數(shù)據(jù)中心發(fā)展的現(xiàn)狀和問題

　　

　　數(shù)據(jù)中心由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和與之相配套的設(shè)備，以及冗余的數(shù)據(jù)通訊連接、環(huán)境控制、監(jiān)控和各種安全裝置等一整套復(fù)雜的設(shè)備構(gòu)成，是數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)的中心。伴隨著我國移動(dòng)通訊、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)支付和人工智能等業(yè)務(wù)的爆發(fā)式發(fā)展以及“互聯(lián)網(wǎng)+”向產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的加速滲透，帶動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)需求的飛速增長，進(jìn)而激發(fā)對(duì)數(shù)據(jù)中心等基礎(chǔ)設(shè)施的需求。研究數(shù)據(jù)顯示，2010～2016年，我國IDC市場(chǎng)規(guī)模增長近7倍，年均增長率達(dá)到39.19%,而2017年后，我國數(shù)據(jù)中心的市場(chǎng)規(guī)模仍繼續(xù)保持快速增長，預(yù)計(jì)2019年，我國數(shù)據(jù)中心的市場(chǎng)規(guī)模將超過1800億元，其中約70%是新建數(shù)據(jù)中心。

　　

　　數(shù)據(jù)中心通過向客戶提供機(jī)柜租用、帶寬租用和服務(wù)器代理運(yùn)維等服務(wù)獲取收益。對(duì)數(shù)據(jù)中心而言，保證安全可靠的電力和網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)，是數(shù)據(jù)中心最基本的兩大功能，所以數(shù)據(jù)中心都配備有不間斷電源(UPS)。在市電供給正常時(shí)，UPS在“過濾市電雜質(zhì)”后給負(fù)載供電，同時(shí)給電池充電;當(dāng)市電出現(xiàn)異常(中斷供電)時(shí)，電池放電通過UPS供給負(fù)載保證電力供應(yīng)，這種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心電力備用模式有以下應(yīng)用痛點(diǎn)：

　　

　　1

　　

　　電費(fèi)支出高企。數(shù)據(jù)中心建成之后，其主要的運(yùn)營成本來自于電費(fèi)。統(tǒng)計(jì)表明，電費(fèi)支出占數(shù)據(jù)中心運(yùn)營支出的60%以上。以在江蘇擁有2000個(gè)機(jī)柜的中型數(shù)據(jù)中心為例，假設(shè)機(jī)柜的平均功率為5kW,則僅機(jī)柜一年的耗電量為2000個(gè)×5kW×24h×365天=8760萬kWh,江蘇省的平均電價(jià)約為0.68元，則僅機(jī)柜一項(xiàng)產(chǎn)生的電費(fèi)就高達(dá)5957萬元，這里尚未計(jì)空調(diào)、UPS和照明等其它電力設(shè)備設(shè)施所產(chǎn)生的電力消耗。因此如何降低數(shù)據(jù)中心電費(fèi)支出，對(duì)于提高數(shù)據(jù)中心企業(yè)的利潤至關(guān)重要。

　　

　　2

　　

　　電池投資高企，且電池在使用周期內(nèi)不放電，形成資源浪費(fèi)，是沉沒成本。我國每年生產(chǎn)超200GWh的鉛酸蓄電池，其中有很大比例應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心備電，這些電池的壽命通常為5年左右，為保證備電安全性，基本每5年就要更換一批。目前，我國多數(shù)地區(qū)電網(wǎng)的供電可靠性超99.9%,且由于數(shù)據(jù)中心通常采用雙路市電保障+2N互備結(jié)構(gòu)，因此電池很少有放電，處于長期被閑置狀態(tài)，造成很大的資源浪費(fèi)。

　　

　　3

　　

　　電池長期處于浮充狀態(tài)，健康狀態(tài)不明。如上所述，由于數(shù)據(jù)中心供電可靠性很高，電池一直處于浮充狀態(tài)，基本一年都不放一次電，有些數(shù)據(jù)中心甚至需要通過定期的假負(fù)載測(cè)試來檢驗(yàn)電池的性能，而這筆測(cè)試費(fèi)用支出也是相當(dāng)不菲。

　　

　　理解清楚數(shù)據(jù)中心運(yùn)營和UPS使用的痛點(diǎn)，有助于幫助我們知道如何去解決現(xiàn)存的問題。得益于近年來儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，建設(shè)儲(chǔ)能型數(shù)據(jù)中心，順理成章地成了解決以上應(yīng)用痛點(diǎn)的重要手段。

　　

　　數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能對(duì)電池和UPS主機(jī)的要求

　　

　　電網(wǎng)發(fā)電和用戶用電之間是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，為提高在用電低谷時(shí)段的機(jī)組利用率，降低發(fā)電成本，增效減排，我國從1993年開始實(shí)行峰、谷電價(jià)制度，此制度的設(shè)計(jì)初衷是利用經(jīng)濟(jì)手段引導(dǎo)社會(huì)錯(cuò)峰用電。峰、谷價(jià)差的存在，就給儲(chǔ)能通過“低儲(chǔ)高發(fā)”提供了套利空間。但由于儲(chǔ)能成本限制，單純的削峰填谷項(xiàng)目很難獲得可持續(xù)的盈利空間，數(shù)據(jù)中心建設(shè)本身就需要大量電池和UPS主機(jī)投入，這為峰谷套利提供了必要條件，但需要解決電池循環(huán)壽命和儲(chǔ)能型UPS主機(jī)的功能問題。

　　

　　數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能能對(duì)電池的要求

　　

　　傳統(tǒng)普通鉛酸電池不能滿足用戶削峰填谷模式對(duì)電池長循環(huán)壽命的要求，開發(fā)新型循環(huán)性電池勢(shì)在必行。得益于2006年奧巴馬“清潔能源計(jì)劃”的激勵(lì)和引導(dǎo)，全球范圍內(nèi)掀起對(duì)鉛碳電池的研究熱潮并相繼推出產(chǎn)品。所謂鉛碳電池，就是在不改變鉛酸電池電化學(xué)體系的基礎(chǔ)上，通過負(fù)極加碳以及對(duì)正極和電解液的延壽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸電池循環(huán)性能的大幅提升，其循環(huán)壽命是普通鉛酸電池的3～5倍。電池循環(huán)性能問題的解決，為建設(shè)儲(chǔ)能型的數(shù)據(jù)中心，創(chuàng)造了先決條件。在數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能應(yīng)用中，電池除了要進(jìn)行削峰填谷之外，還要保證備電時(shí)間，因此電池的放電深度一般控制在50%左右，剩余約50%電量用來保證備電時(shí)間。眾所周知，電池放電深度越深，其循環(huán)壽命就越短，50%左右的放電深度，恰好既可滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)電池使用年限(10年)的要求，又可保證獲得較好的削峰填谷收益，性能和要求完美契合。

　　

　　UPS儲(chǔ)能對(duì)UPS主機(jī)的要求

　　

　?、匐娀瘜W(xué)電源可放出的電量會(huì)受到放電倍率的影響，放電倍率越小，可放出電量越多，反之，則越少。舉例來說，對(duì)于鉛酸或鉛碳電池，如果以0.1C(A)倍率放電，可以放電10h,放出的總?cè)萘繛?C(Ah);但如果以1.5C放電，大約只能放電15min,放出的總?cè)萘繛?.375C(Ah),而且大倍率放電還會(huì)嚴(yán)重影響電池壽命。在進(jìn)行削峰填谷時(shí)，放電量越大，獲利則越多，因?yàn)榉鍍r(jià)電時(shí)間即放電時(shí)間(一般為8h)足夠長，因此可以選擇符合鉛酸電池放電特性的小倍率放電方式來運(yùn)行，這就需要UPS主機(jī)要有具備市電和電池聯(lián)合供電的功能。

　　

　?、诔Ｒ?guī)數(shù)據(jù)中心因?yàn)殡娏┙o的可靠性很好，電池很少放電，即使偶爾有放電，充電時(shí)間很長，因此可以及時(shí)補(bǔ)充回電力。而按照我國現(xiàn)行峰、谷時(shí)段分布，谷價(jià)電時(shí)間一般只有8h,為保證電池放電后的回充量，就要求UPS主機(jī)要具備40%額定功率以上的充電能力。

　　

　　通過同主流的UPS主機(jī)廠家的溝通，技術(shù)上解決以上問題，完全沒有障礙，所增加的成本也非常有限，這就為建設(shè)儲(chǔ)能型數(shù)據(jù)中心掃除了技術(shù)障礙。

　　

　　數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)

　　

　　數(shù)據(jù)中心采用儲(chǔ)能模式，相比于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心備用電源，具有以下優(yōu)勢(shì)：

　　

　　1

　　

　　通過削峰填谷模式可以收回電池投資。以一臺(tái)功率為500kVA,功率因數(shù)為0.8的UPS配置儲(chǔ)能電池并備用15min為例，為方便計(jì)算，均采用西恩迪SHC12250FT這款電池的放電參數(shù)，電池價(jià)格1元/Wh,電價(jià)差以江蘇省0.78元做參考，電池殘值以25%來測(cè)算。500kVA的UPS備電15min,需要配置120只SHC12250FT電池。假設(shè)再增加3組電池，放電深度以50%DOD,使用10年計(jì)，初步收益測(cè)算見測(cè)算表。由測(cè)算表可以看出，通過將傳統(tǒng)UPS改造成儲(chǔ)能型UPS，在電池壽命周期內(nèi)，不僅可以收回電池投資，還可以獲得大量收益，從而大大節(jié)省數(shù)據(jù)中心的成本。

　　

　　2

　　

　　電池每天放電，可以通過放電后的截止電壓知曉電池的健康狀態(tài)。調(diào)查顯示，數(shù)據(jù)中心運(yùn)維經(jīng)理所擔(dān)心問題排名第一位的，便是備電安全性。如上所述，常規(guī)數(shù)據(jù)中心的電池很少放電，電池狀態(tài)不可知。對(duì)電池而言，放電后的截止電壓是反應(yīng)電池健康狀態(tài)的最佳指標(biāo)，儲(chǔ)能型數(shù)據(jù)中心，電池每天都會(huì)放電，放電后電壓一目了然，很容易判斷電池好壞，有助于及時(shí)剔除不良電池，同時(shí)也省去了每年做假負(fù)載測(cè)試的費(fèi)用。

　　

　　3

　　

　　數(shù)據(jù)中心所獲得的備電時(shí)間更長。因?yàn)殡姵匾嗯渲脦捉M，因此，電池在相同功率下的備電時(shí)間遠(yuǎn)高于常規(guī)配置。當(dāng)然儲(chǔ)能型數(shù)據(jù)中心要建設(shè)在有峰谷價(jià)差的地方，且峰谷價(jià)差越大，則收益越好，另外也需考慮安裝面積的影響因素。

　　

　　儲(chǔ)能型數(shù)據(jù)中心與需求側(cè)管理

　　

　　以上關(guān)于經(jīng)濟(jì)收益的分析，是以峰谷電價(jià)差為基礎(chǔ)的，這也是數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能的基本收益方式之一，但其實(shí)還可以建立起更為豐富和靈活的收益模式，比如，數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能可以和需求側(cè)管理結(jié)合起來。

　　

　　隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和人民生活水平的提高，電力消費(fèi)的增速加快，用電量的變化波動(dòng)也越來越劇烈。一天或一年中，最大和最小用電量之間的差距正在逐步拉大，季節(jié)性的用電尖峰更是越發(fā)明顯。數(shù)據(jù)中心用電的特點(diǎn)是負(fù)荷很高且持續(xù)穩(wěn)定，當(dāng)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心改造成儲(chǔ)能數(shù)據(jù)中心，完全可以參與需求側(cè)響應(yīng)獲得政策補(bǔ)貼。還是以上文擁有2000個(gè)機(jī)柜，機(jī)柜平均功率為5kW的數(shù)據(jù)中心為例，假設(shè)數(shù)據(jù)中心在蘇州，蘇州需求側(cè)響應(yīng)的補(bǔ)貼為100元/kW。當(dāng)數(shù)據(jù)中心收到需求側(cè)響應(yīng)的指令后，可以進(jìn)入到儲(chǔ)能模式，即電池放電供給負(fù)載，而此時(shí)對(duì)電網(wǎng)來說，用戶側(cè)就少了一個(gè)用電功率為10,000kW的負(fù)荷點(diǎn)。這個(gè)響應(yīng)過程對(duì)數(shù)據(jù)中心用電沒有任何影響，但卻一次可以獲得100萬的需求側(cè)響應(yīng)補(bǔ)貼。

　　

　　除此之外，2018年，南方監(jiān)管局發(fā)布了《南方區(qū)域電化學(xué)儲(chǔ)能電站并網(wǎng)運(yùn)行管理及輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則(實(shí)行)》，細(xì)則中規(guī)定，儲(chǔ)能電站根據(jù)電力調(diào)度機(jī)構(gòu)指令進(jìn)入充電狀態(tài)，按其提供充電調(diào)峰服務(wù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)充電電量進(jìn)行補(bǔ)償，具體補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為0.05萬元/兆瓦時(shí)。當(dāng)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心變成儲(chǔ)能型數(shù)據(jù)中心后，也可以參與到充電調(diào)峰當(dāng)中，因?yàn)閮?chǔ)能每天都要放電，只要充分管理好電池，在響應(yīng)充電調(diào)峰時(shí)，就可以獲得相當(dāng)不錯(cuò)的補(bǔ)貼。以一個(gè)擁有30臺(tái)500kVA的儲(chǔ)能UPS,每臺(tái)儲(chǔ)能UPS配置6組SHC12250FT電池，共計(jì)576kWh電池為例，以充入30%的電量來計(jì)算，則調(diào)峰一次的充電收益為30×576kWh×30%×0.5元/kWh=2592元，在此響應(yīng)過程中，亦未給數(shù)據(jù)中心用電帶來任何影響。

　　

　　通過以上分析可知，當(dāng)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心變成儲(chǔ)能型的數(shù)據(jù)中心，其功能模式就變得更為豐富。數(shù)據(jù)中心不再是一個(gè)單純的電力負(fù)荷點(diǎn)，它同時(shí)又變成了一個(gè)可調(diào)用、可調(diào)節(jié)的電源點(diǎn)，靈活的電力切換模式于電網(wǎng)有利，于數(shù)據(jù)中心有利，于社會(huì)節(jié)能減排亦有利，同時(shí)，大量的可供調(diào)用的分布式電源點(diǎn)，也是構(gòu)建未來能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之一。

　　

　　儲(chǔ)能型數(shù)據(jù)中心的商業(yè)模式

　　

　　當(dāng)數(shù)據(jù)中心想做成儲(chǔ)能型的數(shù)據(jù)中心，其投資模式亦可發(fā)展改變。如果建設(shè)數(shù)據(jù)中心的業(yè)主愿意投資，則可以投資并獲得全部收益;如果業(yè)主覺得看不清楚趨勢(shì)，尚有風(fēng)險(xiǎn)，亦可由第三方資本進(jìn)行投資，做合同能源管理(EMC),具體的投資收益分成，業(yè)主可以和第三方資本協(xié)商。筆者通過下表簡(jiǎn)單分析了分別由業(yè)主自己投資和第三方資本投資各自所付出的以及所得到的回報(bào)，供大家參考。

　　

　　儲(chǔ)能的價(jià)值體現(xiàn)在真正需要的客戶那里

　　

　　儲(chǔ)能它的價(jià)值體現(xiàn)在真正需要它的客戶那里，儲(chǔ)能應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心就非常有價(jià)值。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展可以逐步顛覆傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的電能管理模式，同時(shí)也將顛覆此領(lǐng)域傳統(tǒng)的投資模式，這種顛覆是一種于多方有利的顛覆。暢想一下未來，當(dāng)數(shù)以百萬座的數(shù)據(jù)中心變成可調(diào)用的分布式負(fù)荷點(diǎn)、儲(chǔ)能點(diǎn)和電源點(diǎn)，同時(shí)又可提供大量的冷和熱，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的夢(mèng)想離我們又更近了一步。

　　

　　作者簡(jiǎn)介

　　

　　彭寬寬：碩士，現(xiàn)就職于上海西恩迪蓄電池有限公司，有9年電池相關(guān)材料開發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一直關(guān)注和研究儲(chǔ)能電池技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，熟悉并致力于推動(dòng)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在儲(chǔ)能相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，先后有多篇論文發(fā)表。