[编号 ODCC-2019- 02002] 数据中心储能白皮书 开放数据中心标准推进委员会 2019-9-3 发布 ODCC-2019-02002 数据中心储能白皮书 目录 1 范围1 2 引言1 3 数据中心电化学储能系统1 3.1 铅酸电池2 3.2 铅炭电池2 3.3 锂离子电池2 3.3.1 磷酸铁锂电池3 3.3.2 三元锂电池4 3.4 全钒液流电池4 3.5 钠硫电池5 3.6 主流电化学储能技术对比6 3.7 当前适用于数据中心的电化学储能技术7 4 数据中心园区级储能8 4.1 数据中心园区级储能概述8 4.2 数据中心园区级储能方案架构9 4.2.1 高压侧储能系统9 4.2.2 低压侧储能系统 10 4.3 数据中心园区级储能关键技术 12 4.4 数据中心园区级储能价值 13 5 数据中心微模块储能 14 I ODCC-2019-02002 数据中心储能白皮书 5.1 数据中心微模块储能概述 14 5.2 数据中心微模块储能方案架构 15 5.3 数据中心微模块储能关键技术 16 5.4 数据中心微模块储能价值 18 6 数据中心机柜级储能技术 19 6.1 数据中心机柜级储能概述 19 6.2 数据中心机柜级储能方案架构 20 6.2.1 整体架构 20 6.2.2 方案适应性及优势 22 6.3 数据中心机柜级储能关键技术 22 6.3.1 集群功耗控制 22 6.3.2 智能扛峰 23 6.3.3 管控接口 24 6.4 价值探讨 25 II ODCC-2019-02002 数据中心储能白皮书 前 言1 数据中心的运营成本中，电费始终占据很大的比重。降低运营电费是降低 IDC 年运 营成本的关键。降低电费有两个途径：一个是降低 PUE，提高数据中心整体能效达到节 能降费的目的；另一条是降低电费单价，例如通过国家的调峰填谷电费政策，降低电费 单价。 通过采用能量型电池组作为储能电源，储能电源本身即可当不间断电源，给数据中 心的负载设备供电，也可以实现电力削峰填谷。这不但可以降低电网的峰值负荷，有利 于电网安全运行，实现数据中心的节能减排，还能通过峰谷电价套利，产生巨大的经济 效益和社会效益。 ODCC 始终关注数据中心技术以及储能产业的发展，联合相关单位共同编写本白皮 书，对数据中心储能系统现状、需求和当前主流储能系统等方面进行了详细的梳理，以 期更进一步推动数据中心储能技术的发展。 本文感谢以下起草单位 （排名不分先后）： 腾讯科技（深圳）有限公司、中国信息通信研究院、维谛技术有限公司、英特尔亚 太研发有限公司、阿里云计算有限公司、科华恒盛股份有限公司 起草人 （排名不分先后）： 朱华，李典林，张佳斌，张海涛，曾宪龙，刘灵丰，韩鹏瑞，吴美希，吴健，朱莉，李 旭，宋川，梁小国，姜峰，宋军，林金水，冯晓滨，林清民等 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。 III 数据中心储能白皮书 1 范围 本文主要讨论范围是数据中心的电化学储能系统，及其在数据中心中的应用。 2 引言 数据中心为了在市电中断时保障设备运行的连续性，通常需要配置各类形式的储能 系统。 储能即能量的储存。根据能量存储形式的不同，广义储能包括电储能、热储能和氢 储能三类。电储能是最主要的储能方式，按照存储原理的不同又分为电化学储能和物理 储能两种技术类型。其中电化学储能技术主要包括铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、 液流电池和超级电容器；物理储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能和 超导储能。 目前数据中心最常见的储能系统是用于不间断电源的储能系统。不间断电源配置的 储能系统，可以采用电化学储能，即蓄电池储能；也可采用物理储能，即飞轮储能。采 用电化学储能是主流。蓄电池的选取，当前以铅酸蓄电池为主，也有部分数据中心选取 锂离子电池。 3 数据中心电化学储能系统 目前，电化学储能技术主要以锂离子电池、铅蓄电池、钠硫电池和液流电池为主， 这些技术在可再生能源并网、分布式发电及微网领域已实现兆瓦级的示范应用，同时在 调频辅助服务、电力输配、电动汽车等领域也在进行应用示范。 1 3.1 铅酸电池 铅酸蓄电池已有 100 多年的使用历史，非常成熟。以其材料普遍、价格低廉、性能 稳定、安全可靠，具有免维护性、优越的高低温性能、耐过充和优越的充电接受能力、 电池一致性高等特点，因而在数据中心中得到非常广泛的应用。铅酸电池依旧被采用。 但铅酸电池也有一些严重的缺点，主要就是循环寿命很低，比能量也较小，充放电倍率 也较低。如果是单纯的作为后备电源，仅是在停电等紧急情况下电池进行放电，保障供 电连续性，传统铅酸电池还是能够基本满足需求的。但是其循环寿命低的弱点，也决定 了其在削峰填谷等高强度使用的储能场景下的应用前景。 3.2 铅炭电池 铅炭电池是从传统的铅酸电池演进出来的技术，它是在铅酸电池的负极中加入了活 性炭，能够显著提高铅酸电池的寿命。与传统的铅蓄电池相比，铅炭电池有以下特点： 充电速度快，放电功率高，循环寿命显著增长，可达传统铅酸电池的 6 倍，同时也保留 了铅酸电池安全稳定的特性，可广泛地应用在各种新能源及节能领域。使用了铅炭技术 后，铅炭电池的性能优于传统的铅酸蓄电池，可应用于新能源车辆中，如：混合动力汽 车、电动自行车等领域；也可用于新能源储能领域，如风光发电储能等。由于铅炭电池 与铅酸电池的原理、体积和能量密度较为相近，对数据中心传统储能系统进行演进，用 铅炭电池来替代铅酸电池具备较高的可行性。 3.3 锂离子电池 2 锂离子电池由于具有高的比能量、优异的循环性能和绿色环保等优势，已基本占据 便携式电子产品市场，如手机、笔记本电脑、照相机等。锂离子电池的工作原理主要依 靠锂离子在正极材料（金属氧化物）和负极（石墨）之间嵌入和脱出来实现能量的储存 和释放。锂离子电池具有很高的工作电压，比能量可达到 150Wh/kg。锂离子电池的性 能主要依赖于电极材料和电解质的发展，而电极材料的选择尤为重要。目前锂离子电池 的主要的技术路线为磷酸铁锂电池及三元锂电池。 3.3.1 磷酸铁锂电池 LiFePO4 是一种具有橄榄石结构的磷酸盐化合物，它具有稳定的充放电平台，充放 电过程中结构稳定性好，安全性高，价格低廉，环保无污染，比容量可达 160Ah/kg，是 近年来发展最快的一种锂离子电池正极材料体系，广泛应用于电动汽车和储能领域。 LiFePO4 存在的主要问题是振实密度低以及电子、离子电导率差，可以通过材料纳米 化、二次造粒、碳包覆和掺杂等方法来提高 LiFePO4 电化学性能。 磷酸铁锂电池单体输出电压高，工作温度范围宽，比能量高，效率高，自放电率 低，在电动汽车和静态储能应用中的研究也得到了开展。目前磷酸铁锂电池由于成本 低、安全可靠和高倍率放电性能受到关注。 磷酸铁锂电池的技术特点如下： 安全性：安全可靠，全密封，不怕火烧，不爆炸； 循环寿命长：在室温和 100%DOD 情况下，电池的循环寿命不小于 5000 次； 性能价格比高：普通常用材料。 一致性好：目前国内的磷酸铁锂电池厂家已经具有自动化生产线，保证了电池产品 的一致性。 3 3.3.2 三元锂电池 三元聚合物锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂（Li （NiCoMn）O2）三元正极材 料的锂电池。三元材料电池由于具有电压平台高、能量密度高、振实密度高、电化学稳 定、循环性能好等特性，在提升新能源汽车的续航里程，减轻用户续航里程忧虑方面具 有明显优势，同时还具有放电电压高，输出功率比较大，低温性能好，可适应全天候气 温等优点，因此正逐渐受到汽车生产厂商和用户的青睐。 3.4 全钒液流电池 全钒液流电池全称为全钒离子氧化还原液流电池。全钒液流电池中的两个氧化-还原 电对的活性物质，分别装在两个储液罐中的溶液中，各用一个泵，使溶液流经电池，并 在电池内的离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应。单电池通过双极板串联 成堆。全钒液流电池作为储能电源，主要用于电厂调峰项目系统、大规模的光电转换系 统、风能发电的储能电源以及边远地区储能系统、不间断电源或应急电源系统等。 图 3.1 全钒液流电池原理图 4 全钒液流电池用于储能系统，具有的特征如下： 电池系统组装设计灵活，易于模块组合，蓄电规模可大可小。全钒液流电池的活性 物质以液态形式贮存于储液罐中，容量取决于外部储液中活性物的容量和浓度，因此功 率输出和能量储存部分是相互独立的，可根据适宜的地理环境条件设计建设，而容量可 通过增加电解液体积来实现。如边远地区以柴油机发电为主要电源，全钒液流电池可按 需求来调节电网，实现输出功率的稳定。 电池系统可高速响应，高功率输出。全钒液流电池充、放电可在很短的时间内完 成，通过更换溶液，可实现电池的即时充电；通过电堆的不同组合，来提供不同的输出 电压；负载变化时或放电深度增加时，可用附加电池维持输出电压恒定。 电池系统易于维护，安全稳定。所有单电池的反应物不存在固相反应，容易保证电 堆的一致性和均匀性；电池的电解液均置于相同的储液罐中，每个电池的放电状态是相 同的；同样，其工作温度为室温条件，所以电池系统是安全稳定的。 电池寿命长，全钒液流电池没有循环寿命问题，它的失效机制主要是电堆材料或辅 机元件的老化。 3.5 钠硫电池 钠硫电池具有较高的储能效率（约 89％），同时还具有输出脉冲功率的能力，这一 特性使钠硫电池可以同时用于电能质量调节和负荷的削峰填谷调节两种目的，从而提高 整体设备的经济性。与传统的化学电池不同的是，钠硫电池采用的是熔融液态电极和固 体电解质，其中，负极的活性物质是熔融金属钠，正极活性物质是硫和多硫化钠熔盐， 固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子的Al2O3 陶瓷材料，电池外壳则一般用不锈 钢等金属材料。 5 钠硫电池具有许多特点，其一是比能量高，是铅酸电池的 3~4 倍；其二是可大电 流、高功率放电。其放电电流密度一般可达 200~300mA/cm2 ，瞬时间可放出其3 倍的 固有能量；其三是充放电效率高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质 二次电池的那种自放电及副反应。钠硫电池也有不足之处，需工作温度在 300~350℃， 所以，电池工作在充电状态下需要一定的加热保温，在放电状态下还需要良好的散热设 计；同时，其充电状态只能用平均值计量，所以需要周期性的离线度量；此外，由于硫 具有腐蚀性，电池的护体需要经过严格耐腐处理。 图 3.2 钠硫电池结构 3.6 主流电化学储能技术对比 各类电化学储能技术路线对比如下表所示： 电池类型 经济性 安全性 能量密度 环境友好性 循环寿命 材料普遍、 性能稳定、 体积较大， 封闭壳体， 1000-3000 铅炭电池 价格低廉 安全可靠 能量密度低 无污染 次 磷酸铁锂电 随着电动汽 安全可靠， 相比铅炭电 封闭壳体， 5000 次 6 池 车广泛应 全密封 池，能量密 无污染 用，成本逐 度较高，约 渐下降 200kWh/m3 能量密度高 受限于材料 安全性能 于 LFP，约 封闭壳体， 4000-6000 三元锂电池 成本，下降 差，分解温 为 无污染 次 空间低 度 200℃ 200kWh/m3 工作温度为 使用大型储 全钒液流电 初始成本投 有毒气挥发 室温条件， 液罐，能量 12000 次 池 资高 隐患 安全稳定 密度最低 初始成本投 硫具有腐蚀 资高，且技 钠金属活 性，电池的 铅酸电池的 钠硫电池 术路线受限 跃，存在安 护体需要经 2500 次 3-4 倍 于日本，运 全隐患 过严格耐腐 维收费高 处理 表 3.1 主流电化学储能技术分析 3.7 当前适用于数据中心的电化学储能技术 在数据中心建设储能系统，选择电池技术路线时，应充分考虑的因素包括： （1）安全性：数据中心作为是数据传输、计算和存储的中心，是我国移动通讯、大 数据、云计算、网络支付、人工智能等产业领域的重要基础设施。因此安全性是选择储 能电池时的重要考虑因素。 7 （2）空间与重量：目前数据中心多建设在市中心，空间布局紧张，因此大型储能电 站的投入必须考虑电池的能量密度。 （3）经济性：数据中心建设储能电站，收益为重要考量因素，因此对电池技术路线 的选择，其经济性包括对成本及循环寿命的考量必不可少。 （4）环境友好性：选择环境友好型电池，对于目前建设绿色节能数据中心的意义十 分重大。 结论： 钠硫电池技术不成熟，纳金属活跃，三元锂电池分解温度低，导致电池安全性能相 对差，不建议在数据中心应用。液流电池使用大型储液罐，能量密度低，这种电池技术 路线更适合应用与我国西部大型光储或风储电站，不适合应用于数据中心。因此目前数 据中心投建大型储能电站建议选择铅炭电池或磷酸铁锂电池，并根据项目实际情况，在 两者中选择合适的电池技术路线 数据中心园区级储能 4.1 数据中心园区级储能概述 如今的数据中心严重受限于其功耗预算和碳排放配额。面对与日俱增的能耗开支和 节能减排压力，学术界和工业界不约而同地开始关注非传统的绿色数据中心设计。最 近，能源存储设备(Energy Storage System ， ESS)逐渐成为数据中心中一种新兴的关键 使能元件，它能够极大提升数据中心的能效和可持续性。一方面，ESS 使得数据中心可以 通过削减由不规则负载带来的短暂峰值功耗来降低运营成本;另一方面，它还能够方便新 能源在数据中心中的融合，从而极大降低对环境的不良影响。ESS 在新型数据中心设计中 的系统结构，ESS 在管理功耗尖峰和供电波动两大方面发挥的重要作用。对比多项前沿研 8 究并探讨 ESS 的关键设计点如成本、能效、可靠性等，同时 ESS 未来发展所面临的其他 机遇和挑战。 4.2 数据中心园区级储能方案架构 数据中心园区储能目前大致有两大方向： 4.2.1 高压侧储能系统 高压侧储能系统通常以大型集中储能高压侧 10KV 或 35KV 接入方案； 大型高压侧接入方案中，可面向园区多个数据中心或其它负荷作为一起的应急电 源，可在园区与电网的关口点运行峰谷测试，实现整个园区的峰谷控制，同时作为应急 电源解决整个园区的应急供电，此方案中若储能容量不够大，还需在电网停电时控制非 重要负荷下电控制，整个系统控制的复杂程度高，且作为集中式的供电方式，应急供电 线路长，可靠性低的问题： 图4.1 高压侧储能系统拓扑 应用特点： 1） 峰谷电价运行控制策略； 9 2） 分级下单控制要求高； 3） 作为一个集中式大型的储能接入方案，也具备了电网辅助服务的特点，满足电 网调度的要求，可参与电网辅助服务； 4） 系统利用能力互联平台，打造智能储能系统，充分利用到当地的窝电、弃电； 5） 通过大型储能系统园区接入，在提升园区供电系统稳定可靠的同时，还能够集 中式解决园区及数据中心电能质量问题； 此系统为进一步提升数据中心供电的可靠性，可储能结合 UPS 电源系统一并应用的 系统，如下拓扑： 电网 EMS能量管 理系统 UPS系统 双向变流 器PCS 机房动环 系统 空调、照明 数据中心 等辅助负荷 储能电池系 统 图4.2 结合 UPS 的高压侧储能系统拓扑 4.2.2 低压侧储能系统 低压侧储能系统通常以一个数据中心机房或一个集中供电单元低压侧接入，此方案融 入了直流母线系统，系统架构如下： 10 AC 10KV/35KV 园区 IDC 充电桩 Load PCS PCS DC240V DC750V直流母线 DC Load AC Load 光伏系统 储能系统 其它负荷 图4.3 低压侧储能系统拓扑 系统特点： 1） IDC 机房或一个单元供电拓扑组成一个系统，采用直流母线的方案，储能接入 直流母线） 母线中融入光伏的直流接入方案，使光伏系统的效率最大化应用； 3） IDC 应急电源部分直接采用高压直接方案，在储能直流母线通过 DC/DC 变换单 元接入供电； 4） IDC 供电电源还有传统的交流供电方案，与本次直流母线供电方案形成双备 份，与当前互联网数据中心主流的一路市电，一路高压直流方案比较契合，提升供电可 靠性； 5） 此系统接入规模以 300-500KW 一个单元，可作为标准化单元，提高可靠性的 同时规模化来降低成本。 11 综上，是园区数据中心接入方案中的目前有应用的两种，当然随着技术的发展可能会 有更多的应用框架出现，当社会和电网的需求驱使及经济价值更进一步增长，随着更多的 资本、业主、设计院、供应商的参与，储能及可再生能源的接入更加多样化。 4.3 数据中心园区级储能关键技术 因数据中心用负荷超高，仅仅依靠采用太阳能或风能等可再生能源自发自用是不现 实的。据推算数据中心若要完全使用太阳能发电提供电力，所需的光伏板面积相当于近 百倍的数据中心面积。而且光伏风电等可再生能源还具有不连续性的特点，部分时段还 会有弃光弃风等现象。不过随着锂电池等储能技术成本下降，光伏+储能系统供电可能会 成为数据中心的新型解决方案。 那么绿色数据中心在可再生能源接入的情况下，因可再生能源的不稳定性是比较大 的一个问题，ESS 系统将可再生能源融入到数据中心也是非常关键的一部分，那么关键的 技术有两部分需要大幅提升： 1） 储能蓄电池 因系统的工作特性，需要储能电池的循环次数高、能量密度高（占地小）、能够适 应不同的充放电倍率特性、安全性等大幅提升； 2） 能源管理 EMS 能量管理系统，除了应要有基本的发电、储电、用电的基本控制管理策略外， 还需重点针对园区数据中心的应用情况深入分析，能够分析数据中心用能知识库，对接 入的能源及用能情况提供预测并给以维护建议，为后期的数据发展提供参考建议，及时 处理后期扩容等问题提供预测方案。这方面也是目前能源管理系统需要一定的 AI 能力， 也是目前能管理管理系统还比较欠缺的模块。 12 随着人工智能（AI）的发展，能量管理系统可以在数据中心的应用可以走在前面， 依托数据中心行业的强大基础及人才，将使能源管理系统的各个 AI 模块完善起来，已最 终达到能源管理系统在数据中心控制的全面成熟化。 4.4 数据中心园区级储能价值 1） 通过园区大型储能系统的接入，储能系统具有大容量的储能电池组，长时间的 供能能力，具备了园区或数据中心灾备电源的功能； 2） 利用储能系统在峰谷差价的运行策略，降低园区和数据中心用电大户的用电电 费，减少了数据中心的运营成本支出； 3） 通过储能存储及释放电能时间转移能力，解决再生能源发电的不确定性的技术 特点，使得可再生能源更灵活的接入数据中心，把一些不可能变成可能，真正达到绿色 数据中心。 4） 针对部分具有用电功率峰谷特点的园区，储能通过平滑用电峰谷，实现降低变 压器的容量费（需量费）的目的。 5） 储能系统的快速响应能力，也具备一定的电能治理能力，能够为园区解决电能 质量问题，提升用电质量。 7）数据中心可再生能源接入，提高绿色数据中心的比例增加储能系统则能很好地解 决这些问题，把消耗不掉的电量储能起来，在发电不足或用电高峰时放出，以平滑发用 电为目的，弥补新能源发电不稳定的缺陷，避免浪费。可解决以下可再生能源发电问 题， 1、光伏、风能出力难预测的问题； 2、光伏、发电快速波动的挑战； 13 3、备用容量加大，快速响应电网调度和调峰需要。 6） 电网中的储能环节能有效调控电力资源，能很好地平衡昼夜及不同季节的用电 差异，调剂余缺，保障电网安全。是可再生能源应用的重要前提和实现电网互动化管理 的有效手段。作为大型的储能系统，其重要意义在于可作为智能电网的基础单元，提高 电网运行可靠性，调节电力峰谷运行，节约大量发电设备的投资及能源的损耗。 在园区数据中心设计中，储能系统的设计，作为能量储存和快速响应的载体，可以 实现打造一个“源-网-储-荷”高度互动的一个能源网络，降低能源投资规模，提高能源 利用率，实现能源消费市场化。 5 数据中心微模块储能 5.1 数据中心微模块储能概述 在数据中心的供电方案中，无论是交流供电的 UPS 还是直流供电的 HVDC （240VDC 或 336VDC）电源，配置的电池通常在 15min~30min 左右，其中 30min 的占多数。数 据中心的供电可靠性设计本身很高，实际的运行中很少出现停电的情况，因此用于备电的 铅酸电池使用率很低。由于铅酸电池寿命原因，5 年左右就需要报废更换，投资费用巨大， 而电池的功能却似乎没有充分、有效发挥，成为了一个损耗型的资产。此外，由于电池大 部分时间都是处于浮充状态或者非放电的状态，电池的健康状况不能实时检测，有可能在 需要放电的时候才发现问题，不能保证备电可靠性。在这种情况下，利用峰谷电价差异， 对电池进行储能管理，既可以使电池成为创造价值的经济资产，也可以实现对电池状态的 日常检测，大大提高了备电可靠性。在微模块级别，不同微模块之间的负载率，根据部署 业务的区别，以及上架策略的不同，其负荷波动率往往较大，单模块过载超电的概率相对 14 较高。对储能系统的深层次利用，可以在负荷波动时，承担部分负荷来确保市电不超负荷， 从而保障微模块的供电安全，同时减少因超电带来的损失 （如罚款，或更高的容量电费等）。 数据中心备电电池储能利用，根据不同的地区电价、电源和电池配置，设计一套合理 的储能实施方案是关键。为满足数据中心快速部署、按需建设的需求，标准化设计的微模 块越来越广泛地得到了应用。微模块标准化设计使电源系统和电池容量都是标准化配置， 为储能方案标准化的应用提供了良好的基础。一套合理易行的储能方案，可以广泛应用于 同样的微模块。 5.2 数据中心微模块储能方案架构 微模块储能方案最大的优点是依托于原有的备电型电源架构（如UPS 或者 HVDC）， 只需要做较小的改动即可实现从纯供电到储能+供电的功能转换。 HVDC 储能系统的架构如图 5.1 所示，与常规 HVDC 系统相比，微模块储能方案架 构没有根本性的变化，变化的是电源的管理单元软件和电池类型及容量的配置。 图 5.1 HVDC 储能系统示意图 微模块的储能系统通过监控管理单元与数据中心管理平台进行通信，中心管理平台除 了对各微模块电源和电池的运行状态进行实时监控，还具备了对各个微模块的储能运行情 况和经济数据进行统计分析的功能，并可根据实时电价对储能系统的模式进行调整设置。 15 储能型 UPS 在传统 UPS 的基础上可能会增加电池的容量，同时加大充电器的能力， 集成能量管理和调度策略，实现利用 UPS 的后备电池对负载进行有控制地供电或对电网 进行回馈的储能作用。储能型 UPS 基本架构如图 5.2，其中 Rec 为双向整流器，Inv 为逆 变器，DCDC 为满功率的充放电器，电池为铅炭电池或锂电。双向整流是与普通 UPS 功能 不同的部分，可实现电池能量回馈电网。在部分储能方案中，有些 UPS 没有采用双向整流 器，电池只能对负载供电。 Rec Inv DCDC 图 5.2 UPS 储能系统示意图 储能的载体是电池，传统数据中心备电的是循环次数较少铅酸电池，不能满足每日充 放电需求。针对储能应用，数据中心可以选择高循环次数的铅炭或锂电池。铅炭电池在 60% DOD 下可以满足 3000 次以上循环，适用于需要保留一定备电容量以确保备电的数据中 心需求。与锂电池相比，铅炭电池更佳的性价比、更高的安全性目前更加受到数据中心储 能的青睐。 5.3 数据中心微模块储能关键技术 在微模块储能中，关键技术是如何实现电池按需进行充放电控制。 HVDC 系统中模块输出、电池和负载三者是直接并联的，通过对电源整流模块的精 确输出控制，可实现电池在电价峰段按计划、有控制地放电，在特定的时间段，通常为 谷段进行充电，根据储能循环的策略也可以在部分平段部分充电。电池放电模式通常有 16 两种策略： 1） 按负载总量所需放电，整流模块无输出； 2） 电池受控恒流放电与整流模块输出共同承担负载电流。 在数据中心微模块电池容量配置相对较小的情况下，第一种方案对电池是大倍率放 电，如电池为 30min 备电容量，很快就需截止放电，且大倍率放电效率不佳。第二种方 案是更佳的放电模式，通过监控与管理，使电源承担大部分电流，实现电池恒流、小电 流、较长时间的放电。根据峰值时间与电池特性设计出最佳的放电电流和放电时间是关 键。如果备电容量是 30min，注意需要保证电池每日循环合计放出容量计划不超过 50%，一是可以获得最佳的循环性能，二是保障在生命周期过程中，任何时候剩余容量 能满足 10 分钟的备电需求。 图 5.3 是 HVDC 储能电源系统在第二种方案下的工作模式。 图 5.3 HVDC 储能系统充、放电示意图 与 HVDC 相比，UPS 储能工作的联合供电模式与 HVDC 峰段放电模式类似，而电网 调度模式是储能 UPS 特有的工作模式。 17 1） 联合供电模式 （图5.4）：关键负载由电网和电池放电器共同来承担供电。用电 高峰时，可以降低对电网供电容量需求，属于典型的 “削峰”应用。 2） 电网调度模式 （图5.5）：电池不仅供给关键负载，还回馈能量给电网，可以有 效应对临时的高峰负荷需求。回馈的有功和无功含量由电网的需要来调度。 Rec Inv DCDC 图 5.4 UPS 储能联合供电模式 Rec Inv DCDC 图 5.5 UPS 储能电网调度模式 5.4 数据中心微模块储能价值 18 图 5.6 峰谷电价示意图 采用微模块储能方案的数据中心，利用供电系统已有的电源，将传统的铅酸电池改为 铅炭电池，不会导致系统成本的明显增加。从投资回报周期看，因为采用铅炭电池代替 铅酸增加的费用，通常两到三年内可以收回，之后即为储能盈利。 分析结论 铅碳电池价钱 （RMB） 168,000 原来铅酸电池价钱 （RMB） 120,000 电池增加成本 （RMB） 48,000 每年节省电费（RMB） 21,637 电池生命周期节省电费 （RMB） 195,626 所有节省电费减除铅碳电池成本后收益（RMB） 27,626 铅碳电池可使用寿命（年） 9 以电池增加成本计算，回本周期 （年） 2.22 以铅碳电池价钱计算，回本周期 （年） 7.76 表 5.1 HVDC 系统 144KWh 电池投资分析 数据中心微模块虽然电池容量不大，但是数量较多，通过峰段放电、谷段充电将静置 的电池利用起来，一方面可以实现电池健康状态的检测，另一方面，可以使消耗型的固 定电池资产产生可观的经济价值。如图 5.6 所示，以某微模块为例，峰/平/谷段电价分别 为 1.03/0.73/0.36 元，HVDC 系统配置半小时备电的 144KWh 铅炭电池，每天按峰放 50%-平充 30%-峰放 30%-谷充循环，年节省电费为 21637 元（表 5.1），100 个微模块 约可节省 210 万元电费。因此，微模块储能也非常具有推广的价值。 6 数据中心机柜级储能技术 6.1 数据中心机柜级储能概述 近年来为了适应数据中心在提高绿色节能、提升实际建设功率的利用率和不断增加的 可靠性的需要，国内外云计算和互联网巨头在数据中心内开始越来越多使用机柜分布式储 能系统(后面简称 BBS)来代替传统的集中式不间断电源(UPS)。一方面，传统 UPS 的功能 完全保留；另一方面， 对这些分布式 BBS 的功能进一步扩展，通过数据中心管理系统将 19 机柜式分布式 BBS 统一纳入到机柜层面的能源池，配合机柜层面的集群功耗控制可以实现 对机柜峰值功耗智能动态管理。同时，分布式 BBS 通过晚上储能和白天适度提供机柜需要 的功率来实现储能电费套利。整个方案可以大大增强机柜应对峰值功耗的弹性，提升机柜 上架率和实际建设功率利用率，降低 TCO ，真正实现高能效，低成本，快速交付，高可靠 性，是一项具有广泛应用前景和价值的技术。 6.2 数据中心机柜级储能方案架构 6.2.1 整体架构 图 6.1 是典型的整机柜硬件电源架构：两路外接市电，一路直接进入电源框，一路接 入机柜式分布式 BBS，再接入电源框。机柜式分布式BBS 作为机柜的储能单元，在外接市 电发生故障时，切入机架供电系统，为机架提供一定时间的供电，这个就是传统的 UPS 功 能。 机柜分布式 BBS 的引入，除了用来做备电系统外，在机柜实际功耗超出额定值时， 可以用来协同市电来为系统提供短时间的扛峰功能，用来分担超出机柜额定功耗之外的功 耗。 20 图 6.1 机柜分布式储能系统 图 6.2 是整体方案的控制框架，主要由四个部分组成：上层核心控制软件收集机柜服 务器实时功耗及业务负载状况，进行动态功耗管控调度。底层硬件 BBS 是在传统的 BBS 基础上加入扛峰和功耗平衡的执行逻辑单元。底层 Firmware 主要就是 BBS 内部的执行逻 辑。控制接口通过标准化的 RedFish API，方便应用快速集成。 21 图 6.2 整体控制框架 6.2.2 方案适应性及优势 本方案无论对现存数据中心或是新建数据中心都是容易部署的，可以适应整机柜或标 准机架柜。它不需要改变目前机柜供电架构和服务器设计，需要的变化就是引入具有扛峰 功能的 BBS 和在机柜服务器主机安装上层控制软件。另外对本方案上层软件做相应的调整 也可以扩展到 MDC 的应用。本方案具有适应性好，对现存 IDC 或整机柜设施改动小，易 部署的优势。 6.3 数据中心机柜级储能关键技术 6.3.1 集群功耗控制 互联网业务负载的动态性导致机柜层面的用电呈现一个明显的峰谷的形态。这种特性 需要整机柜功率配置通常会在保证峰值的基础上留有一定裕量，以避免业务负载高峰时机 柜超电。 这样配置机柜功率的一个负面影响就是今天的数据中心普遍存在服务器上架密 度不高并且机柜层面的实际建设功率利用率偏低等诸多问题，对数据中心的整体拥有成本 带来比较大的压力。 在现代处理器设计中都有很多功耗和性能动态调控的技术来适应不同业务对功耗和 性能的动态需求：比如 Intel 至强处理器的功耗封顶(Power Capping)以及动态电压频率 调节(DVFS)技术就为机柜层面峰值功耗控制提供了有力的支撑。机柜级集群功耗控制通过 将服务器功耗的调配统一到机柜一级形成一个机柜层面功耗分配的资源池，根据服务器业 务负载的需要来动态调整服务器封底功耗。当机柜层面的额定功耗无法满足业务负载需求 时，根据设定的功耗分配策略，通过处理器的功耗管控技术控制服务器的功耗，将机柜层 面的用电需求降低到原始的额定配电范围之内。机柜级的集群功耗控制技术的应用既保证 22 了服务器及机柜层面用电的安全，又通过对机柜功耗资源的池化管理提高了实际建设功率 的利用率和服务器的上架密度。它能最大化利用 IDC 或机柜实际建设功率来满足业务负载 性能要求。 图 6.3 机柜集群功耗控制 6.3.2 智能扛峰 智能扛峰是集群动态功耗管控策略的一部分。相比传统 BBS，它是一个新的功能，所 以单独加以论述。机柜级的分布式 BBS 将传统集中式储能单元的备用电池的能力分散到机 柜层级。由于我们国家电网是比较稳定的，这部分机柜层面的 BBS 的能力极少被使用。如 果将这部分能力纳入到机柜层面的统一能源资源池并用来根据业务峰值功耗的需求做智 能扛峰，整个机柜可以进一步大幅提升应对动态峰谷的能力以及服务器上架密度。 以一个额定功耗为 8.8 千瓦的机柜为例，一般机柜式分布式储能单元设计容量为市电 故障时独立供电支撑为 10-15 分钟，约为 2.2 千瓦时的容量，这块容量的纳入对整体机柜 实际建设功率的利用率提升还是很可观的。 机柜分布式 BBS 的传统应用场景是在市电故障时做后备电源。智能扛峰场景的应用需 要机柜式分布式 BBS 需要根据实际负载的需求来动态调节功率输出以实现和机柜外接市 23 电功率的联合扛峰。通过在机柜分布式 BBS 中增加智能限功率技术和实时感知整体机柜业 务负载的功耗变化， 上层集群功耗管控系统利用机柜分布式 BBS 可以满足超出机柜额定 功耗之上的功耗需求，通过动态调节机柜分布式 BBS 以及机柜市电功耗输出的配比，来保 整即使在扛峰的情况下机柜整体的外接市电功耗输入维持在额定值以下。为了避免过度消 耗 BBS 的备电功耗以影响系统的紧急备电能力，控制系统需要设置一个功耗阈值。一旦智 能扛峰所消耗的 BBS 功耗超出这个阈值，集群功耗控制将会通过处理器的功耗管控技术将 机柜层面的用电需求降低到原始的额定安全值以内。 基于机柜级分布式 BBS 的智能扛峰技术，可以有效提升机柜实际建设功耗的利用率， 增加机柜服务器上架密度以及业务部署能力。另外，在应对突发业务负载导致的峰值功耗 时，可以大大提升系统处理弹性，减少业务迁移和提高整体业务系统的可靠性。总体而言， 它可以增强最大化利用 IDC 或机柜实际建设功率来提升机柜上架率并最大化减少对业务 负载性能的影响（大部分应用场景减少功耗封顶的触发）。 6.3.3 管控接口 伴随着数据中心管理进入数据驱动的智能化时代，数据中心的基础设施监控管理和业 务调度系统的资源管控系统呈现融合的趋势。通过将基础设施的监控数据纳入业务资源调 度系统，云计算供应商一方面可以提升数据中心效率，另一方面可以增强系统应对故障时 的弹性能力。传统的数据中心存在多种管理接口，DMTF 的 Redfish 是一个标准的 API。 它是基于通用的互

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