關于大規模儲能在數據中心中的應用
作為能耗密集的數據中心行業,各數據中心運營方把實現碳中和及凈零碳排放的努力在對外披露的ESG(環境、社會和治理)報告中體現,希望在提升能源效率的同時,通過購買綠電、綠證和儲能等方式,在降低成本、提高企業競爭力方面領先同行。數據中心和公有云廠商作為客戶供應鏈中的一環,作為排放范圍“Scope3”,將有義務向客戶提供碳排放數據。走向可持續發展之路既是外部要求,也將成為運營商提高自身競爭力的戰略方向。
國內近年在儲能方面發展很快,國家電網和南方電網在抽水蓄能、利用鹽穴的壓縮空氣儲能方面均有10MW級以上項目,因地理條件限制難以廣泛推廣。而企業自建儲能裝置在消納光伏、風電、水電等可再生能源間歇供電的同時,還可以實現電價峰谷套利,并參與供電客戶需求側響應,可提升項目的投資回報。
世紀互聯在原有佛山智慧城市數據中心園區內,利用原有場地規劃和安裝了大規模儲能及光伏裝置,探索性地為存量數據中心大規模儲能應用和自建清潔能源進行了最佳的行業探索和實踐。
一 ? 園區情況及儲能+光伏的應用背景
佛山智慧城市數據中心園區內有兩棟數據中心建筑，按照高等級數據中心設計和建造,共有近1700個機架，自投產以來一直穩定安全運行，PUE穩定運行在1.4以下，這在華南夏季高溫、高濕的環境下并不容易，也獲得了綠色數據中心金級認證和碳減排數據中心創新者證書。
項目規劃之初,公司組織相關部門對儲能裝置和光伏設備的場地需求及對原有基礎設施的影響、架構規劃對在運行設施特別是配電架構的影響、日常運營維護及儲能裝置的選型及風險控制等方面進行了充分的論證,主要包括:
1.場地規劃:利用園區內原有空地,規劃安裝集裝箱式儲能裝置;利用其中1棟樓頂的可用區域,規劃安裝太陽能光伏組件,在樓頂安裝光伏并網逆變器。把儲能裝置安裝在戶外,避免了對原有建筑在承重方面的影響,在樓頂安裝光伏組件時,為避免對防水層的破壞，光伏組件安裝改為水泥墩固定方式，固定強度考慮到南方14級臺風、暴雨天氣對光伏組件的破壞力。
2.架構規劃:本項目儲能容量規模為1MW/2MWh,蓄電池在集裝箱式儲能站集中布置,通過逆變、升壓后,通過新增的10kV環網柜,接入數據中心園區用戶側10kV母線。其中PCS(儲能變流器)是儲能系統中的核心設備,將蓄電池簇的直流電逆變為三相正弦交流電,輸出符合電網要求的電能,通過母排與升壓變壓器連接,在儲能站就地升壓為10kV。在園區10kV進線處安裝逆功率保護器防止向電網側反向供電(見圖1)。
樓頂光伏容量為64.8kWp,通過電力將光伏并網逆變器與儲能站升壓變壓器低壓側相連。
利用能源管理系統(EMS),可根據電價的峰谷套利方案和其它策略設定儲能裝置的充、放電時間段和功率，通過BMS管理系統對電池簇的運行狀態監控。
3.設備選型:本項目涉及的選型要點為蓄電池類型,經過對鉛酸電池、鉛碳電池、磷酸鐵鋰等電池在能量轉換效率、系統效率、能量密度、安全性等項目進行綜合評估,結合技術特性和經濟性選用了磷酸鐵鋰電池作為儲能介質,以實現在項目周期內，在效率優先和兼顧安全性的情況下，實現良好的投資回報。
儲能變流器、并流逆變器等主設備均選用符合國家、行業相關技術標準,具備高/低電壓閉鎖、檢有壓自動并網功能,主設備均通過國家認可機構的檢測或認證。
二? 風險管理和應對
佛山智慧城市數據中心新增大規模儲能和光伏項目在國內行業中是首例應用,在規劃和實施過程中,既要考慮對在運行中的數據中心的影響,也要考慮新增儲能系統和光伏帶來的風險點。在項目規劃實施中的過程中,把風險管理貫徹到每個細分領域,對各種潛在的風險進行識別、評估、評定和建立處置預案,加強內外部溝通和全程審查。其中涉及的主要風險有以下幾點:
1.對在運行數據中心的影響:數據中心承載的是執行關鍵應用的業務系統,新增儲能和光伏系統必然會在配電、暖通空調、弱電、消防等方面對生產中的設施產生影響,各種不確定性都會影響原有基礎設施的可用性和安全性,因此需要各專業進行分析,包括在項目建設期間可能產生的各種不確定性。
2.氣候影響:佛山處于亞熱帶,每年都會遭遇臺風和暴雨,春季空氣陰冷濕度大,因此必須考慮到儲能裝置和樓頂光伏太陽能板在極端天氣下遭受的外界影響。大規模儲能裝置規劃在原有園區空地上,布局采用上下兩層密閉集裝箱形式,在內部安裝儲能變流器、升壓變壓器和蓄電池簇、EMS能源管理系統、空調及氣體消防等裝置。為保障對儲能裝置的支撐,設計和建設鋼筋混凝土底座,在確保地基穩固和防水要求的同時，采取措施對地下原有管路進行避讓。
集裝箱體的空調室外進風口、排風口等,都要考慮到雨天的影響。對樓頂光伏太陽能組件和集裝箱式儲能裝置,在防雷接地方面也參照規范進行設計和建設。
3.對磷酸鐵鋰電池的監控是重點:鋰電池熱失控的主要原因包括機械濫用的擠壓和針刺、過充電和內短路的電濫用以及電池內部過熱導致的熱濫用。因此利用BMS進行監控和分級預警,并根據風險等級的告警采取相應聯動措施如降低充放電功率、禁止充放電及停機等，并在安裝電池的集裝箱內增加極早期可燃氣體探測、溫感煙感等，并配備相應的消防系統。
三 ? 運維和運營
園區新增儲能和光伏系統后,將儲能系統和光伏系統監控以及視頻監控接入原有基礎設施管理系統,進行統一的運維管理。在規劃設計和項目建設期間,結合新增儲能系統所涉及的電氣、暖通空調、消防等專業,對原有基礎設施人員進行培訓,在人員和專業技能儲備方面提前做好準備。在測試驗證和運行期間,保障不同值班班次的人員能夠掌握對新增儲能和光伏裝置的操作管理和緊急應對,并制定和完善相關流程和制度,把管理和責任落在實處。
儲能裝置的充放電策略,除制定充電、放電的時段及功率外,也積極了解和參與當地供電部門的需求側響應,在用電高峰時段按計劃放電以減少對外電的需求量,按約定價格實現節省電費的效果,2021年,項目多次實現了以每kWh4.5元的價格參與需求側響應,獲得了較好的投資回報收益。
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