近两年,各行业都在努力推进碳中和进程,作为高载能行业的数据中心行业自然义不容辞。IDC产业上下游企业都对数据中心PUE值格外关注。IDC上下游各企业纷纷“八仙过海,各显其能”,力图进一步降低数据中心PUE。

目前数据中心PUE值计算的方式主要有三种:1:=数据中心总能耗/IT设备能耗,2:=(IT设备能耗+空调能耗+供配电系统能耗+其他能耗)/IT设备能耗,3:=1+空调能耗因子+供配电能耗因子+其他能耗因子。其中,行业内较常用的是“PUE值=数据中心总能耗/IT设备能耗”。

通过计算公式可以看出,即便再降低数据中心PUE,PUE值的理论极限也是“1”。现阶段,新建数据中心PUE1.3、1.25已是“常规操作”,有部分应用液冷的数据中心,在理想条件下PUE已经突破1.1大关,数据中心降低PUE值似乎已经看到“天花板”。

可再生能源将成为数据中心必选项

从整个数据中心运营过程来看,降低PUE只是从设备耗能方面降低数据中心整体碳排放,在笔者看来,数据中心若想实现碳中和,应从“根源”出发,即从能源供给侧出发,采用可再生能源。

现阶段,绝大多数数据中心还是通过市电的方式作为电力主要来源,而市电几乎全部来自“火电”,如果数据中心可以采用如光伏、水力发电、风力发电等可再生能源作为电力供给的话,则可以从根源上实现可持续发展,从而推进碳中和进程。

从政策上不难看出,我国也有意引导数据中心应用可再生能源,国务院印发的《“十四五”数字经济发展规划》中就明确指出,持续提升数据中心可再生能源利用水平。

地方政府也积极响应国家号召,出台相关政策文件,推动可再生能源在数据中心中的应用占比。山东省工业和信息化厅发布相关文件指出“数据中心可再生能源使用比例提高10个百分点、达到25%以上”;宁夏回族自治区发布相关文件指出“到2025年,宁夏枢纽区域内可再生能源使用率达60%,中卫数据中心集群内可再生能源使用率达65%。”………

从政策不难看出及发展趋势不难看出,可再生能源已成为未来数据中心的必选项之一。

微电网为数据中心用电“保驾护航”

可再生能源虽好,但其供给不稳定的缺点,也让很多数据中心建设、运营者“望而却步”。当下,因为可再生能源的最优解就是配置“微电网”。

微电网,又称“微网”,指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络,并通过静态开关关联至常规电网。

微电网主要是利用储能和控制装置,实现分布式电源与本地负荷电力电量自平衡的微型供电网络,是新技术在配电网中的应用,是智能电网的组成部分。

微电网主要由分布式电源、负荷、储能、变配电和控制系统构成,可以实现自我控制、保护、管理的自治电力系统,既可以与外部电网(市电)并网运行,也可以孤网运行。

微电网是一个相对传统大电网的概念,发展微电网能够充分促进分布式可再生能源的大规模接入。微电网与大电网“相辅相成”,尤其在大电网没有覆盖的地区可以发挥更大的作用,以弥补大电网的不足。

正如上文的介绍所言,微电网是一种可以用于管理多种不同能源的系统(如市电、光伏、风力发电、水力发电,甚至柴油发电机)。通过微电网可以帮助数据中心在确保安全稳定运行的同时,提升可再生能源应用占比,为数据中心应用可再生能源“保驾护航”。

运行方式层面,微电网主要分为并网型、孤网型,现阶段应用较多、应用性较强的是并网型,即:可以实现与传统电网交互。

相较于传统电网,微电网最主要的优势在于:可以对分布式能源(如风光水电)就地消化、就地平衡,并同时与传统电网进行能量交换(主要用于“反哺”电网,并实现“峰谷套利”)。

以现阶段微电网发展趋势来看,微电网主要有如下几个特点。

微型:微电网,顾名思义,其相较于“大电网”而言较微小。当下微电网电压等级一般在10kV以下;系统规模一般在兆瓦级及以下,与传统电网相比,规模较“微”。主要是利于电能就地消耗。

可持续:微电网内分布式电源主要以光伏、水电、风电等清洁能源为主,或者将清洁能源发电与市电和柴油发电机混合,行程综合能源管理体系。利用微电网可以有效帮助数据中心从源头上降低碳排放。

自治:微电网内部电力电量能实现基本自平衡,与外部电网的电量交换一般不超过总电量的20%。

可靠:正如上文所述,数据中心部署微电网一般采用与传统电网并网的形式部署,微电网与市电“相辅相成”,可以“互为冗余”。微电网对传统电网有支撑的作用,并且可以在并网、离网两种模式下顺畅的切换,保障了数据中心用电的稳定性。

在“双碳”战略目标的推动下,数据中心大规模应用可再生能源已经是大势所趋,而微电网的存在可以看做是一个“调度者”的身份,帮助平衡储能、柴油发电机、大电网、可再生能源发电,以及储能之间的供电关系,帮助数据中心提高可再生能源应用占比,进一步推进数据中心碳中和。

退一步说,即便不是为了提高可再生能源在数据中心中的能源占比,微电网也可以帮助数据中心稳定电力供给,疏解电力压力。众所周知,“电”是数据中心唯一的能源来源,数据中心作为将瓦特转化为比特的关键基础设施,在其自身对业务连续性、稳定性极高的要求下,对电力供应的稳定性、连续性自然也是不言而喻。

据统计,数据中心发生故障有超过三分之一是由电源引起的,而微电网的存在可以帮助数据中心缓解,甚至消除在电力供给侧的“担忧”。当市电发生故障时,断开电网连接的微电网本身就是一个孤岛,采用可再生能源的电力向数据中心提供持续的电能。由于这种电力独立于电网进行生产、存储和消耗,因此其可靠性、连续性并不受传统电网电力中断的影响。

政策引导+技术成熟=大规模应用将至

微电网发展至今已有成熟的技术作为底层支撑。现阶段,微电网主要是以分布式电源的电能转换、调度为基础,采用离网/并网的方式组网,并由风力发电机、光伏发电机、蓄电池、柴油发电机、市电网络、逆变器等在内的几部分组成,可形成完善的自备发电、配电、智能调度管理体系,具备能量调度、电网保护、快速切换、实时监控等能力。

近年来,随着技术的发展,尤其是在人工智能的“加持”下,微电网也应用了机器学习、软件/数据驱动等技术,利用控制器,实现了可根据实际情况快速自动切换的能力。先进的微电网控制器利用机器学习和数据驱动的解决方案来跟踪电网电价的实时变化。当一切正常时,电网和微电网会协同运行并相互提供电力服务。

反之,在电力价格较低的时候,由可再生能源发电设施和电池储能系统构建的微电网就会选择从电网接入电力为储能系统充电;

在电网出现故障或电力供应不足(如遇见市电用电高峰期、自然灾害导致断电等),数据中心则可以从微电网获取更多电力,缓解、平衡电网压力。甚至微电网还可通过需求侧响应的方式,为数据中心提供可观的收入来源(我国多地方政府已出台政策,对完成需求侧响应的企业予以高价回收电力的政策性优惠)。

微电网在各行业中的应用已屡见不鲜,早在2018年,维谛技术就在厦门大学翔安新校区采用光伏微电网的形式,创新推出了一套直流微电网,依靠太阳能就能直接给数据中心、直流充电桩、照明、空调等用电设施供电;辽宁省工商联组织民营企业也在2021年9月和2022年9月在西藏申扎县塔尔玛乡捐资投建了两期“风光储微电网”项目,将集风罩、纯方波永磁发电机和控制器三大核心技术高度融合,建设智能微电网,解决了当地多年来高海拔地区发电难题……

微电网在保障用电方面的贡献卓越,不过,当下微电网在数据中心中的应用仍处于发展阶段。

首先,微电网在数据中心中的应用还需要政策进一步的引导。当下已有部分地方出台相关政策,鼓励、引导各行业应用微电网,实现碳中和。

国家发改委办公厅、国家能源局综合司发布的《关于促进光伏产业链健康发展有关事项的通知》中指出,鼓励光伏产业制造环节加大绿电消纳。鼓励多晶硅生产企业直接消纳光伏、风电、水电等绿电进行生产制造,支持通过微电网、源网荷储、新能源自备电站等形式就近就地消纳绿电。广东省深圳市发改委印发的《深圳市关于促进绿色低碳产业高质量发展的若干措施(征求意见稿)》中明确指出,推进新能源微电网示范建设。探索适应城市光伏等新能源发展的微电网技术及运营管理体制,鼓励利用可再生能源、储能设施搭建微电网。对利用分布式能源、储能装置和可控负荷组成的微电网示范项目,按项目总投资的20%给予资助,最高500万元。上海静安区印发的《静安区碳达峰实施方案》中提出,推动能源智慧化体系建设。打造国际领先的城市配电网,探索试点钻石型配电网。探索用电需求响应机制,推动南京西路功能区虚拟电厂建设试点。积极推进源网荷储充一体化和多能互补发展,推广以分布式“新能源+储能”为主体的微电网和电动汽车有序充电,积极探索低成本、高安全和长寿命的新型储能技术应用……

在碳中和的大背景下,微电网将会在各行业中大规模应用,对于高载能的数据中心而言,应用微电网将成为数据中心在保障业务连续性、稳定性的前提下,实现大规模可再生能源应用,以及电网智能化、清洁化的可行路径之一。

当微电网得以在数据中心中大规模应用之时,数据中心也许将不再一味的依靠降低PUE来推进行业实现碳中和进程。

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