2、概述 . 8 4.2 數(shù)據(jù)中心園區(qū)級(jí)儲(chǔ)能方案架構(gòu). 9 4.2.1 高壓側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng). 9 4.2.2 低壓側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng). 10 4.3 數(shù)據(jù)中心園區(qū)級(jí)儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù). 12 4.4 數(shù)據(jù)中心園區(qū)級(jí)儲(chǔ)能價(jià)值 . 13 5 數(shù)據(jù)中心微模塊儲(chǔ)能 . 14 ODCC-2019-02002 數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能白皮書 II 5.1 數(shù)據(jù)中心微模塊儲(chǔ)能概述 . 14 5.2 數(shù)據(jù)中心微模塊儲(chǔ)能方案架構(gòu). 15 5.3 數(shù)據(jù)中心微模塊儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù). 16 5.4 數(shù)據(jù)中心微模塊儲(chǔ)能價(jià)值 . 18 6 數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)儲(chǔ)能技術(shù) . 19 6.1 數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)儲(chǔ)能概述 . 19 6.2 數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)儲(chǔ)能方案架構(gòu). 20

　　3、6.2.1 整體架構(gòu) . 20 6.2.2 方案適應(yīng)性及優(yōu)勢(shì) . 22 6.3 數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù). 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 價(jià)值探討 . 25 ODCC-2019-02002 數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能白皮書 III 前 言1 數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本中，電費(fèi)始終占據(jù)很大的比重。降低運(yùn)營(yíng)電費(fèi)是降低 IDC 年運(yùn)營(yíng)成本的關(guān)鍵。降低電費(fèi)有兩個(gè)途徑：一個(gè)是降低 PUE，提高數(shù)據(jù)中心整體能效達(dá)到節(jié)能降費(fèi)的目的；另一條是降低電費(fèi)單價(jià)，例如通過(guò)國(guó)家的調(diào)峰填谷電費(fèi)政策，降低電費(fèi)單價(jià)。 通過(guò)采用能量型電池組作為儲(chǔ)能電源，儲(chǔ)能電源本

　　4、身即可當(dāng)不間斷電源，給數(shù)據(jù)中心的負(fù)載設(shè)備供電，也可以實(shí)現(xiàn)電力削峰填谷。這不但可以降低電網(wǎng)的峰值負(fù)荷，有利于電網(wǎng)安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能減排，還能通過(guò)峰谷電價(jià)套利，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 ODCC 始終關(guān)注數(shù)據(jù)中心技術(shù)以及儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，聯(lián)合相關(guān)單位共同編寫本白皮書，對(duì)數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)狀、需求和當(dāng)前主流儲(chǔ)能系統(tǒng)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的梳理，以期更進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。 本文感謝以下起草單位（排名不分先后） ： 騰訊科技（深圳）有限公司、中國(guó)信息通信研究院、維諦技術(shù)有限公司、英特爾亞太研發(fā)有限公司、阿里云計(jì)算有限公司、科華恒盛股份有限公司 起草人（排名不分先后） ： 朱華，李典

　　5、林，張佳斌，張海濤，曾憲龍，劉靈豐，韓鵬瑞，吳美希，吳健，朱莉，李旭，宋川，梁小國(guó)，姜峰，宋軍，林金水，馮曉濱，林清民等 請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別這些專利的責(zé)任。 1 數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能白皮書 1 范圍 本文主要討論范圍是數(shù)據(jù)中心的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)，及其在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用。 2 引言 數(shù)據(jù)中心為了在市電中斷時(shí)保障設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)性，通常需要配置各類形式的儲(chǔ)能系統(tǒng)。 儲(chǔ)能即能量的儲(chǔ)存。根據(jù)能量存儲(chǔ)形式的不同，廣義儲(chǔ)能包括電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能三類。電儲(chǔ)能是最主要的儲(chǔ)能方式，按照存儲(chǔ)原理的不同又分為電化學(xué)儲(chǔ)能和物理儲(chǔ)能兩種技術(shù)類型。其中電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要包括鉛蓄電池、鋰

　　6、離子電池、鈉硫電池、液流電池和超級(jí)電容器；物理儲(chǔ)能技術(shù)主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能。 目前數(shù)據(jù)中心最常見的儲(chǔ)能系統(tǒng)是用于不間斷電源的儲(chǔ)能系統(tǒng)。不間斷電源配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以采用電化學(xué)儲(chǔ)能，即蓄電池儲(chǔ)能；也可采用物理儲(chǔ)能，即飛輪儲(chǔ)能。采用電化學(xué)儲(chǔ)能是主流。蓄電池的選取，當(dāng)前以鉛酸蓄電池為主，也有部分?jǐn)?shù)據(jù)中心選取鋰離子電池。 3 數(shù)據(jù)中心電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng) 目前，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要以鋰離子電池、鉛蓄電池、鈉硫電池和液流電池為主，這些技術(shù)在可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電及微網(wǎng)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)的示范應(yīng)用，同時(shí)在調(diào)頻輔助服務(wù)、電力輸配、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域也在進(jìn)行應(yīng)用示范。 2 3.1 鉛酸電池

　　7、 鉛酸蓄電池已有 100 多年的使用歷史，非常成熟。以其材料普遍、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、安全可靠，具有免維護(hù)性、優(yōu)越的高低溫性能、耐過(guò)充和優(yōu)越的充電接受能力、電池一致性高等特點(diǎn)，因而在數(shù)據(jù)中心中得到非常廣泛的應(yīng)用。鉛酸電池依舊被采用。但鉛酸電池也有一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)，主要就是循環(huán)壽命很低，比能量也較小，充放電倍率也較低。如果是單純的作為后備電源，僅是在停電等緊急情況下電池進(jìn)行放電，保障供電連續(xù)性，傳統(tǒng)鉛酸電池還是能夠基本滿足需求的。但是其循環(huán)壽命低的弱點(diǎn)，也決定了其在削峰填谷等高強(qiáng)度使用的儲(chǔ)能場(chǎng)景下的應(yīng)用前景。 3.2 鉛炭電池 鉛炭電池是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進(jìn)出來(lái)的技術(shù)，它是在鉛酸電池的負(fù)極中加入了

　　8、活性炭，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。與傳統(tǒng)的鉛蓄電池相比，鉛炭電池有以下特點(diǎn)：充電速度快，放電功率高，循環(huán)壽命顯著增長(zhǎng)，可達(dá)傳統(tǒng)鉛酸電池的 6 倍，同時(shí)也保留了鉛酸電池安全穩(wěn)定的特性，可廣泛地應(yīng)用在各種新能源及節(jié)能領(lǐng)域。使用了鉛炭技術(shù)后，鉛炭電池的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，可應(yīng)用于新能源車輛中，如：混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)自行車等領(lǐng)域；也可用于新能源儲(chǔ)能領(lǐng)域，如風(fēng)光發(fā)電儲(chǔ)能等。由于鉛炭電池與鉛酸電池的原理、體積和能量密度較為相近，對(duì)數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行演進(jìn)，用鉛炭電池來(lái)替代鉛酸電池具備較高的可行性。 3.3 鋰離子電池 3 鋰離子電池由于具有高的比能量、優(yōu)異的循環(huán)性能和綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，已基本占據(jù)

　　9、便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)，如手機(jī)、筆記本電腦、照相機(jī)等。鋰離子電池的工作原理主要依靠鋰離子在正極材料（金屬氧化物）和負(fù)極（石墨）之間嵌入和脫出來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放。鋰離子電池具有很高的工作電壓，比能量可達(dá)到 150Wh/kg。鋰離子電池的性能主要依賴于電極材料和電解質(zhì)的發(fā)展，而電極材料的選擇尤為重要。目前鋰離子電池的主要的技術(shù)路線為磷酸鐵鋰電池及三元鋰電池。 3.3.1 磷酸鐵鋰電池 LiFePO4 是一種具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽化合物，它具有穩(wěn)定的充放電平臺(tái)，充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，安全性高，價(jià)格低廉，環(huán)保無(wú)污染，比容量可達(dá) 160Ah/kg，是近年來(lái)發(fā)展最快的一種鋰離子電池正極材料體系，廣泛應(yīng)

　　10、用于電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域。LiFePO4 存在的主要問題是振實(shí)密度低以及電子、離子電導(dǎo)率差，可以通過(guò)材料納米化、二次造粒、碳包覆和摻雜等方法來(lái)提高 LiFePO4 電化學(xué)性能。 磷酸鐵鋰電池單體輸出電壓高，工作溫度范圍寬，比能量高，效率高，自放電率低，在電動(dòng)汽車和靜態(tài)儲(chǔ)能應(yīng)用中的研究也得到了開展。目前磷酸鐵鋰電池由于成本低、安全可靠和高倍率放電性能受到關(guān)注。 磷酸鐵鋰電池的技術(shù)特點(diǎn)如下： 安全性：安全可靠，全密封，不怕火燒，不爆炸； 循環(huán)壽命長(zhǎng)：在室溫和 100%DOD 情況下，電池的循環(huán)壽命不小于 5000 次； 性能價(jià)格比高：普通常用材料。 一致性好：目前國(guó)內(nèi)的磷酸鐵鋰電池廠家已經(jīng)具有自動(dòng)化

　　11、生產(chǎn)線，保證了電池產(chǎn)品的一致性。 4 3.3.2 三元鋰電池 三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2）三元正極材料的鋰電池。三元材料電池由于具有電壓平臺(tái)高、能量密度高、振實(shí)密度高、電化學(xué)穩(wěn)定、循環(huán)性能好等特性，在提升新能源汽車的續(xù)航里程，減輕用戶續(xù)航里程憂慮方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具有放電電壓高，輸出功率比較大，低溫性能好，可適應(yīng)全天候氣溫等優(yōu)點(diǎn)，因此正逐漸受到汽車生產(chǎn)廠商和用戶的青睞。 3.4 全釩液流電池 全釩液流電池全稱為全釩離子氧化還原液流電池。全釩液流電池中的兩個(gè)氧化-還原電對(duì)的活性物質(zhì)，分別裝在兩個(gè)儲(chǔ)液罐中的溶液中，各用一個(gè)泵，使溶液流經(jīng)電池，并在電池

　　12、內(nèi)的離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原和氧化反應(yīng)。單電池通過(guò)雙極板串聯(lián)成堆。全釩液流電池作為儲(chǔ)能電源，主要用于電廠調(diào)峰項(xiàng)目系統(tǒng)、大規(guī)模的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、風(fēng)能發(fā)電的儲(chǔ)能電源以及邊遠(yuǎn)地區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)、不間斷電源或應(yīng)急電源系統(tǒng)等。 圖 3.1 全釩液流電池原理圖 5 全釩液流電池用于儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有的特征如下： 電池系統(tǒng)組裝設(shè)計(jì)靈活，易于模塊組合，蓄電規(guī)?？纱罂尚?。全釩液流電池的活性物質(zhì)以液態(tài)形式貯存于儲(chǔ)液罐中，容量取決于外部?jī)?chǔ)液中活性物的容量和濃度，因此功率輸出和能量?jī)?chǔ)存部分是相互獨(dú)立的，可根據(jù)適宜的地理環(huán)境條件設(shè)計(jì)建設(shè)，而容量可通過(guò)增加電解液體積來(lái)實(shí)現(xiàn)。如邊遠(yuǎn)地區(qū)以柴油機(jī)發(fā)電為主要電源，全釩液流電池可按

　　13、需求來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)輸出功率的穩(wěn)定。 電池系統(tǒng)可高速響應(yīng)，高功率輸出。全釩液流電池充、放電可在很短的時(shí)間內(nèi)完成，通過(guò)更換溶液，可實(shí)現(xiàn)電池的即時(shí)充電；通過(guò)電堆的不同組合，來(lái)提供不同的輸出電壓；負(fù)載變化時(shí)或放電深度增加時(shí)，可用附加電池維持輸出電壓恒定。 電池系統(tǒng)易于維護(hù)，安全穩(wěn)定。所有單電池的反應(yīng)物不存在固相反應(yīng)，容易保證電堆的一致性和均勻性；電池的電解液均置于相同的儲(chǔ)液罐中，每個(gè)電池的放電狀態(tài)是相同的；同樣，其工作溫度為室溫條件，所以電池系統(tǒng)是安全穩(wěn)定的。 電池壽命長(zhǎng)，全釩液流電池沒有循環(huán)壽命問題，它的失效機(jī)制主要是電堆材料或輔機(jī)元件的老化。 3.5 鈉硫電池 鈉硫電池具有較高的儲(chǔ)能效率（約 8

　　14、9），同時(shí)還具有輸出脈沖功率的能力，這一特性使鈉硫電池可以同時(shí)用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負(fù)荷的削峰填谷調(diào)節(jié)兩種目的，從而提高整體設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。與傳統(tǒng)的化學(xué)電池不同的是，鈉硫電池采用的是熔融液態(tài)電極和固體電解質(zhì)，其中，負(fù)極的活性物質(zhì)是熔融金屬鈉，正極活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽，固體電解質(zhì)兼隔膜的是一種專門傳導(dǎo)鈉離子的 Al2O3 陶瓷材料，電池外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。 6 鈉硫電池具有許多特點(diǎn)，其一是比能量高，是鉛酸電池的 34 倍；其二是可大電流、高功率放電。其放電電流密度一般可達(dá) 200300mA/cm2，瞬時(shí)間可放出其 3 倍的固有能量；其三是充放電效率高。由于采用固體電解質(zhì)，所以沒有通常采

　　15、用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電及副反應(yīng)。鈉硫電池也有不足之處，需工作溫度在 300350，所以，電池工作在充電狀態(tài)下需要一定的加熱保溫，在放電狀態(tài)下還需要良好的散熱設(shè)計(jì)；同時(shí)，其充電狀態(tài)只能用平均值計(jì)量，所以需要周期性的離線度量；此外，由于硫具有腐蝕性，電池的護(hù)體需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格耐腐處理。 圖 3.2 鈉硫電池結(jié)構(gòu) 3.6 主流電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比 各類電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)路線對(duì)比如下表所示： 電池類型 經(jīng)濟(jì)性 安全性 能量密度 環(huán)境友好性 循環(huán)壽命 鉛炭電池 材料普遍、價(jià)格低廉 性能穩(wěn)定、安全可靠 體積較大，能量密度低 封閉殼體，無(wú)污染 1000-3000次 磷酸鐵鋰電隨著電動(dòng)汽安全可靠，相比鉛炭電封

　　16、閉殼體，5000 次 7 池 車廣泛應(yīng)用，成本逐漸下降 全密封 池，能量密度較高，約200kWh/m3 無(wú)污染 三元鋰電池 受限于材料成本，下降空間低 安全性能差，分解溫度 200 能量密度高于 LFP，約為200kWh/m3 封閉殼體，無(wú)污染 4000-6000次 全釩液流電池 初始成本投資高 工作溫度為室溫條件，安全穩(wěn)定 使用大型儲(chǔ)液罐，能量密度最低 有毒氣揮發(fā)隱患 12000 次 鈉硫電池 初始成本投資高，且技術(shù)路線受限于日本，運(yùn)維收費(fèi)高 鈉金屬活躍，存在安全隱患 鉛酸電池的3-4 倍 硫具有腐蝕性，電池的護(hù)體需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格耐腐處理 2500 次 表 3.1 主流電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)分析 3.7

　　17、 當(dāng)前適用于數(shù)據(jù)中心的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù) 在數(shù)據(jù)中心建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，選擇電池技術(shù)路線時(shí)，應(yīng)充分考慮的因素包括： （1）安全性：數(shù)據(jù)中心作為是數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)的中心，是我國(guó)移動(dòng)通訊、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)支付、人工智能等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)設(shè)施。因此安全性是選擇儲(chǔ)能電池時(shí)的重要考慮因素。 8 （2）空間與重量：目前數(shù)據(jù)中心多建設(shè)在市中心，空間布局緊張，因此大型儲(chǔ)能電站的投入必須考慮電池的能量密度。 （3）經(jīng)濟(jì)性：數(shù)據(jù)中心建設(shè)儲(chǔ)能電站，收益為重要考量因素，因此對(duì)電池技術(shù)路線的選擇，其經(jīng)濟(jì)性包括對(duì)成本及循環(huán)壽命的考量必不可少。 （4）環(huán)境友好性：選擇環(huán)境友好型電池，對(duì)于目前建設(shè)綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心的意義十分重

　　18、大。 結(jié)論： 鈉硫電池技術(shù)不成熟，納金屬活躍，三元鋰電池分解溫度低，導(dǎo)致電池安全性能相對(duì)差，不建議在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。液流電池使用大型儲(chǔ)液罐，能量密度低，這種電池技術(shù)路線更適合應(yīng)用與我國(guó)西部大型光儲(chǔ)或風(fēng)儲(chǔ)電站，不適合應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。因此目前數(shù)據(jù)中心投建大型儲(chǔ)能電站建議選擇鉛炭電池或磷酸鐵鋰電池，并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，在兩者中選擇合適的電池技術(shù)路線 數(shù)據(jù)中心園區(qū)級(jí)儲(chǔ)能 4.1 數(shù)據(jù)中心園區(qū)級(jí)儲(chǔ)能概述 如今的數(shù)據(jù)中心嚴(yán)重受限于其功耗預(yù)算和碳排放配額。面對(duì)與日俱增的能耗開支和節(jié)能減排壓力，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界不約而同地開始關(guān)注非傳統(tǒng)的綠色數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)。最近，能源存儲(chǔ)設(shè)備(Energy Storage Sy

　　19、stem， ESS)逐漸成為數(shù)據(jù)中心中一種新興的關(guān)鍵使能元件，它能夠極大提升數(shù)據(jù)中心的能效和可持續(xù)性。一方面，ESS 使得數(shù)據(jù)中心可以通過(guò)削減由不規(guī)則負(fù)載帶來(lái)的短暫峰值功耗來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本;另一方面，它還能夠方便新能源在數(shù)據(jù)中心中的融合，從而極大降低對(duì)環(huán)境的不良影響。ESS 在新型數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，ESS 在管理功耗尖峰和供電波動(dòng)兩大方面發(fā)揮的重要作用。對(duì)比多項(xiàng)前沿研 9 究并探討 ESS 的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)如成本、能效、可靠性等，同時(shí) ESS 未來(lái)發(fā)展所面臨的其他機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 4.2 數(shù)據(jù)中心園區(qū)級(jí)儲(chǔ)能方案架構(gòu) 數(shù)據(jù)中心園區(qū)儲(chǔ)能目前大致有兩大方向： 4.2.1 高壓側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng) 高壓側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)

　　20、通常以大型集中儲(chǔ)能高壓側(cè) 10KV 或 35KV 接入方案； 大型高壓側(cè)接入方案中，可面向園區(qū)多個(gè)數(shù)據(jù)中心或其它負(fù)荷作為一起的應(yīng)急電源，可在園區(qū)與電網(wǎng)的關(guān)口點(diǎn)運(yùn)行峰谷測(cè)試，實(shí)現(xiàn)整個(gè)園區(qū)的峰谷控制，同時(shí)作為應(yīng)急電源解決整個(gè)園區(qū)的應(yīng)急供電，此方案中若儲(chǔ)能容量不夠大，還需在電網(wǎng)停電時(shí)控制非重要負(fù)荷下電控制，整個(gè)系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度高，且作為集中式的供電方式，應(yīng)急供電線路長(zhǎng)，可靠性低的問題： 圖 4.1 高壓側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)?應(yīng)用特點(diǎn)： 1） 峰谷電價(jià)運(yùn)行控制策略； 10 2） 分級(jí)下單控制要求高； 3） 作為一個(gè)集中式大型的儲(chǔ)能接入方案，也具備了電網(wǎng)輔助服務(wù)的特點(diǎn)，滿足電網(wǎng)調(diào)度的要求，可參與電網(wǎng)輔助服務(wù)

　　21、； 4） 系統(tǒng)利用能力互聯(lián)平臺(tái)，打造智能儲(chǔ)能系統(tǒng)，充分利用到當(dāng)?shù)氐母C電、棄電； 5） 通過(guò)大型儲(chǔ)能系統(tǒng)園區(qū)接入，在提升園區(qū)供電系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的同時(shí)，還能夠集中式解決園區(qū)及數(shù)據(jù)中心電能質(zhì)量問題； 此系統(tǒng)為進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心供電的可靠性，可儲(chǔ)能結(jié)合 UPS 電源系統(tǒng)一并應(yīng)用的系統(tǒng)，如下拓?fù)洌?UPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心電網(wǎng)空調(diào)、照明等輔助負(fù)荷雙向變流器PCS儲(chǔ)能電池系統(tǒng)EMS能量管理系統(tǒng)機(jī)房動(dòng)環(huán)系統(tǒng) 圖 4.2 結(jié)合 UPS 的高壓側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)?4.2.2 低壓側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng) 低壓側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)通常以一個(gè)數(shù)據(jù)中心機(jī)房或一個(gè)集中供電單元低壓側(cè)接入，此方案融入了直流母線系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如下： 11 光伏系統(tǒng)DCDC75

　　22、0750V V直流母線KVKV園區(qū)充電樁PCS儲(chǔ)能系統(tǒng)PCSDC240VAC LoadDC Load其它負(fù)荷IDC Load 圖 4.3 低壓側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)?系統(tǒng)特點(diǎn)： 1） IDC 機(jī)房或一個(gè)單元供電拓?fù)浣M成一個(gè)系統(tǒng)，采用直流母線的方案，儲(chǔ)能接入直流母線） 母線中融入光伏的直流接入方案，使光伏系統(tǒng)的效率最大化應(yīng)用； 3） IDC 應(yīng)急電源部分直接采用高壓直接方案，在儲(chǔ)能直流母線通過(guò) DC/DC 變換單元接入供電； 4） IDC 供電電源還有傳統(tǒng)的交流供電方案，與本次直流母線供電方案形成雙備份，與當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心主流的一路市

　　23、電，一路高壓直流方案比較契合，提升供電可靠性； 5） 此系統(tǒng)接入規(guī)模以 300-500KW 一個(gè)單元，可作為標(biāo)準(zhǔn)化單元，提高可靠性的同時(shí)規(guī)?；瘉?lái)降低成本。 12 綜上，是園區(qū)數(shù)據(jù)中心接入方案中的目前有應(yīng)用的兩種，當(dāng)然隨著技術(shù)的發(fā)展可能會(huì)有更多的應(yīng)用框架出現(xiàn)，當(dāng)社會(huì)和電網(wǎng)的需求驅(qū)使及經(jīng)濟(jì)價(jià)值更進(jìn)一步增長(zhǎng)，隨著更多的資本、業(yè)主、設(shè)計(jì)院、供應(yīng)商的參與，儲(chǔ)能及可再生能源的接入更加多樣化。 4.3 數(shù)據(jù)中心園區(qū)級(jí)儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù) 因數(shù)據(jù)中心用負(fù)荷超高，僅僅依靠采用太陽(yáng)能或風(fēng)能等可再生能源自發(fā)自用是不現(xiàn)實(shí)的。據(jù)推算數(shù)據(jù)中心若要完全使用太陽(yáng)能發(fā)電提供電力，所需的光伏板面積相當(dāng)于近百倍的數(shù)據(jù)中心面積。而且光伏風(fēng)電

　　24、等可再生能源還具有不連續(xù)性的特點(diǎn)，部分時(shí)段還會(huì)有棄光棄風(fēng)等現(xiàn)象。不過(guò)隨著鋰電池等儲(chǔ)能技術(shù)成本下降，光伏+儲(chǔ)能系統(tǒng)供電可能會(huì)成為數(shù)據(jù)中心的新型解決方案。 那么綠色數(shù)據(jù)中心在可再生能源接入的情況下，因可再生能源的不穩(wěn)定性是比較大的一個(gè)問題，ESS 系統(tǒng)將可再生能源融入到數(shù)據(jù)中心也是非常關(guān)鍵的一部分，那么關(guān)鍵的技術(shù)有兩部分需要大幅提升： 1） 儲(chǔ)能蓄電池 因系統(tǒng)的工作特性，需要儲(chǔ)能電池的循環(huán)次數(shù)高、能量密度高（占地小）、能夠適應(yīng)不同的充放電倍率特性、安全性等大幅提升； 2） 能源管理 EMS 能量管理系統(tǒng)，除了應(yīng)要有基本的發(fā)電、儲(chǔ)電、用電的基本控制管理策略外，還需重點(diǎn)針對(duì)園區(qū)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用情況深入分

　　25、析，能夠分析數(shù)據(jù)中心用能知識(shí)庫(kù)，對(duì)接入的能源及用能情況提供預(yù)測(cè)并給以維護(hù)建議，為后期的數(shù)據(jù)發(fā)展提供參考建議，及時(shí)處理后期擴(kuò)容等問題提供預(yù)測(cè)方案。這方面也是目前能源管理系統(tǒng)需要一定的 AI 能力，也是目前能管理管理系統(tǒng)還比較欠缺的模塊。 13 隨著人工智能（AI）的發(fā)展，能量管理系統(tǒng)可以在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用可以走在前面，依托數(shù)據(jù)中心行業(yè)的強(qiáng)大基礎(chǔ)及人才，將使能源管理系統(tǒng)的各個(gè) AI 模塊完善起來(lái)，已最終達(dá)到能源管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心控制的全面成熟化。 4.4 數(shù)據(jù)中心園區(qū)級(jí)儲(chǔ)能價(jià)值 1） 通過(guò)園區(qū)大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入，儲(chǔ)能系統(tǒng)具有大容量的儲(chǔ)能電池組，長(zhǎng)時(shí)間的供能能力，具備了園區(qū)或數(shù)據(jù)中心災(zāi)備電源的功能；

　　26、2） 利用儲(chǔ)能系統(tǒng)在峰谷差價(jià)的運(yùn)行策略，降低園區(qū)和數(shù)據(jù)中心用電大戶的用電電費(fèi)，減少了數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本支出； 3） 通過(guò)儲(chǔ)能存儲(chǔ)及釋放電能時(shí)間轉(zhuǎn)移能力，解決再生能源發(fā)電的不確定性的技術(shù)特點(diǎn)，使得可再生能源更靈活的接入數(shù)據(jù)中心，把一些不可能變成可能，真正達(dá)到綠色數(shù)據(jù)中心。 4） 針對(duì)部分具有用電功率峰谷特點(diǎn)的園區(qū)，儲(chǔ)能通過(guò)平滑用電峰谷，實(shí)現(xiàn)降低變壓器的容量費(fèi)（需量費(fèi)）的目的。 5） 儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，也具備一定的電能治理能力，能夠?yàn)閳@區(qū)解決電能質(zhì)量問題，提升用電質(zhì)量。 7）數(shù)據(jù)中心可再生能源接入，提高綠色數(shù)據(jù)中心的比例增加儲(chǔ)能系統(tǒng)則能很好地解決這些問題，把消耗不掉的電量?jī)?chǔ)能起來(lái)，在發(fā)電不足

　　27、或用電高峰時(shí)放出，以平滑發(fā)用電為目的，彌補(bǔ)新能源發(fā)電不穩(wěn)定的缺陷，避免浪費(fèi)?？山鉀Q以下可再生能源發(fā)電問題， 1、光伏、風(fēng)能出力難預(yù)測(cè)的問題； 2、光伏、發(fā)電快速波動(dòng)的挑戰(zhàn)； 14 3、備用容量加大，快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度和調(diào)峰需要。 6） 電網(wǎng)中的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)能有效調(diào)控電力資源，能很好地平衡晝夜及不同季節(jié)的用電差異，調(diào)劑余缺，保障電網(wǎng)安全。是可再生能源應(yīng)用的重要前提和實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)互動(dòng)化管理的有效手段。作為大型的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其重要意義在于可作為智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)單元，提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，調(diào)節(jié)電力峰谷運(yùn)行，節(jié)約大量發(fā)電設(shè)備的投資及能源的損耗。 在園區(qū)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，作為能量?jī)?chǔ)存和快速響應(yīng)的載體，可以實(shí)

　　28、現(xiàn)打造一個(gè)“源-網(wǎng)-儲(chǔ)-荷”高度互動(dòng)的一個(gè)能源網(wǎng)絡(luò)，降低能源投資規(guī)模，提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)市場(chǎng)化。 5 數(shù)據(jù)中心微模塊儲(chǔ)能 5.1 數(shù)據(jù)中心微模塊儲(chǔ)能概述 在數(shù)據(jù)中心的供電方案中， 無(wú)論是交流供電的 UPS 還是直流供電的 HVDC （240VDC或 336VDC）電源，配置的電池通常在 15min30min 左右，其中 30min 的占多數(shù)。數(shù)據(jù)中心的供電可靠性設(shè)計(jì)本身很高，實(shí)際的運(yùn)行中很少出現(xiàn)停電的情況，因此用于備電的鉛酸電池使用率很低。 由于鉛酸電池壽命原因， 5 年左右就需要報(bào)廢更換， 投資費(fèi)用巨大，而電池的功能卻似乎沒有充分、有效發(fā)揮，成為了一個(gè)損耗型的資產(chǎn)。此外，由于電池大

　　29、部分時(shí)間都是處于浮充狀態(tài)或者非放電的狀態(tài)，電池的健康狀況不能實(shí)時(shí)檢測(cè)，有可能在需要放電的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)問題，不能保證備電可靠性。在這種情況下，利用峰谷電價(jià)差異，對(duì)電池進(jìn)行儲(chǔ)能管理，既可以使電池成為創(chuàng)造價(jià)值的經(jīng)濟(jì)資產(chǎn)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池狀態(tài)的日常檢測(cè)，大大提高了備電可靠性。在微模塊級(jí)別，不同微模塊之間的負(fù)載率，根據(jù)部署業(yè)務(wù)的區(qū)別，以及上架策略的不同，其負(fù)荷波動(dòng)率往往較大，單模塊過(guò)載超電的概率相對(duì) 15 較高。 對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的深層次利用， 可以在負(fù)荷波動(dòng)時(shí)， 承擔(dān)部分負(fù)荷來(lái)確保市電不超負(fù)荷，從而保障微模塊的供電安全， 同時(shí)減少因超電帶來(lái)的損失 （如罰款， 或更高的容量電費(fèi)等） 。 數(shù)據(jù)中心備電電池儲(chǔ)能利用

　　30、，根據(jù)不同的地區(qū)電價(jià)、電源和電池配置，設(shè)計(jì)一套合理的儲(chǔ)能實(shí)施方案是關(guān)鍵。為滿足數(shù)據(jù)中心快速部署、按需建設(shè)的需求，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的微模塊越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用。微模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)使電源系統(tǒng)和電池容量都是標(biāo)準(zhǔn)化配置，為儲(chǔ)能方案標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。一套合理易行的儲(chǔ)能方案，可以廣泛應(yīng)用于同樣的微模塊。 5.2 數(shù)據(jù)中心微模塊儲(chǔ)能方案架構(gòu) 微模塊儲(chǔ)能方案最大的優(yōu)點(diǎn)是依托于原有的備電型電源架構(gòu) （如 UPS 或者 HVDC） ，只需要做較小的改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)從純供電到儲(chǔ)能+供電的功能轉(zhuǎn)換。 HVDC 儲(chǔ)能系統(tǒng)的架構(gòu)如圖 5.1 所示，與常規(guī) HVDC 系統(tǒng)相比，微模塊儲(chǔ)能方案架構(gòu)沒有根本性的變化，變化的是

　　31、電源的管理單元軟件和電池類型及容量的配置。 圖 5.1 HVDC 儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖 微模塊的儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控管理單元與數(shù)據(jù)中心管理平臺(tái)進(jìn)行通信，中心管理平臺(tái)除了對(duì)各微模塊電源和電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還具備了對(duì)各個(gè)微模塊的儲(chǔ)能運(yùn)行情況和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的功能，并可根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的模式進(jìn)行調(diào)整設(shè)置。 16 儲(chǔ)能型 UPS 在傳統(tǒng) UPS 的基礎(chǔ)上可能會(huì)增加電池的容量，同時(shí)加大充電器的能力，集成能量管理和調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)利用 UPS 的后備電池對(duì)負(fù)載進(jìn)行有控制地供電或?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行回饋的儲(chǔ)能作用。儲(chǔ)能型 UPS 基本架構(gòu)如圖 5.2，其中 Rec 為雙向整流器，Inv 為逆變器，DCDC

　　32、為滿功率的充放電器，電池為鉛炭電池或鋰電。雙向整流是與普通 UPS 功能不同的部分，可實(shí)現(xiàn)電池能量回饋電網(wǎng)。在部分儲(chǔ)能方案中，有些 UPS 沒有采用雙向整流器，電池只能對(duì)負(fù)載供電。 RecInvDCDC 圖 5.2 UPS 儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖 儲(chǔ)能的載體是電池，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心備電的是循環(huán)次數(shù)較少鉛酸電池，不能滿足每日充放電需求。 針對(duì)儲(chǔ)能應(yīng)用， 數(shù)據(jù)中心可以選擇高循環(huán)次數(shù)的鉛炭或鋰電池。 鉛炭電池在 60% DOD 下可以滿足 3000 次以上循環(huán)，適用于需要保留一定備電容量以確保備電的數(shù)據(jù)中心需求。與鋰電池相比，鉛炭電池更佳的性價(jià)比、更高的安全性目前更加受到數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能的青睞。 5.3 數(shù)據(jù)中心微

　　33、模塊儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù) 在微模塊儲(chǔ)能中，關(guān)鍵技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)電池按需進(jìn)行充放電控制。 HVDC 系統(tǒng)中模塊輸出、電池和負(fù)載三者是直接并聯(lián)的，通過(guò)對(duì)電源整流模塊的精確輸出控制，可實(shí)現(xiàn)電池在電價(jià)峰段按計(jì)劃、有控制地放電，在特定的時(shí)間段，通常為谷段進(jìn)行充電，根據(jù)儲(chǔ)能循環(huán)的策略也可以在部分平段部分充電。電池放電模式通常有 17 兩種策略： 1） 按負(fù)載總量所需放電，整流模塊無(wú)輸出； 2） 電池受控恒流放電與整流模塊輸出共同承擔(dān)負(fù)載電流。 在數(shù)據(jù)中心微模塊電池容量配置相對(duì)較小的情況下，第一種方案對(duì)電池是大倍率放電，如電池為 30min 備電容量，很快就需截止放電，且大倍率放電效率不佳。第二種方案是更佳的放電模式

　　34、，通過(guò)監(jiān)控與管理，使電源承擔(dān)大部分電流，實(shí)現(xiàn)電池恒流、小電流、較長(zhǎng)時(shí)間的放電。根據(jù)峰值時(shí)間與電池特性設(shè)計(jì)出最佳的放電電流和放電時(shí)間是關(guān)鍵。如果備電容量是 30min，注意需要保證電池每日循環(huán)合計(jì)放出容量計(jì)劃不超過(guò)50%，一是可以獲得最佳的循環(huán)性能，二是保障在生命周期過(guò)程中，任何時(shí)候剩余容量能滿足 10 分鐘的備電需求。 圖 5.3 是 HVDC 儲(chǔ)能電源系統(tǒng)在第二種方案下的工作模式。 圖 5.3 HVDC 儲(chǔ)能系統(tǒng)充、放電示意圖 與 HVDC 相比，UPS 儲(chǔ)能工作的聯(lián)合供電模式與 HVDC 峰段放電模式類似，而電網(wǎng)調(diào)度模式是儲(chǔ)能 UPS 特有的工作模式。 18 1） 聯(lián)合供電模式（圖 5.4

　　35、） ：關(guān)鍵負(fù)載由電網(wǎng)和電池放電器共同來(lái)承擔(dān)供電。用電高峰時(shí)，可以降低對(duì)電網(wǎng)供電容量需求，屬于典型的“削峰”應(yīng)用。 2） 電網(wǎng)調(diào)度模式（圖 5.5） ：電池不僅供給關(guān)鍵負(fù)載，還回饋能量給電網(wǎng)，可以有效應(yīng)對(duì)臨時(shí)的高峰負(fù)荷需求?；仞伒挠泄蜔o(wú)功含量由電網(wǎng)的需要來(lái)調(diào)度。 RecInvDCDC 圖 5.4 UPS 儲(chǔ)能聯(lián)合供電模式 RecInvDCDC 圖 5.5 UPS 儲(chǔ)能電網(wǎng)調(diào)度模式 5.4 數(shù)據(jù)中心微模塊儲(chǔ)能價(jià)值 19 圖 5.6 峰谷電價(jià)示意圖 采用微模塊儲(chǔ)能方案的數(shù)據(jù)中心，利用供電系統(tǒng)已有的電源，將傳統(tǒng)的鉛酸電池改為鉛炭電池，不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本的明顯增加。從投資回報(bào)周期看，因?yàn)椴捎勉U炭電池代替

　　36、鉛酸增加的費(fèi)用，通常兩到三年內(nèi)可以收回，之后即為儲(chǔ)能盈利。 表 5.1 HVDC 系統(tǒng) 144KWh 電池投資分析 數(shù)據(jù)中心微模塊雖然電池容量不大，但是數(shù)量較多，通過(guò)峰段放電、谷段充電將靜置的電池利用起來(lái)，一方面可以實(shí)現(xiàn)電池健康狀態(tài)的檢測(cè)，另一方面，可以使消耗型的固定電池資產(chǎn)產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。如圖 5.6 所示，以某微模塊為例，峰/平/谷段電價(jià)分別為 1.03/0.73/0.36 元，HVDC 系統(tǒng)配置半小時(shí)備電的 144KWh 鉛炭電池，每天按峰放50%-平充 30%-峰放 30%-谷充循環(huán)，年節(jié)省電費(fèi)為 21637 元（表 5.1） ，100 個(gè)微模塊約可節(jié)省 210 萬(wàn)元電費(fèi)。因此，微

　　37、模塊儲(chǔ)能也非常具有推廣的價(jià)值。 6 6 數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)儲(chǔ)能技術(shù) 6.1 數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)儲(chǔ)能概述 近年來(lái)為了適應(yīng)數(shù)據(jù)中心在提高綠色節(jié)能、提升實(shí)際建設(shè)功率的利用率和不斷增加的可靠性的需要，國(guó)內(nèi)外云計(jì)算和互聯(lián)網(wǎng)巨頭在數(shù)據(jù)中心內(nèi)開始越來(lái)越多使用機(jī)柜分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)(后面簡(jiǎn)稱 BBS)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式不間斷電源(UPS)。一方面，傳統(tǒng) UPS 的功能完全保留；另一方面， 對(duì)這些分布式 BBS 的功能進(jìn)一步擴(kuò)展，通過(guò)數(shù)據(jù)中心管理系統(tǒng)將分析結(jié)論分析結(jié)論鉛碳電池價(jià)錢 （RMB） 168,000 原來(lái)鉛酸電池價(jià)錢 （RMB）120,000 電池增加成本 （RMB）48,000 每年節(jié)省電費(fèi)（RMB） 21,63

　　38、7 電池生命周期節(jié)省電費(fèi) （RMB）195,626 所有節(jié)省電費(fèi)減除鉛碳電池成本后收益（RMB）27,626 鉛碳電池可使用壽命（年）9 以電池增加成本計(jì)算，回本周期 （年）2.22 以鉛碳電池價(jià)錢計(jì)算，回本周期 （年）7.76 20 機(jī)柜式分布式 BBS 統(tǒng)一納入到機(jī)柜層面的能源池， 配合機(jī)柜層面的集群功耗控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)柜峰值功耗智能動(dòng)態(tài)管理。同時(shí)，分布式 BBS 通過(guò)晚上儲(chǔ)能和白天適度提供機(jī)柜需要的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電費(fèi)套利。整個(gè)方案可以大大增強(qiáng)機(jī)柜應(yīng)對(duì)峰值功耗的彈性，提升機(jī)柜上架率和實(shí)際建設(shè)功率利用率，降低 TCO，真正實(shí)現(xiàn)高能效，低成本，快速交付，高可靠性，是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景和價(jià)值的

　　39、技術(shù)。 6.2 數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)儲(chǔ)能方案架構(gòu) 6.2.1 整體架構(gòu) 圖 6.1 是典型的整機(jī)柜硬件電源架構(gòu)：兩路外接市電，一路直接進(jìn)入電源框，一路接入機(jī)柜式分布式 BBS，再接入電源框。機(jī)柜式分布式 BBS 作為機(jī)柜的儲(chǔ)能單元，在外接市電發(fā)生故障時(shí)，切入機(jī)架供電系統(tǒng)，為機(jī)架提供一定時(shí)間的供電，這個(gè)就是傳統(tǒng)的 UPS 功能。 機(jī)柜分布式 BBS 的引入，除了用來(lái)做備電系統(tǒng)外，在機(jī)柜實(shí)際功耗超出額定值時(shí)，可以用來(lái)協(xié)同市電來(lái)為系統(tǒng)提供短時(shí)間的扛峰功能，用來(lái)分擔(dān)超出機(jī)柜額定功耗之外的功耗。 21 圖 6.1 機(jī)柜分布式儲(chǔ)能系統(tǒng) 圖 6.2 是整體方案的控制框架，主要由四個(gè)部分組成：上層核心控制軟件收集機(jī)

　　40、柜服務(wù)器實(shí)時(shí)功耗及業(yè)務(wù)負(fù)載狀況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)功耗管控調(diào)度。底層硬件 BBS 是在傳統(tǒng)的 BBS基礎(chǔ)上加入扛峰和功耗平衡的執(zhí)行邏輯單元。 底層 Firmware 主要就是 BBS 內(nèi)部的執(zhí)行邏輯。控制接口通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的 RedFish API，方便應(yīng)用快速集成。 22 圖 6.2 整體控制框架 6.2.2 方案適應(yīng)性及優(yōu)勢(shì) 本方案無(wú)論對(duì)現(xiàn)存數(shù)據(jù)中心或是新建數(shù)據(jù)中心都是容易部署的，可以適應(yīng)整機(jī)柜或標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架柜。它不需要改變目前機(jī)柜供電架構(gòu)和服務(wù)器設(shè)計(jì)，需要的變化就是引入具有扛峰功能的 BBS 和在機(jī)柜服務(wù)器主機(jī)安裝上層控制軟件。 另外對(duì)本方案上層軟件做相應(yīng)的調(diào)整也可以擴(kuò)展到 MDC 的應(yīng)用。本方案具有適應(yīng)

　　41、性好，對(duì)現(xiàn)存 IDC 或整機(jī)柜設(shè)施改動(dòng)小，易部署的優(yōu)勢(shì)。 6.3 數(shù)據(jù)中心機(jī)柜級(jí)儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù) 6.3.1 集群功耗控制 互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)負(fù)載的動(dòng)態(tài)性導(dǎo)致機(jī)柜層面的用電呈現(xiàn)一個(gè)明顯的峰谷的形態(tài)。這種特性需要整機(jī)柜功率配置通常會(huì)在保證峰值的基礎(chǔ)上留有一定裕量，以避免業(yè)務(wù)負(fù)載高峰時(shí)機(jī)柜超電。 這樣配置機(jī)柜功率的一個(gè)負(fù)面影響就是今天的數(shù)據(jù)中心普遍存在服務(wù)器上架密度不高并且機(jī)柜層面的實(shí)際建設(shè)功率利用率偏低等諸多問題，對(duì)數(shù)據(jù)中心的整體擁有成本帶來(lái)比較大的壓力。 在現(xiàn)代處理器設(shè)計(jì)中都有很多功耗和性能動(dòng)態(tài)調(diào)控的技術(shù)來(lái)適應(yīng)不同業(yè)務(wù)對(duì)功耗和性能的動(dòng)態(tài)需求：比如 Intel 至強(qiáng)處理器的功耗封頂(Power Cappin

　　42、g)以及動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)(DVFS)技術(shù)就為機(jī)柜層面峰值功耗控制提供了有力的支撐。 機(jī)柜級(jí)集群功耗控制通過(guò)將服務(wù)器功耗的調(diào)配統(tǒng)一到機(jī)柜一級(jí)形成一個(gè)機(jī)柜層面功耗分配的資源池，根據(jù)服務(wù)器業(yè)務(wù)負(fù)載的需要來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整服務(wù)器封底功耗。當(dāng)機(jī)柜層面的額定功耗無(wú)法滿足業(yè)務(wù)負(fù)載需求時(shí)，根據(jù)設(shè)定的功耗分配策略，通過(guò)處理器的功耗管控技術(shù)控制服務(wù)器的功耗，將機(jī)柜層面的用電需求降低到原始的額定配電范圍之內(nèi)。機(jī)柜級(jí)的集群功耗控制技術(shù)的應(yīng)用既保證 23 了服務(wù)器及機(jī)柜層面用電的安全，又通過(guò)對(duì)機(jī)柜功耗資源的池化管理提高了實(shí)際建設(shè)功率的利用率和服務(wù)器的上架密度。 它能最大化利用 IDC 或機(jī)柜實(shí)際建設(shè)功率來(lái)滿足業(yè)務(wù)負(fù)載性能要求。

　　43、 圖 6.3 機(jī)柜集群功耗控制 6.3.2 智能扛峰 智能扛峰是集群動(dòng)態(tài)功耗管控策略的一部分。相比傳統(tǒng) BBS，它是一個(gè)新的功能，所以單獨(dú)加以論述。 機(jī)柜級(jí)的分布式 BBS 將傳統(tǒng)集中式儲(chǔ)能單元的備用電池的能力分散到機(jī)柜層級(jí)。由于我們國(guó)家電網(wǎng)是比較穩(wěn)定的，這部分機(jī)柜層面的 BBS 的能力極少被使用。如果將這部分能力納入到機(jī)柜層面的統(tǒng)一能源資源池并用來(lái)根據(jù)業(yè)務(wù)峰值功耗的需求做智能扛峰，整個(gè)機(jī)柜可以進(jìn)一步大幅提升應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)峰谷的能力以及服務(wù)器上架密度。 以一個(gè)額定功耗為 8.8 千瓦的機(jī)柜為例，一般機(jī)柜式分布式儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)容量為市電故障時(shí)獨(dú)立供電支撐為 10-15 分鐘，約為 2.2 千瓦時(shí)的容量，

　　44、這塊容量的納入對(duì)整體機(jī)柜實(shí)際建設(shè)功率的利用率提升還是很可觀的。 機(jī)柜分布式 BBS 的傳統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景是在市電故障時(shí)做后備電源。 智能扛峰場(chǎng)景的應(yīng)用需要機(jī)柜式分布式 BBS 需要根據(jù)實(shí)際負(fù)載的需求來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功率輸出以實(shí)現(xiàn)和機(jī)柜外接市 24 電功率的聯(lián)合扛峰。 通過(guò)在機(jī)柜分布式 BBS 中增加智能限功率技術(shù)和實(shí)時(shí)感知整體機(jī)柜業(yè)務(wù)負(fù)載的功耗變化， 上層集群功耗管控系統(tǒng)利用機(jī)柜分布式 BBS 可以滿足超出機(jī)柜額定功耗之上的功耗需求，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)柜分布式 BBS 以及機(jī)柜市電功耗輸出的配比，來(lái)保整即使在扛峰的情況下機(jī)柜整體的外接市電功耗輸入維持在額定值以下。為了避免過(guò)度消耗 BBS 的備電功耗以影響系統(tǒng)

　　45、的緊急備電能力，控制系統(tǒng)需要設(shè)置一個(gè)功耗閾值。一旦智能扛峰所消耗的 BBS 功耗超出這個(gè)閾值， 集群功耗控制將會(huì)通過(guò)處理器的功耗管控技術(shù)將機(jī)柜層面的用電需求降低到原始的額定安全值以內(nèi)。 基于機(jī)柜級(jí)分布式 BBS 的智能扛峰技術(shù)，可以有效提升機(jī)柜實(shí)際建設(shè)功耗的利用率，增加機(jī)柜服務(wù)器上架密度以及業(yè)務(wù)部署能力。另外，在應(yīng)對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)負(fù)載導(dǎo)致的峰值功耗時(shí)， 可以大大提升系統(tǒng)處理彈性， 減少業(yè)務(wù)遷移和提高整體業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可靠性。 總體而言，它可以增強(qiáng)最大化利用 IDC 或機(jī)柜實(shí)際建設(shè)功率來(lái)提升機(jī)柜上架率并最大化減少對(duì)業(yè)務(wù)負(fù)載性能的影響（大部分應(yīng)用場(chǎng)景減少功耗封頂?shù)挠|發(fā)） 。 6.3.3 管控接口 伴隨著數(shù)據(jù)

　　46、中心管理進(jìn)入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能化時(shí)代，數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控管理和業(yè)務(wù)調(diào)度系統(tǒng)的資源管控系統(tǒng)呈現(xiàn)融合的趨勢(shì)。通過(guò)將基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)納入業(yè)務(wù)資源調(diào)度系統(tǒng)，云計(jì)算供應(yīng)商一方面可以提升數(shù)據(jù)中心效率，另一方面可以增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)故障時(shí)的彈性能力。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心存在多種管理接口，DMTF 的 Redfish 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 API。它是基于通用的互聯(lián)網(wǎng)和 Web 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，利用 Web 服務(wù)的工具鏈，比如 Restful 的數(shù)據(jù)訪問接口以及 JSON 數(shù)據(jù)格式，為數(shù)據(jù)中心管理提供了新型的硬件管理接口。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心硬件管理架構(gòu)通?；诙喾N協(xié)議之上，比如服務(wù)器領(lǐng)域通常采用基于 IPMI 的帶外管理方式，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通

　　47、常采用基于 SNMP 的管理協(xié)議，機(jī)柜供電設(shè)備采用 485 接口或者以太網(wǎng)接口。通過(guò)將這些接口統(tǒng)一到 Redfish 之上，本方案可以方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心設(shè)備的互 25 通以及數(shù)據(jù)的交互，以便降低部署的復(fù)雜度以及成本。 圖 6.4 Redfish 管控接口在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用 下圖展示了一個(gè)利用 Redfish 規(guī)范實(shí)現(xiàn)機(jī)柜集群功耗管控的接口的例子。PowerControl 是集群功耗配置策略，其中包含幾個(gè)部分，分別是功耗的實(shí)時(shí)測(cè)量 PowerMetrics，機(jī)柜的功耗封頂配置 PowerLimit，以及策略的使能狀態(tài) Status?？梢钥吹?，基于 Redfish 的接口模型的功耗管控接口可以很方便的

　　48、適用到服務(wù)器，機(jī)柜，甚至是微模塊。 圖 6.5 機(jī)柜集群功耗管控接口 6.4 價(jià)值探討 以下為國(guó)內(nèi)大型云計(jì)算公司甲在試用后的評(píng)估： 26 Hyperscale 云計(jì)算數(shù)據(jù)中心必須提供高彈性供電技術(shù)來(lái)適應(yīng)云計(jì)算的高彈性、高伸縮需求，以達(dá)到既保障數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的高可用性和高可靠性，又能控制成本和助力云計(jì)算公司達(dá)到營(yíng)收平衡。公司云產(chǎn)品架構(gòu)部門在眾多候選技術(shù)中進(jìn)行了評(píng)估，和 Intel 等廠商評(píng)估了分布式 BBS 和集群功耗管控的技術(shù)。該技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)： 分布式 BBS 技術(shù)發(fā)展迅速，壽命周期內(nèi)充放電次數(shù)顯著提升，可以提供云業(yè)務(wù)負(fù)載短時(shí)間飆升時(shí)額定功耗之外的電力供應(yīng)，保證了云服務(wù)器部署密度比較高。同

　　49、時(shí)它的部署方式也比較靈活，不用刻意為達(dá)到穩(wěn)定或者平衡負(fù)載而實(shí)施復(fù)雜的部署方案。 在應(yīng)對(duì)外部不可控事件， 如單路掉電或者散熱故障出現(xiàn)時(shí)， 可以提供更長(zhǎng)的故障運(yùn)維時(shí)間，保障業(yè)務(wù)連續(xù)運(yùn)行，防止出現(xiàn)客戶云服務(wù)中斷。在系統(tǒng)性電力不可恢復(fù)情況下，可以提供充足的優(yōu)雅備份所需的電力供應(yīng)。 分布式 BBS 的散熱需求較低，在充放電時(shí)不會(huì)額外增加數(shù)據(jù)中心的風(fēng)、冷供給需求。 分布式 BBS 可以簡(jiǎn)化服務(wù)器的電源設(shè)計(jì)，降低單機(jī)成本。在資源池架構(gòu)下，可以給關(guān)鍵部件（如網(wǎng)絡(luò)接入交換機(jī)、PCIe 交換機(jī)等）專門供電；如果沒有分布式電池模組，這些處于控制平面， 或者多租戶共享、 處于關(guān)鍵路徑上的組件就必須單獨(dú)由獨(dú)立線、代價(jià)高昂。 在小規(guī)模私有云輸出時(shí)，比如某些邊緣計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景，分布式 BBS 可以顯著降低用戶部署和管理后備電源的成本。 對(duì)于 PaaS、SaaS 和分布式存儲(chǔ)客戶，分布式 BBS 更方便按照用戶的需求，精準(zhǔn)地保障高優(yōu)先級(jí)服務(wù)器和業(yè)務(wù)。 綜上， 我們認(rèn)為分布式BBS和功耗聯(lián)合管控和優(yōu)化技術(shù)可以幫助降低Capex和Opex、提升云業(yè)務(wù)的可靠性和可用性、賦能新的資源池化架構(gòu)。 27 以下為國(guó)內(nèi)大型云計(jì)算公司乙在試用后的評(píng)估： 針對(duì)分布式 BBS 應(yīng)用在儲(chǔ)能電費(fèi)套現(xiàn)場(chǎng)景， 初步評(píng)估每個(gè)機(jī)柜在電池生命內(nèi)典型收益可以至少達(dá)到 2000-2500 美金。考慮機(jī)柜密度增加（至少 15%提高）帶來(lái)的其它收益，綜

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