CN110429624B - 一种应用于数据中心储能系统的储能容量配置方法 - Google Patents

Abstract

为了提高数据中心专用储能系统的设备容量的利用效率，降低企业的用电成本，改善数据中心用电体系的性能，本发明提供一种应用于数据中心储能系统的储能容量配置方法包括了：步骤1、将数据中心用户的用电负荷曲线设定为储能系统电池容量的估算基础，根据电价高峰时段分布计算每个电价高峰时段最小用电量；步骤2、对该削峰填谷容量进行核算；步骤3、核算该削峰填谷容量输出。

Description

一种应用于数据中心储能系统的储能容量配置方法

技术领域

本发明主要是关于一种数据中心应用的储能系统容量配置方法，使得储能配置趋于更加合理性。

背景技术

近年来在金融、通信、电力、工业自动化控制等领域，总电源功率需求量达1200～3000kVA的大型机房已屡见不鲜。多台大型主机及大量的服务器、路由器、交换机、磁盘阵列机被集中安放在同一数据中心机房内，此类机房必须具备向用户提供大数据吞吐量、高数据传输率的连续工作能力。显然，稳定可靠、纯净的电源是数据中心的各种设备连续、正常高效运行的重要前提，供电系统不仅要为机房设备提供不间断供电，还必须确保在网络上运行的数据、语音和图像等信息资源能高效、可靠、安全地进行远程处理、存储和传输，这都使得不间断供电保障系统(UPS)成为数据中心内不可或缺的必要设备。

把电池储能技术应用于数据中心，可有效提高数据机房UPS供电系统负荷用电经济性(例如利用谷电价充电，峰电价放电，减少企业峰电价阶段用电量等)，结合储能系统充放电特性及用户负荷用电曲线进行设计，保证数据中心供电系统运行稳定及高效。

当前，此类数据中心大多采用在线式UPS为工作负载提供稳定的供电保障。然而数据中心内除服务器、路由器、交换机等关键工作负载外还配备照明、制冷、监控、水循环系统等设备，设备情况复杂，对供电保障系统的过载能力、峰值因数等指标也有较高要求。常规的在线式UPS现已很难满足当前数据中心的需求。优化数据中心的基础设施，在数据中心实现真正的绿色节能以进一步降低能耗、提升数据中心运营效率就是十分必要和紧迫的。

用户在配置供电系统时，既希望关键工作负载可以保持较长的后备时间也希望降低电池成本，减少投资浪费，而由于传统电池后备供电时间和成本之间的矛盾问题，用户在投资电池时也一直持审慎态度。储能式UPS化被动为主动，通过应用储能电池集成系统，对其进行充分调动，使得设备和电池的充放电行为成为工作常态，从而避免了电池闲置，也解决了用户因担心投资浪费而导致的电池配备容量小、设备后备时间过短的问题。

发明内容

有鉴于此，提出应用于数据中心的储能系统的储能容量配置方法，利用谷电价阶段进行充电，峰电价阶段进行放电，数据中心用电负荷特性可确保满足储能削峰填谷的充放电特性使用要求，同时有助于用户合理转移用电负荷，降低峰电价时段的用电负荷率，提高储能系统的设备容量的利用效率，降低企业的用电成本，改善数据中心用电体系的性能。本发明可满足以下实际需求：(1)不再需要对数据中心配备专门的后备电源投资，节约成本，通过储能系统的削峰填谷功能，可以优化电费成本，提高IDC机房的盈利能力；(2)作为储能系统的运营商，通过储能系统的削峰填谷等，获取投资收益；(3)考虑到IDC机房客户资信高，负荷运行长期稳定，对于通过电池循环储能回收投资和盈利非常有利，同时每年可获取运维费用；(4)提高了变压器整体利用效率(例如提高了谷电价阶段用电量，降低了峰电价阶段用电量)，降低了变压器基本容量需求。

为了实现以上技术效果，提出一种应用于数据中心储能系统的储能容量配置方法，包括了：

步骤1、将数据中心用户的用电负荷曲线设定为储能系统电池容量的估算基础，根据电价高峰时段分布特征(示例含2个高峰时段)计算每个电价高峰时段最小用电量，满足：

S＝P×t (1)

其中，S—最小储能容量(kWh)；P—高峰电价时段最低用电负荷(kW)；t—高峰电价持续时间(h)。

在本步骤的一示例中，可存在2个电价高峰时段，持续时间分别为t₂、t₄，在t₂时间段内，用电最小功率为P₁；在t₄时间段内，用电最小功率为P₂，其中数据中心用户在t₂和t₄两个高峰时段对应的最小用电量分别为：

S₁＝P₁×t₂ (1-1)

S₂＝P₂×t₄ (1-2)

其中取S₁和S₂的最小值作为该储能系统在削峰填谷模式下的削峰填谷容量S_削峰填谷，即：

S_削峰填谷＝min(S₁，S₂) (1-3)

步骤2、对该削峰填谷容量S_削峰填谷进行核算：根据数据中心的负荷特性将储能系统在不同电价时段的储能设备额定功率参数P_削(为储能系统最大输出能力，不同时间段工作功率可调)与IT负载负荷功率参数P_it保持一致，通过分析各数据中心区域的电价规律，核算储能系统的削峰填谷容量S_削峰填谷满足以下充放电策略：

(1)在设置一定放电深度(DOD)条件下，储能系统每天进行1次充放电时，充电工作状态发生在谷电价时段，谷电价持续时间为T_充1，放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放1，满足：

S_削峰填谷＝min(P_削*T_充1，P_削*T_放1)； (2-1)，即

S_削峰填谷＝P_削*min(T_充1，T_放1)； (2-2)

(2)在设置一定DOD条件下，储能系统每天进行2次充放电时：第一次充电工作状态发生在谷电价时段，谷电价持续时间为T_充1，第一次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放1；第二次充电工作状态发生在平电价时段，平电价持续时间为T_充2，第二次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放2，满足：

S_削峰填谷＝min(P_削*T_充1，P_削*T_放1，P_削*T_充2，P_削*T_放2)； (2-3)，即

S_削峰填谷＝P_削*min(T_充1，T_放1，T_充2，T_放2)； (2-4)

(3)在设置一定DOD条件下，系统每天进行3次充放电时：第一次充电工作状态发生在谷电价时段，谷电价持续时间为T_充1，第一次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放1；第二次充电工作状态发生在平电价时段，平电价持续时间为T_充2，第二次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放2；第三次充电工作状态发生在平电价时段，平电价持续时间为T_充3，第三次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放3，满足：

S_削峰填谷＝min(P_削*T_充1，P_削*T_放1，P_削*T_充2，P_削*T_放2，P_削*T_充3，P_削*T_放3)； (2-5)，即

S_削峰填谷＝P_削*min(T_充1，T_放1，T_充2，T_放2，T_充3，T_放3) (2-6)

步骤3、核算该削峰填谷容量S_削峰填谷输出值：储能系统在削峰填谷模式下，储能系统最短持续运行时间为T_储能，储能系统削峰填谷容量S_削峰填谷计算公式为：

将min(T_充1，T_放1，T_充2，T_放2，T_充3，T_放3)等效为min(T_充1:T_放3)，

T_储能＝min(IF(T_充1:T_放3<>0，T_充1:T_放3)) (2-7)

S_削峰填谷＝P_削*T_储能＝P_it*T_储能

其中，对削峰填谷容量的设计验证包括储能系统投入运行不应造成数据中心用户的基本电费增加，因此必须遵从以下原则：在数据中心用户线路容量P_总线路固定的情况下，储能系统投入到削峰填谷模式下，原则上为保证配电系统的安全可靠，在充放电状态下储能系统的功率负荷率不超过线路容量的80％(考虑负荷波动对线路负载率影响的情况)；在充电过程中，储能系统和IT负载负荷持续从电网取电，满足：

P_削+P_it≤P_总线路*0.8；

在放电过程中，储能系统承担IT负载负荷供电，不占据线路容量。

在以上方法中还包括步骤4、对储能系统备电容量S_备电执行核算：根据数据中心核心备电需求及项目所在区域电价规律，采用“储能+备电”模式进行项目运营收益，其中储能系统总体设计容量S_储能、备电容量S_备电、参与储能系统削峰填谷模式运行的部分系统容量S_削峰填谷的关系为满足：

S_储能＝S_备电+S_削峰填谷 (4-1)

(S_削峰填谷/S_储能)*100％＝N (4-2)

其中，N—储能系统充放电深度(％)，假设数据中心系统配置为2N，可知IT负载负荷参数P_it、备电时间要求T_备电，备电容量满足：

S_备电＝P_it*T_备电*2 (4-3)

其中在采用锂离子电池集成备电系统时，由于锂电池充放电倍率性能良好，系统运行在不同功率下锂离子电池充放电容量基本一致，配置2N系统时备电容量为：

S_备电＝P_it*T_备电*2 (4-4)

而在采用铅炭电池集成备电系统时，考虑铅炭电池在系统不同功率下的工作状态，查询各个储能设备的功率容量参数K，配置2N系统时备电容量为：

S_备电＝P_it*T_备电*2*K (4-5)

在以上方法中，还包括步骤5、核算空间内最大安装容量S_空间容量：在对数据中心储能系统进行设计阶段，规划储能系统安装面积S_空间对应的储能系统最大安装容量S_空间容量和单位面积储能系统容量N的关系为满足：

S_空间容量＝S_空间*N (5-1)

在以上方法中，还包括步骤6、核算储能系统设计容量S_设计容量输出值：将储能系统设计容量数值代入一投资测算模型内，计算得出内部收益率(IRR)数值，在一定设计容量范围内计算数值最大的IRR结果，不同情况下设计容量S_设计容量范围满足：

当S_备电<S_空间容量<S_削峰填谷+S_备电时，S_设计容量数值范围为(S_备电，S_空间容量)；

当S_削峰填谷+S_备电<S_空间容量时，S_设计容量数值范围为(S_备电，S_削峰填谷+S_备电)。

与现有技术相比，实施本发明可以带来以下显著效果：(1)区别于传统储能系统削峰填谷的应用，为保证系统运行的稳定，数据中心储能系统容量设计考虑了削峰填谷、备电两部分容量值；(2)容量设计具有适用性，兼顾了不同种类电池的充放电特性(如锂电池、铅炭电池的倍率性能等)；(3)基于数据中心的场地空间利用，设计系统容量考虑了空间合理性；(4)结合特定项目投资分析，可根据项目经济性指标(如IRR参数)对容量设计做相应调整。

附图说明

图1是本发明实施例中提及的数据中心用户典型日负荷曲线示意图。

具体实施方式

考虑到电力需求的多样性和不确定性，在满足数据中心用户的最大需求的发供电负荷能力的同时不造成在用电低谷期的电力闲置，可采用削峰填谷模式作为对数据中心储能系统的设计考虑因素。参照图1示例性描述一种应用于数据中心储能系统的储能容量配置方法，包括了：

步骤1、将数据中心用户的用电负荷曲线设定为储能系统电池容量的估算基础，根据电价高峰时段分布特征(示例中包含2个高峰时段)计算每个电价高峰时段最小用电量(即图1中示出各阴影部分面积)，原则上满足：

S＝P×t (1)

其中，S—最小储能容量(kWh)；P—高峰电价时段最低用电负荷(kW)；t—高峰电价持续时间(h)。

在本步骤的一示例中，可存在2个电价高峰时段，持续时间分别为t₂和t₄，在t₂时间段内，用电最小功率为P₁；在t₄时间段内，用电最小功率为P₂。其中数据中心用户在t₂和t₄两个高峰时段对应的最小用电量分别为：

S₁＝P₁×t₂ (1-1)

S₂＝P₂×t₄ (1-2)

其中取S₁和S₂的最小值作为该储能系统削峰填谷模式下的容量S_削峰填谷，即：

S_削峰填谷＝min(S₁，S₂) (1-3)

步骤2、对削峰填谷容量S_削峰填谷进行核算：根据数据中心负荷特性(例如全天范围内趋于稳定)，将该储能系统在不同电价时段的设备额定功率P_削(为储能系统最大输出能力，不同时间段工作功率可调)与IT负载负荷功率参数P_it保持一致，通过分析各数据中心区域的电价规律，核算储能系统削峰填谷容量满足(以下充放电策略需考量供应商给予的质保条件)：

(1)在设置一定放电深度(DOD)条件下，储能系统每天进行1次充放电时，充电工作状态发生在谷电价时段，谷电价持续时间为T_充1，放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放1，满足：

S_削峰填谷＝min(P_削*T_充1，P_削*T_放1)； (2-1)，即

S_削峰填谷＝P_削*min(T_充1，T_放1)； (2-2)

(2)在设置一定DOD条件下，系统每天进行2次充放电时：第一次充电工作状态发生在谷电价时段，谷电价持续时间为T_充1，第一次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放1；第二次充电工作状态发生在平电价时段，平电价持续时间为T_充2，第二次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放2，满足：

S_削峰填谷＝min(P_削*T_充1，P_削*T_放1，P_削*T_充2，P_削*T_放2)； (2-3)，即

S_削峰填谷＝P_削*min(T_充1，T_放1，T_充2，T_放2)； (2-4)

(3)在设置一定DOD条件下，系统每天进行3次充放电时：第一次充电工作状态发生在谷电价时段，谷电价持续时间为T_充1，第一次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放1；第二次充电工作状态发生在平电价时段，平电价持续时间为T_充2，第二次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放2；第三次充电工作状态发生在平电价时段，平电价持续时间为T_充3，第三次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放3，有：

S_削峰填谷＝min(P_削*T_充1，P_削*T_放1，P_削*T_充2，P_削*T_放2，P_削*T_充3，P_削*T_放3)； (2-5)，即

S_削峰填谷＝P_削*min(T_充1，T_放1，T_充2，T_放2，T_充3，T_放3) (2-6)

步骤3、计算削峰填谷容量S_削峰填谷输出：储能系统在削峰填谷模式下，系统最短持续运行时间为T_储能，储能系统削峰填谷容量计算公式为：

min(T_充1，T_放1，T_充2，T_放2，T_充3，T_放3)等效为min(T_充1:T_放3)

T_储能＝min(IF(T_充1:T_放3<>0，T_充1:T_放3))

S_削峰填谷＝P_削*T_储能＝P_it*T_储能

其中，对削峰填谷容量的设计验证包括：储能系统投入运行不应造成用户基本电费的增加，因此必须遵从以下原则：在数据中心用户线路容量P_总线路固定的情况下，储能系统投入到削峰填谷模式下，原则上为保证配电系统的安全可靠，充放电状态下储能系统功率负荷率不超过线路容量的80％(考虑负荷波动对线路负载率影响的情况)；在充电过程中，储能系统和IT负载负荷持续从电网取电，满足：

P_削+P_it≤P_总线路*0.8；

在放电过程中，储能系统承担IT负载负荷供电，不占据线路容量。

步骤4、备电容量S_备电核算：考虑数据中心核心备电需求及项目所在区域电价规律，采用“储能+备电”模式进行项目运营收益，储能系统总体设计容量S_储能、备电容量S_备电、参与削峰填谷模式运行的部分系统容量S_削峰填谷的关系为：

S_储能＝S_备电+S_削峰填谷 (4-1)

(S_削峰填谷/S_储能)*100％＝N (4-2)

其中，N—储能系统充放电深度(％)，假设数据中心系统配置2N，可知IT负载负荷参数P_it、备电时间要求T_备电，备电容量为：

S_备电＝P_it*T_备电*2 (4-3)

其中采用锂离子电池集成备电系统，由于锂电池充放电倍率性能良好，系统运行在不同功率下电池充放电容量基本一致，配置2N系统时备电容量为：

S_备电＝P_it*T_备电*2 (4-4)

而采用铅炭电池集成备电系统，考虑铅炭电池在系统不同功率下的工作状态，查询各个设备的功率容量参数K，配置2N系统时备电容量为(铅炭电池系统备电容量需供应商提供备电时间验证)：

S_备电＝P_it*T_备电*2*K (4-5)。

在以上方法中，还包括步骤5、计算空间内最大安装容量S_空间容量：在一个数据中心应用的储能系统项目设计阶段，规划储能系统安装面积S_空间对应的储能系统最大安装容量S_空间容量和单位面积储能系统容量N的关系为：

S_空间容量＝S_空间*N (5-1)

在以上方法中，还包括步骤6、计算储能系统设计容量S_设计容量输出：将储能系统设计容量数值代入投资测算模型内，计算得出IRR数值，考虑设计合理的前提，在一定设计容量范围内计算数值最大的IRR结果，不同情况下设计容量S_设计容量范围有：当S_备电<S_空间容量<S_削峰填谷+S_备电时，S_设计容量数值范围为(S_备电，S_空间容量)；当S_削峰填谷+S_备电<S_空间容量时，S_设计容量数值范围为(S_备电，S_削峰填谷+S_备电)。

本发明所实施项目按照部署在上海市为例，执行上海市峰平谷电价时段政策，数据中心的负荷特性参数稳定在10MW。由于上海市每天存在两次峰电价时段，项目采用每天两充两放，每次DOD为100％的运行模式，结合上海市峰平谷时段政策，按照以上方法的限定条件，削峰填谷容量S_削峰填谷＝10MW*3h＝30MWh。其中，当采用锂电池集成备电系统时，数据中心的备电配置为2N，在15分钟时，备电容量S_备电＝10MW*0.25h*2＝5MWh。假设该数据中心安装储能系统空间足够，储能系统设计容量S_设计容量＝S_削峰填谷+S_备电＝35MWh。

经过以上储能系统设计的合理化验证，建议储能系统设计容量为35MWh。

Claims (5)

1.一种应用于数据中心储能系统的储能容量配置方法，其特征是包括了：

步骤1、将数据中心用户的用电负荷曲线设定为储能系统电池容量的估算基础，根据电价高峰时段分布特征计算每个电价高峰时段最小用电量，满足：

S＝P×t (1)

其中，S—最小储能容量(kWh)；P—高峰电价时段最低用电负荷(kW)；t—高峰电价持续时间(h)，

步骤2、对削峰填谷容量S_削峰填谷进行核算：根据数据中心的负荷特性将储能系统在不同电价时段的储能设备额定功率参数P_削与IT负载负荷功率参数P_it保持一致，通过分析各数据中心区域的电价规律，核算储能系统的削峰填谷容量S_削峰填谷满足以下充放电策略：

(1)当存在2个电价高峰时段，持续时间分别为t₂、t₄，在t₂时间段内，用电最小功率为P₁；在t₄时间段内，用电最小功率为P₂，其中数据中心用户在t₂和t₄两个高峰时段对应的最小用电量分别为：

S₁＝P₁×t₂ (1-1)

S₂＝P₂×t₄ (1-2)

其中，取S₁和S₂的最小值作为该储能系统在削峰填谷模式下的削峰填谷容量S_削峰填谷，即：

S_削峰填谷＝min(S₁，S₂) (1-3)；

(2)在设置一定放电深度DOD条件下，储能系统每天进行1次充放电时，充电工作状态发生在谷电价时段，谷电价持续时间为T_充1，放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放1，满足：

S_削峰填谷＝min(P_削*T_充1，P_削*T_放1)； (2-1)，即

S_削峰填谷＝P_削*min(T_充1，T_放1)； (2-2)

(3)在设置一定DOD条件下，储能系统每天进行2次充放电时：第一次充电工作状态发生在谷电价时段，谷电价持续时间为T_充1，第一次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放1；第二次充电工作状态发生在平电价时段，平电价持续时间为T_充2，第二次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放2，满足：

S_削峰填谷＝min(P_削*T_充1，P_削*T_放1，P_削*T_充2，P_削*T_放2)； (2-3)，即

S_削峰填谷＝P_削*min(T_充1，T_放1，T_充2，T_放2)； (2-4)

(4)在设置一定DOD条件下，系统每天进行3次充放电时：第一次充电工作状态发生在谷电价时段，谷电价持续时间为T_充1，第一次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放1；第二次充电工作状态发生在平电价时段，平电价持续时间为T_充2，第二次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放2；第三次充电工作状态发生在平电价时段，平电价持续时间为T_充3，第三次放电工作状态发生在峰电价时段，峰电价持续时间为T_放3，满足：

S_削峰填谷＝min(P_削*T_充1，P_削*T_放1，P_削*T_充2，P_削*T_放2，P_削*T_充3，P_削*T_放3)； (2-5)，即

S_削峰填谷＝P_削*min(T_充1，T_放1，T_充2，T_放2，T_充3，T_放3) (2-6)

步骤3、核算该削峰填谷容量S_削峰填谷输出值：储能系统在削峰填谷模式下，储能系统最短持续运行时间为T_储能，储能系统削峰填谷容量S_削峰填谷计算公式为：

将min(T_充1，T_放1，T_充2，T_放2，T_充3，T_放3)等效为min(T_充1:T_放3)，

T_储能＝min(IF(T_充1:T_放3<>0，T_充1:T_放3))(2-7)

S_削峰填谷＝P_削*T_储能＝P_it*T_储能。

2.根据权利要求1所述的储能容量配置方法，其特征是，对所述削峰填谷容量的验证包括储能系统投入运行不造成数据中心用户的基本电费增加，在数据中心用户线路容量P_总线路固定的情况下，储能系统投入到削峰填谷模式下，在充放电状态下储能系统的功率负荷率不超过线路容量的80％；在充电过程中，储能系统和IT负载负荷持续从电网取电，满足：

P_削+P_it≤P_总线路*0.8；

在放电过程中，储能系统承担IT负载负荷供电，不占据线路容量。

3.根据权利要求1所述的储能容量配置方法，其特征是，还包括步骤4、对储能系统备电容量S_备电执行核算：根据数据中心核心备电需求及项目所在区域电价规律，采用储能+备电模式进行项目运营收益，其中储能系统总体设计容量S_储能、备电容量S_备电、参与储能系统削峰填谷模式运行的部分系统容量S_削峰填谷的关系为满足：

S_储能＝S_备电+S_削峰填谷 (4-1)

(S_削峰填谷/S_储能)*100％＝N (4-2)

其中，N—储能系统充放电深度(％)，假设数据中心系统配置为2N，可知IT负载负荷参数P_it、备电时间要求T_备电，备电容量满足：

S_备电＝P_it*T_备电*2 (4-3)

其中在采用锂离子电池集成备电系统时，由于锂电池充放电倍率性能良好，系统运行在不同功率下锂离子电池充放电容量基本一致，配置2N系统时备电容量为：

S_备电＝P_it*T_备电*2 (4-4)

而在采用铅炭电池集成备电系统时，考虑铅炭电池在系统不同功率下的工作状态，查询各个储能设备的功率容量参数K，配置2N系统时备电容量为：

S_备电＝P_it*T_备电*2*K (4-5)。

4.根据权利要求3所述的储能容量配置方法，其特征是，还包括步骤5、核算空间内最大安装容量S_空间容量：在对数据中心储能系统进行设计阶段，规划储能系统安装面积S_空间对应的储能系统最大安装容量S_空间容量和单位面积储能系统容量n的关系为满足：

S_空间容量＝S_空间*n (5-1)。

5.根据权利要求4所述的储能容量配置方法，其特征是，还包括步骤6、核算储能系统设计容量S_设计容量输出值：将储能系统设计容量数值代入一投资测算模型内，计算得出内部收益率IRR数值，在一定设计容量范围内计算数值最大的IRR结果，不同情况下设计容量S_设计容量范围满足：

当S_备电<S_空间容量<S_削峰填谷+S_备电时，S_设计容量数值范围为(S_备电，S_空间容量)；和当S_削峰填谷+S_备电<S_空间容量时，S_设计容量数值范围为(S_备电，S_削峰填谷+S_备电)。

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