电量年均增长率约为9?0 2 2 年当年I D C 建设及运行
3、耗电量更是达到了2 5 0 0 亿千瓦,可见I D C 能耗问题较为突出凹。欧美发达国家I D C 的P U E(数据中心消耗所有能源与I T 负载消耗能源的比值)约为1.8,部分国家甚至能够达到1.2 之下,我国I D C 的P U E 均超过了2.2,部分省份甚至超过了3.0,可见降低I D C建设及运行能耗已经成为当前数据中心行业发展的关键任务 2 。为了提高I D C 设计及建设技术水平,可以选择应用储能+备电系统设计模式,一方面提高I D C 能源利用率,降低建设及运行能耗;另一方面能够实现需量控制。2 I D C 建设及储能系统应用概述2.1 I D C 建设现状目前我国I D C
4、 建设投资规模在稳步增长,每年增长幅度约为1 0 0 0 亿元人民币,投资方向主要包括服务器及网络设备等基础设施建设、网络存储技术完善。随着物联网产业和云计算技术的发展,I D C 建设投资规模会进一步扩大,并且成为主流终端海量数据承载与传输实体。在全国现有I D C 中,北上广深等一线城市I D C 占据了5 0?右,这是因为一线城市的金融机构、互联网公司、数据中心技术人才较多,对于I D C 建设的要求较多,I D C 建设技术水平较高。在未来较长一段时间内,一线城市依然是I D C 的主要建设选址。尽管大部分I D C 集中在一线城市,但是一线城市I D C 资源仍处于供不应求的状态。为
5、了正确引导I D C 建设,很多一线城市颁布了相关发展条例及政策,例如,北京目前禁止新建、扩建I D C,深圳、上海提高了对于I D C电能利用效率的要求 3。2.2 储能系统应用优势近年来,储能系统开始被广泛应用在I D C 建设中,并且展现出了较为显著的应用优势4。例如,发改委为了鼓励平衡用电,制定了峰谷电价差政策,这一政策尽管不会降低使用总电量,但是如果用户在电费低谷时段用电多、在电费高峰时段用电少,便会降低总电费,能够产生相当可观的储能收益,通过储能系统及经济合理的移峰填谷方案,最高可降低约4 0?单K W H 电价成本。并且通过储能系统能够实现需求侧响应,即通过提供资金奖励及电价调整
6、等措施,引导用户根据系统运行情况改变原有用电模式,从而达到减少或推移某时段用电负荷的目标,实现对于电力供应系统的有效响应,最终保证电网系统运行的稳定性。3 I D C 储能系统的目的I D C 储能系统的主要目的是利用电力市场波峰一平价一波谷电价的周期性变化,降低能源成本并提高电力供应可靠性。波峰电价(高电价):白天的高峰时段,如上午1 0点至下午5 点。平价电价(中等电价):上午和下午的过渡收稿日期:2 0 2 2 年1 2 月1 4 日;修回日期:2 0 2 3 年6 月1 9 日3 8热点技术I D C 储能+备电系统设计分析时段,如上午7 点至1 0 点和下午5 点至8 点。波谷电价(
7、低电价):晚上和清晨的低谷时段,如下午8 点至半夜2 点和半夜2 点至7 点。在这样一个周期性变化的电力市场中,I D C 储能系统可以在电力成本最低的波谷时段充电,而在高峰时段使用储能系统的电力供应,以此降低总体的电力成本并提高电力供应的可靠性。此外,如果发生电力故障或停电情况,备用电池系统可以在电力供应中断时提供临时电力支持,确保I D C 数据中心的正常运行。4 常见I D C 储能系统模式分析4.1 平滑新能源输出储能系统可以作为一路主供电源为I D C 供电,虽然不能降低P U E,但是却能够实现平滑新能源输出,使得储能系统与新能源实现配合应用,从而实现对于新能源波动的有效抑制,尽量
8、为I D C 提供较为稳定的电力资源 5 。4.2 作为I D C 备用电源储能系统可以作为I D C 的备用电源,使得部分备用容量能够成为I D C 的备用电源,并且可以提供辅助调频、电力市场调峰等辅助服务,不但能够保持I D C 供电的可靠性,还能够通过电力市场服务获取部分用电收益补偿。在部分省份,如果I D C 能够在规定时间内转移到市电供应模式下,便能够完全取代柴油发电机备用电源,能够节约I D C 储能系统建设成本,从而提高I D C 建设经济效益间。4.3 替代交流不间断电源储能系统可以替代传统的交流不间断电源,提高I D C 供电的安全性和稳定性。这是因为当前的电网运行较为稳定,
9、交流不间断电源在大部分情况下都处于事故备用状态,但是却会产生5?1 0?浮充损耗,使得交流不间断电源无法得到充分应用。在储能系统模式下,如果能够将事故电源切换时间控制在1 5 m s 之内,便能够在不影响I D C 不间断供电的同时,进一步提高电网服务质量切。4.4 多站融合应用模式多站融合应用模式即为能源站、充电站、储能站等多种储能系统的共同应用,能够同时融合信息、控制体系、设备等多方因素 8。5 I D C 储能+备电系统设计实例分析5.1 设计思路I D C 储能+备电系统设计需要遵循如下要点:不对原有的I D C 机房配电机构设置造成过多改变,确保原有配电系统的位置、线缆分布、空间分配
10、等要素均在I D C 允许范围内;对于进行数据采集的模块化U P S(不间断电源,一种含有储能装置的不间断电源)设备,可以将其设置为市电+电池联合供电的控制逻辑模式;需要用储能用铅炭电池取代原有的普通铅酸电池;需要调整原设计3 0 分钟的后备电池运行时间分配,将1 5 分钟作为后备保障,另外1 5 分钟作为储能应用,当然具体时间分配需要结合实际情况而定;需要对系统进行储能性能测试,模拟错峰储能8 h 放电,随后模拟停电,如果系统能够保持全容量放电1 5 分钟,则能够证实储能及备电载安全;确保电源监控模块控制系统的输出电压能够实现对于储能电池的充电、放电控制,并且不需要对系统进行过多改造;电池在
11、尖峰时刻放电时,I D C 电源设备处于部分休眠备用状态,此时如果发生了电池故障,需要确保电源设备可以做到无缝承接全部负载电流;需要设定安全截止电压、5 0%安全截止容量,当I D C 电源设备达到其中一个设定值后,便立即停止放电,实现对于放电安全的有效控制,剩余容量则能够保障电池循环寿命,并且作为交流停电时的荷电备用;需要在早上进行放电前核算,只有确保充电容量 1 0 0?日放电容量后,才能够进行电池放电,避免电池长期亏电,从而避免电池的使用寿命受到影响;需要实现对于I D C 储能+备电系统的灵活设置,确保系统只要通过负荷便能够产生经济效益,从而降低I D C 改造成本。5.2 削峰填谷运
12、行机制削峰填谷运行机制为关键的I D C 储能+备电系统设计机制,具体包含如下两点:充电、放电、静止过程中,电池全部挂接在I D C 储能+备电系统内,不会对原有供电模式的物理结构造成任何改变,同时能够时刻保证可以供I D C 运行1 5 分钟的备用电量,能够全面保证系统供电安全。如果市电供应突然中断,I D C 全部负荷用电由蓄电池供应,同时柴油发电机组可以自动启动,在1 5 分钟内便能够完成油机与市电的转换,能够保证I D C 系统供电不会中断。具体的削峰填谷运行分配如表1 所示。5.3 关键技术5.3.1 自动投切技术1 0 K V 自投切运行方案是目前应用最为成熟的自动投切技术,投切时
13、间可以控制在5 1 0 分钟之间,因此被广泛应用在了I D C 储能+备电系统设计中。1 0 K V 自投切运行方案基本切换结构如图1 所示,在图1 中,常用电源工作位置合闸,备用电源隔离位置分闸,切换时常用电源会退出工作位置,备用电源便会经合闸切换进入工作位置。市电-油机市电发电机组市电9 9 7 9 9 9 9 9 9I 母线母线1 0 K V 母线3 8 0 V 母线图1 1 0 K V 自投切运行方案基本切换结构3 9通信与信息技术2 0 2 3 年第4 期(总第2 6 4 期)表1 I D C 储能+备电系统削峰填谷运行分配统计表时段T 1 谷T 2 平T 3 峰市电A市电向系统负载
14、供电,同时给电池充电,此时,A=B+C全部市电供电,此时,A=C部分市电供电,此时,A=C-B电池B蓄电池充电,此时,B=A-C电池不充电、不放电,此时,B=0部分电池供电,此时,B=C-AI T 负载CCCC具体来讲,1 0 K V 高压配电柜油机市电转换柜不存在机械互锁、电气隔离,所以供电公司不允许使用高压油自动投切方式,否则便会导致切换时间长,并且必须配备大量蓄电池。目前市场上已经有较为可靠、稳妥的市电停电后柴油发电机组自动启动解决方案,能够实现电气互锁、机械互锁、柜体5 防连锁,并且经过超过2 0 0 0 次的可靠性测试,证实了1 0 K V 自投切运行方案能够作为I D C 储能+备
15、电系统自动投切技术应用,同时可以通过供电局的自动投切供电方案审核。此外,柴油发电机在应用自动启动、自动投切模式之后,其供电稳定性、可靠性能够得到大幅度提高,能够将蓄电池后备时间压缩到1 5 分钟以下,为I D C 储能+备电系统运行打下了足够的时间基础。5.3.2 模块化U P S 技术在模块化U P S 技术下,每个模块都可以在市电模式下工作,也可以在电池模式下工作。基于这一特点,可以让一部分U P S 功率模块在市电模式下工作,另外一部分U P S 功率模块在市电模式下工作,从而实现电池市电联合供电。并且模块内部市电电池桥臂能够共用,只需要对软件逻辑控制做出相应改动即可落实模块化U P S
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