2021年第8卷第3期 南方能源建设 储能技术 2021 Vol. 8 No. 3 SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION Energy Storage Technology DOI: 10. 16516/j gedi. issn2095-8676. 2021. 03. 008 OA : 面向数据中心的储能系统应用研究 周钰，郝为瀚 （中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州510663） 摘要：[目的】在新基建的背景下，数据中心得到迅猛的发展，数据中心作为高密度负荷，如何最大限度采用清活能源 并降低运行能耗，得到越来越多的关注.
[方法】梳理了当前储能系统主流电池技术参数及数据中心供也需求.
[结 果】通过电池参数分析，给出了适用于数据中心储能系统的电池选型建议，随后提出了面向数据中心储能系统的应用 模式以及满足快速切换功能的储能系统拓朴结构.
【结论]通过典型工程案例验证了本技术方案的有效性.
关键调：储能系统：数据中心：双变换式拓扑结构：在线互动式拓朴结构 品品 中图分类号：TM73；TP308 文献标志码：A 文章编号：2095-8676(2021)03-0058-05 开放科学（资源服务）二维码： Research onApplication ofEnergyStorageSystemforData Center ZHOU Yu# HAO Weihan (China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co. Ld. Guangzhou 510663 China) Abstract: Itrodetion Under the background of new infrastructure data centers have developed rapidly. As ahighdensity load how to maximize the use of clean energy and reduce operating energy consumption has been more cocemed in dta centerprjets. Method The main battry technical parametes of energy Morage system and the power supply requirements of the data ceter were given in the paper. [ Result Through battery parameter analysis remendations for battery selection suitable for data center eps u pue sis up sp d a pue u ae susis ae system topology with the fast switching function are proposed. Cenclusion We verify the effectiveness of this technical solution through typical project case. Key words: energy storage system; data center; double conversion topology: online interactive topology 2095-8676 C 2021 Energy China GED1. Publishing services by Energy Observer Magazine Co. Ltd. on behalf of Energy China GED1 This is an open access article under the CC BY-NC license (https:/ereativemons.oeg/licenses/by-nc/4.0/). 新型基础设施主要包括5G基站、大数据中心、 在2035年、2050年将分别突破200TWh、600TWh、 人工智能、新能源汽车充电桩、城际高速铁路和城 1000TWh，分别占全社会用电量的5.31%及 际轨道交通、工业互联网、特高压等领域.
新基 7.35%.
随着数据中心能耗问题日益突出，储能作 建的本质是信息数字化的基础设施，是以新发展理 为灵活性调节资源，为优化数据中心的用能、最大 念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基 化利用清洁能源、提高供电可靠性并实现资源集约 础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升 及智慧能源管理等方面提供了强力有效的手段.
随 级、融合创新等服务的基础设施体系.
在这一背景 着储能产业的发展，产品成熟度不断提高、建设成 下，数据中心作为“新基建”建设的重要支撑得到 本不断降低、标准规范的不断完善，都为储能系统 了迅猛的发展及广泛的关注.
应用于数据中心建设奠定了良好的基础.
本论 2020年数据中心用电量占全国全社会用电量的 文旨在研究储能系统应用数据中心场景的应用模式 2.67%，预计2035年和2050年全国数据中心总能耗将 及方案，面向数据中心的储能建设提供参考.
收稿日期：2021-05-08修回日期：2021-06-17 基金项目：中国能建广东院科技项日“百亮瓦级电化学储能电站关继技术研究"（ER06601W）
第3期 周钰：面向数据中心的储能系统应用研究 59 1数据中心储能技术路线选择 2面向数据中心储能应用模式 目前规模化使用的电化学储能电池主要包括铅 根据《数据中心设计规范》（GB50147）的电 炭电池、磷酸铁锂电池、液流电池三类，各电池的 源要求，A级数据中心应由双重电源供电，并应设 具体参数如表1所示.
置备用电源，备用电源宜采用独立于正常电源的柴 油发电机组，也可采用供电网络中独立于正常电源 表1主流储能电池参数表 Tab. 1 Parameters of main energy storage battery 的专用馈电线路；B级数据中心宜由双重电源供 参数 铅炭电池 磷酸铁锂 波流电池 电，当只有一路电源时，应设置柴油发电机组作为 循环寿命/次 2000 000 8000 17 000 备用电源.
并鼓励分布式能源的利用.
结合上述数 使量效率 65%-75% 98% 90% 据中心的电源需求，储能在数据中心的应用模式主 能量比 要包括以下几方面： /(Whkg*) 0108 130240 406) 1）平滑新能源输出.
示意图如图1所示.
新 功卓比 50~140 200~315 00~00 能源配置储能作为一路主供电源，为数据中心供 /(Wkg°) 00C 1009 电，虽然不能降低PUE，但通过储能系统和新能源 成本/kWh 3 0005 000 1 0002 500 1.储能密度高、 的配合使用，可以平抑新能源波动，为数据中心提 1.电池寿命长 效率高 供稳定持久的电能.
优点 2.功率和容量 2.应用范围广、 1.安全性好 独立设计 安全性好 2.成本低 主供1 3.安全性好 3.材料成本低 1.能量效率低 1.低温性能差 2.佳量密度 2.充放电倍率 1.循环寿命仍短 主供2 缺点 2.放电倍率低 市电柴发 3.成本高 般 数据中心 储能 系统 新能源 对于适用于面向数据中心大容量储能系统应具 备以下特性： 图1A级数据中心储能系统配合新能源接入应用模式 1）安全性高，数据中心储能系统应采用性能 Fig. 1 Application mode of energy storage system integrates with new energy access in Class A data center 稳定，不易发生热失控的电池，上述三种电池由高 2）作为数据中心的备用电源.
示意图如图2 到低为液流电池、铅炭电池、磷酸铁锂电池，总体 所示.
该模式下储能预留部分备用容量作为数据中 而言，安全性均能满足数据中心应用需求.
心的备用电源，储能系统同时可参与电力市场调 2）循环寿命长，作为大容量储能电池一般 峰、辅助调频（如有）等辅助服务，一方面可提高 设计运行年限在10-15年，循环寿命不宜小于 数据中心供电的可靠性，另一方面也从电力市场服 3 000次.
务中获取收益补偿.
部分地区，在规定时间内可恢 3）充放电效率高，电池充放电效率的高低， 复市电供应的部分数据中心，可替代市电或者柴油 直接影响到系统的成本，因此也是需要考虑的重要 发电机备用回路，节省投资、提高项目整体经济 因素.
效益.
4）响应速度快，适用于储能的系统需适应电 3）采用特殊结构的储能系统替代传统交流不 力市场辅助服务以及备用电源快速启动的需求，备 间断电源（UPS）.
示意图如图3所示.
由于目前电 用电源启动时间不应低于15ms，液流电池启动相 网的供电可靠性高，大部分时间UPS处于事故备用 对铅炭电池及磷酸铁锂电池.
状态，正常运行时UPS电源的浮充损耗在5%- 结合上述特性需求及表1的电池特性，磷酸铁 10%，UPS资源不能得到充分利用.
如果采用能够 锂电池兼顾了上述特征，最为适合面向数据中心的 事故电源切换时间小于15ms的储能系统替代传统 储能系统.
UPS，能够在保证数据中心不间断供电的能力的同
60 南方能源建设 第8卷 主供1 主供1 主供2 主供2 储能 数据中心 系统 储能 系统 新能源 数据中心 备电 主供 备电 主供 FF 柴发 能能 系统 新能源 数据中心 储能 图2B级数据中心储能系统配合新能源应用模式 数据中心 系统 Fig. 2 Application mode of energy storage system integrates 图4B级数据中心储能系统备用电源应用模式 with new energy access in Class B data center Fig. 4 Backup power supply application mode of energy 时，可通过储能系统积极参与与电网的互动及服 storage system in Class B data center 务，与传统UPS相比可大大提高资产的利用率及系 1）双变换式拓扑结构 统运行收益.
双变换式拓扑结构将传统的UPS输入端的AC/ DC模块由整流元件改为整流逆变双向元件，对于 套 主供1 锂电池等无法浮充运行的电池应通过DC/DC模块 套 主供2 备电柴发 接人直流母线.
正常运行时，负荷可通过旁路开关 储能 或者双变换设备向直流负荷供电，也可通过输入端 数据中心 系统 的双向AC/DC模块向电网放电.
例如在峰谷套利 图3A级数据中心储能系统备用电源应用模式 的运行模式下，可以在谷价期间通过AC/DC模块 Fig. 3 Backup power supply application mode of energy storage 整流（或者旁路开关）向负荷供电同时向电池充 system in Class A data center 电；在峰值电价期间通过AC/DC模块逆变向电网 4）多站融合应用模式.
示意图如图4所示.
放电或者负荷放电，节约数据中心用电成本.
具体 多站融合建设模式和储能站、边缘数据中心和变电 拓扑结构如图5所示.
站、充电站、能源站等根据多种组合，可以实现 设备融合、控制融合、建设融合、信息融合，以达 旁路开关 到资源最大化利用，达到多方互利共赢的效果.
交流输人 AC/DC 直流母线 DC/AC （交流输出 3数据中心储能系统替代UPS典型方案 除储能系统替代UPS应用模式外，其他应用模 DC/DC 电池 式储能系统采用传统的储能变流器拓扑结构，常见 图5双变换式拓扑结构示意图 的包括单级式、双级式、H桥链式结构.
传统的储 Fig. 5Schematic diagram of double conversion 能系统响应时间在20ms以上，难以满足数据中心 topology structure 小于15ms的不停电切换需求，替代储能系统的 2）在线互动式拓扑结构 UPS可采用以下几种基于传统UPS的改进型结构， 在线互动式拓扑结构将传统UPS输人端电源接 能够实现事故快速为负荷供电的同时，也能向电网 口改为整流逆变双向的接口，并根据储能容量设 放电，实现与电网的双向互动，主要包括双变换式 计，确定电源接口及AC/DC模块的额定容量，通 拓扑结构以及在线互动式拓扑结构两种： 常比交流输出侧负荷需量大，以便在谷价可通过电
第3期 周钰：面向数据中心的储能系统应用研究 61 源接口给电池充电，在峰值电价时电池向负荷及电 表2拓扑结构技术经济比较表 网放电.
具体拓扑结构如图6所示.
Tab. 2 Technical and economic parison of the topology structure 交流输入 交流输出 参数 双变换式拓扑结构 在线互动式拓扑结构 电源接口 1.对传统UPS设备改动大.
2.设置直流母线，储能电池通过 1.对传统UPS设备改 AC/DC 输入编AC/DC模块和输出端DC/ 变小.
电池 整南避变 技术 AC模块实现备电及向电网放电 2.需增加电源接口和 特点 功录， AC/DC模块的通流能 图6在线互动式拓扑结构示意图 3.当采用不可浮充运行电油时需 力以满足储能功能的 Fig. 6 Schematic diagram of online interactive topology structure 要在直流侧增加DC/DC模块.
需求.
两种拓扑结构技术经济比较如表2所示.
1.能够实现os切换，电能质量 4典型案例 优点 好： 1.运行环节少，运行效 2.储能和旁路均可向符合供电， 率高.
本研究以惠州某数据中心（规划万台机柜）项 储能充放电运行方式灵活.
1.成本高，当不采用旁路供电方 目为例，针对数据中心配置储能的运行模式及设计 案时，效率比在线互动式拓扑结 1.存在小于4ms的切 方案进行研究.
项目为某大规模多应用场景试点电 缺点构低 换延时 池储能站，主要为该数据中心提供电量供应，同时 2.需考虑谐波治理.
2.稳压精度低于双变 3.控制对象多，切换复杂： 换式.
可为电网提供区域调峰调频及事故备用服务.
该 储能项目拟规划规模为90MW/180MWh，同时计 成本 高 中 切换时间 0s 划在储能站站区顶部修建光伏系统.
主线图如图7 小于4ms延时 适用场景类型数据中心 对切换时间要求不高 所示.
的数据中心 储能系统采用双变换式拓扑结构每个10kV母 线段接人4MW/8MWh或者5MW/10MWh储能系 运行模式（如表3所示）如下： 统，替代传统UPS.
经过经济测算，储能系统除参与系统调峰、调 储能系统具体运行模式设计如下： 频和紧急备用服务外，还同时为数据中心提供不间 1）正常运行时储能系统预留15min的备用容 断备用电源，考虑电力市场辅助服务收益，项目内 量作为数据中心备用电源.
部收益率8.3%，动态回收期7.05年，项目的辅助收 2）参与调峰、调额、紧急备用容量辅助服务 益情况如图8所示.
市电1 柴油发电机 市电2 柴消发电机 10 kV 10 kV 0 光伏系统 光伏系统 A 08t 380 V 储能系统 储能系统4 储能系统1-储能系统S .4 NW/8 MWh 380V数据中心其地负荷 SMWUMW 380V数据中心其他负荷 数据中心UPS负药 数据中心UPS负荷 图7储能系统接入数据中心主接线图 Fig. 7 Main wiring diagram of of energy storage system connected to data center
62 南方能源建设 第8卷 表3储能系统参与辅助服务收益情况 报 2021 41(1):13-24394. wss efeojs ueue jo uoenis ewu g LIANG Y L WU Y B MA Z et al. Application technology participation in auxiiary services analysis and developeent peospect of the new low voltage di- 服务类型 服务运行时间 年收益/万元 ns u pm mss uopz p dns um o 充电：0点-1点、17点-18点 tion [J]. Proceedings of the CSEE 2021 41( 1): 13-24394. 调峰辅助服务 放电：14点-15点、19点-20点 4 168. 3 [3] 徐坚，储能系统在数据中心的应用[J].通信电源技术， 1点~8点 11点~13点 15点~17点 2018 35(10) ;103-105. 调频辅助服务 20点~22点 1101.8 XU J. Applicati f ergy soe sym in data cer [] Tele Power Technology 2018 35( 10) :103-105. 紧急备用容量1点~14点、18点~19点 511 [4] 何宝宏，数据中心：下一披技术创新的制高点[J].信息通信 技术与政策，2020（6）：1-3. 14.0 HE B H. Data center;the manding height of the next wave of technological innovation [J]. ICT and Policy 202o(6 ): 1-3. 12.0 [5] DAYARATHNA M WEN Y FAN R. Data center energy con- 10.0 sumptioe modeling: a survey [I]. IEEE Coemmunications Sur- % veys & Tutorials 2016 18( 1);732-794. 8.0 [6] 叶冉，李超，梁晓晓，面向绿色数据中心的储能系统：体系结 回 6.0 构和管理方法[J].计算机研究与发展，2016 53（2）：326-340. YE R LI C. LANG X Y. Energy soage system in green daa 4.0 税后内部收益率/% 投 centers;architectre and management []. Joural of Computer 2.0 投资回收期/年 Research and Developeent 2016 53(2): 326-340. [] 张文亮，丘明，来小康，储能技术在电力系统中的应用[] 0.0 3.975 3.643 753.3125 2.981 25 2.65 电网技术 2008(7）;1-9 投资忆元 ZHANG W L. QIU M LAI X K. Applicatioe of energy storage 图8储能系统接入数据中心的电力市场辅助服务收益 technology in power system [I]. Power System Technology Fig. 8Power merket ancillary service ine of energy storage 2008(7): 1-9 systems connected to data centers [8] 徐文波，程华疆，白中华，等，多站融合模式下储能电站的优 化设计和运行[J].供用电，2019 36（11）：84-91. 5结论 XU W B CHENG H F BAI Z H et al. Optimal design and op- 本论文从数据中心的用电需求出发，分析了面 osnj opris-mm u oges amod ateops u jo uoge mode [1]. Ppwer Ssupply 2019 36(11);84-91. 向数据中心储能系统的应用模式，主要包括配合新 [6] 薛块，股文倩，杨志豪，等，电力市场环境下独立储能电站的 能源接人、备用电源、替代UPS、多站融合四个方 运行策略研究[1].电力需求侧管理，2018 20（6）：12-15. 面.
给出了数据中心替代UPS双变换式及在线互动 XUE Y YIN W Q. YANG Z H et al. Study on the operatioe 式储能系统拓扑结构，并对其特征参数进行了比 strategy of independent energystorage power station in power 较，最后以一典型技术方案及储能运行模式分析， market environmemt [3]. Power Demand Side Management. 2018 20(6) :12-15. 证明了本论文应用方案的有效性及经济性.
随着储 能系统成本的不断下降，面向数据中心储能产品的 产业化发展，相信数据中心储能会有越来越广阔的 作者简介： 应用前景.
周钰（通信作者） 1986-.
女，江西九江人，高级工程师， 参考文献： 硕士.
主要从事电池储能技术、微网技 [1] 李晓华，面向智慧社会的“新基建”及其政策取向[J].改革， 术、大型输变电工程设计工作（e-mal） zhouyu2@gedi. . cm. LI X H. *New infrastrcture construction”a and its policy orien- tation for smart society [J]. Reform 2020(5) ;34-48. 周钰 [2] 梁水亮，吴跃斌，马到，等，新一代低压直流供用电系统在“新 基建”中的应用技术分析及发展展望[J].中国电机工程学 （责任编辑李辉）
