文 | 張丞
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編輯 | 石亞瓊
封面來源｜IC photo
2023 年 2 月，微軟公司的 Christoph Mazur 博士在歐盟儲能峰會上表示，" 微軟認為都柏林數據中心配置儲能型 UPS 的項目完全可以被應用在其他數據中心。" 2022 年 7 月，微軟公司愛爾蘭都柏林數據中心開始使用鋰電池來作為備用電源，替代了鉛酸電池和柴油發電機。
顯然，如今微軟對擴大數據中心配置儲能的應用范圍的信心更加充足。
無獨有偶，2022 年 4 月，谷歌宣布在比利時 Saint-Ghislain 的數據中心配置儲能項目也取得了進展。谷歌認為這將幫助比利時實現清潔能源的發展目標，同時這也展示了谷歌未來在全球數據中心推廣應用儲能技術的潛力。
數據中心的能耗開支過高一直是令國內外互聯網巨頭們頭疼的問題。而數據中心配置儲能將有望降低數據中心的購電成本、提高數據中心對新能源的利用率，最終降低數據中心的能耗。這將為互聯網巨頭們帶來很大的好處，也將成為數字經濟和能源行業協同發展的范例。
儲能為數據中心帶來的三個價值
儲能可以在提高供電穩定性、降低能耗、獲取額外收益方面給數據中心帶來增量收益。
在分析這三個價值點之前，我們需要明白當前數據中心配置儲能獲取收益的前提條件和基礎是什么。
數據中心本身就會配置不間斷電源 UPS 作為備用電源，保障數據中心的用電安全性和電能質量。UPS 過去通常是用鉛酸電池作為電源，現在鋰電池已經對鉛酸電源形成了替代趨勢。
鋰電池循環次數更高、壽命更長、單位體積能量密度更高。數據中心的儲能電源質量由此得到了提升，因此具備了更高的供電可靠性和儲能技術應用價值。
下面我們來看數據中心配置儲能可以獲得的益處。
穩定用電層面，數據中心用電可以分為應急電源與常用電源。一方面，儲能可以替代柴油發電機進行應急供電。另一方面，儲能能夠成為數據中心主供電源的來源之一。
降低能耗層面，通過配置儲能，數據中心可以提升新能源供電的穩定性和利用率，峰谷儲能高峰放電，可以降低數據中心的電費支出和能源浪費，最終減少碳排放。
在高峰需求期間減少數據中心負荷可以降低容量費用 來源：施耐德施耐德在發表的一篇白皮書中提到儲能型 UPS 能以非常規則的方式調節電網所測量到的負荷。如此可以將數據中心峰值電力容量需求最小化，使用 UPS 之前儲存好的電量，避免在用電高峰期支付高價電費，降低容量費用。
此外，儲能還能為數據中心帶來額外的經濟收益。因為數據中心的 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調節，不僅能更好地平衡電力供需，還能獲取電力市場輔助服務的經濟回報。
這種基于鋰電池的儲能型 UPS 除了可以保障數據中心備用電源的可靠性之外，還可以參與電網輔助服務市場來獲取收益，降低數據中心的用電成本。微軟的都柏林數據中心就參與了愛爾蘭電網的調頻服務市場。
谷歌比利時的數據中心配備了 5.5MWh 的鋰電池儲能，其中的 2.75MWh 將用于優化比利時電網的需求響應計劃，儲能系統還將與其他分布式能源實現整合。該儲能項目的支持方為 Fluence，儲能系統是基于 Fluence 公司的第六代 Gridstack 模塊化儲能產品。
" 谷歌很高興能在數據中心和能源行業的交叉領域內推動技術創新，特別是當這種技術創新能帶來運營之外的效益時，" 谷歌數據中心能源和基礎設施的高級負責人 Marc Oman 曾表示，" 新的儲能項目就是一個很好的例子：它不僅能讓谷歌數據中心在電力中斷時能更清潔地運行，而且通過我們的儲能項目將幫助比利時電網進行調頻，保持電網穩定運行。"
數字經濟能耗大戶的配儲之路
數據中心是數字經濟中最重要的新型基礎設施之一，但同時也是用電大戶。根據生態環境部數據，2021 年全國數據中心耗電量達 2166 億度，約占全國總耗電量的 2.6%；碳排放量 1.35 億噸，占全國總排放量的 1.14%。
而 2021 年三峽電站累計發電 1036.49 億千瓦時。這意味著全國數據中心的用電量相當于兩個三峽電站全年的發電量。
隨著數據總量的不斷攀升，數據中心的規模將越來越大，如何優化數據中心的能耗和碳排放成為破解數字經濟發展制約的一項重要挑戰。儲能將成為解決該問題的一把鑰匙。
數據中心配置儲能途徑目前主要以儲能型 UPS 為主。儲能型 UPS 同時具備電化學儲能功能和數據中心 UPS 功能，既能實現 UPS 原有的備用電源應急供電功能，也能通過挖掘電池儲能潛力來獲取更多收益。
儲能型 UPS 可以降低數據中心能耗水平，同時提高能量管理的智能化水平。國內如科士達、科華數能等企業均在數據中心領域推出了儲能型 UPS 相關產品。
科士達新能源產品總監黎志榮向數字時氪表示如何活用數據中心里的儲能電池是非常關鍵的。" 數據中心本身就具備大容量電池，是理想的儲能提供方。數據中心一方面可以通過容量租賃獲取額外收益，還可以通過參與電網調節獲取更多收益。"
在黎志榮看來，未來數據中心的 UPS 要實現雙向的工作模式，提供類似儲能變流器的功能。" 科士達已經在研究如何將 UPS 和 PCS 結合，以便更好地利用數據中心已經投入的電池資產。比如研發雙向 UPS，過去 UPS 只是單向的從電網把交流電轉到直流電，給電池充電。未來電池還要能支撐電網，就需要 UPS 具備從直流再轉換到交流側，實現給電網供電的功能。"
儲能系統將是數據中心供配電的一部分。由于儲能系統會占據一定空間，必然會牽扯到整個數據中心的規劃布局，提升能量密度也將是減少數據中心儲能系統安裝占地面積的重要途徑。
此外，數據中心并網技術復雜，通常會涉及多個不同系統的協調控制。因此黎志榮認為未來數據中心還需要能源互聯網技術來實現整套系統的能量管理。
數據中心儲能如何降低運行成本、提高電力交易收益
數據中心儲能系統的運行要充分考慮電力系統的需求和數據中心本身的工作特點。一方面要考慮到電力市場交易的需求，另一方面儲能系統還要結合數據中心可以在時間上推后處理計算任務、空間上將計算任務轉移至別處數據中心處理的特點。
在考慮電力市場交易時，儲能系統調度控制需要考慮數據中心的冗余設計和儲能參與電力輔助服務市場所得收益和壽命損失。微軟研究院的研究員在 IEEE 發表的一篇研究文章中明確考慮了數據中心的 N+1 分布式冗余架構，提出了一種數據中心儲能提供頻率服務的收益優化框架，找到數據中心儲能參與電力市場交易的最優投標容量和實時操作 [ 1 ] 。
結合數據中心自身工作特點時，數據中心運行本身具有的可調節性值得充分利用 [ 2 ] 。數據中心可以對自身的工作任務、電力負荷進行時間上和空間上的動態調節，從而可以協同儲能系統對數據中心購電成本進行削減以及降低負荷峰谷差，未來甚至可能參與電力市場輔助服務獲取收益。
數據中心工作任務可分為延遲敏感型和延遲容忍型兩大類。網絡交易、網頁瀏覽等用戶服務請求就是典型的延遲敏感型工作。而圖像處理、計算處理等需要進行長時間計算的用戶請求就屬于延遲容忍型工作任務。
延遲敏感型工作可以進行空間調度操作，即從一個地區的數據中心調度至另一個地區的數據中心。延遲容忍型任務則可以進行時間調度操作。
基于工作負載時空靈活性的電力負荷調節 來源：中國知網 [ 2 ]2022 年 5 月，阿里巴巴與華北電力大學合作開展的可再生能源消納驅動的數據中心 " 算力 - 電力 " 優化調度項目以試運行方式參與了華北電力調峰輔助服務市場。
在電力系統調峰信號的引導下，阿里巴巴位于江蘇省南通數據中心的部分算力負載轉移到了河北省張北數據中心繼續運行。這次調度就是利用了數據中心空間上的可調度性。
這是全球范圍內數據中心和電力系統間以促進可再生能源消納為目標的第一次協同調度，也是國內首次跨區域 " 算力 - 電力 " 優化調度驗證實驗。
此外，由于數據中心工作任務處理的實時性要求很高，因此選擇更具有實時性的高效優化方法也非常重要。可以解耦多時段的馬爾可夫決策過程方法 MDP 和可以加快計算收斂、降低求解復雜度的交替方向乘子法 ADMM 都是值得考慮的方法 [ 3 ] 。
數據中心儲能系統參與電力市場交易是更值得關注的領域。
周鈺等人以惠州某數據中心 （規劃萬臺機柜） 項目為例，針對數據中心配置儲能的運行模式及設計方案的經濟性進行研究。該數據中心的儲能項目擬規劃規模為 90 MW/180 MWh。
經過經濟測算，儲能系統為數據中心提供不間斷備用電源之外，同時參與電力系統調峰、調頻和緊急備用服務，獲取電力市場輔助服務收益。項目內部收益率 8.3%，動態回收期 7.05 年 [ 4 ] 。
某數據中心儲能系統參與輔助服務收益情況 來源：中國知網 [ 4 ]目前數據中心儲能參與電力市場交易方面尚未推出明確、完善的政策機制。國內現行的各類電力交易市場鮮有考慮數據中心作為第三方市場參與電力市場交易的規則和方案。數據中心產業鏈相關企業也在關注期待這一類政策的落地。
綜合來看，在考慮配置儲能的情況下，數據中心運營商需要根據實現最小運行成本和最佳峰谷套利策略的目標制定調度計劃，同時還要考慮日內電力交易的實時性和不確定性，綜合運用數字化技術幫助數據中心實現降低能耗、提升收益的目標。
展望
數據中心 + 儲能，可以有效提升數據中心用電安全穩定性和質量，同時還可以充分利用儲能電池資源進行峰谷價差套利以及參與電力輔助服務獲取收益，能夠降低數據中心電費開支，提高整個數字經濟基礎設施的運行效率和經濟效益。
數據中心和儲能將成為算力、電力融合發展的典型代表。未來，數字經濟基礎設施將更好地與新型電力系統協同互動，形成支持源網荷儲良性運行的重要力量。
參考文獻：
1. Zhang B , Senior E N . Distributed Redundant Integration of Data Center Battery Storage with the Grid for Regulation Services [ C ] // 2021 IEEE Power & Energy Society General Meeting ( PESGM ) . 0.
2. 曹雨潔 , 丁肇豪 , 王鵬 , 張素芳 , 劉吉臻 , 劉文娟 , 程明 . 能源互聯網背景下數據中心與電力系統協同優化 ( 二 ) ：機遇與挑戰 [ J ] . 中國電機工程學報 ,2022,42 ( 10 ) :3512-3527
3. 陳緒昌 , 王育飛 , 薛花 . 基于 MDP-ADMM 的數據中心儲能系統優化運行方法 [ J/OL ] . 儲能科學與技術 :1-12 [ 2023-04-27 ]
4. 周鈺 , 郝為瀚 . 面向數據中心的儲能系統應用研究 [ J ] . 南方能源建設 ,2021,8 ( 03 ) :58-62
5. 施耐德
6. Energy storage news
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