WO2025214723A1 - Ausgleich von elektrischen leistungsfluktuationen eines rechenzentrums - Google Patents

Ausgleich von elektrischen leistungsfluktuationen eines rechenzentrums

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WO2025214723A1
WO2025214723A1 PCT/EP2025/057205 EP2025057205W WO2025214723A1 WO 2025214723 A1 WO2025214723 A1 WO 2025214723A1 EP 2025057205 W EP2025057205 W EP 2025057205W WO 2025214723 A1 WO2025214723 A1 WO 2025214723A1
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WO
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reaction
data center
systems
power
class
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Thomas Hammer
Michael Metzger
Stefan Niessen
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/003—Load forecast, e.g. methods or systems for forecasting future load demand
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/06—Energy or water supply

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of patent claim 1, a device according to the preamble of patent claim 13 and a data center according to the preamble of patent claim 14.
  • Data centers typically have power consumption that varies significantly over time because their utilization, particularly with regard to the utilization of their processors and/or data storage, fluctuates greatly.
  • performance fluctuations can range from seconds to minutes or hours.
  • the present invention is based on the object of compensating for performance fluctuations of a data center with regard to its power requirements, in particular in the case of fluctuating utilization of the data center.
  • the method according to the invention for reducing performance fluctuations for the operation of a data center, wherein the data center has several systems which have different reaction times with regard to their operation, is characterized at least by the following steps:
  • the method according to the invention and/or one or more functions, features and/or steps of the method according to the invention and/or one of its embodiments can be computer-aided.
  • Data center systems are understood, in particular, to be energy-related systems that provide a specific amount of power within a given time period (generation) or require it for their operation (consumption). These are preferably not the data center's servers, processors, and/or data storage devices, but rather other data center systems, in particular air conditioning systems, power storage systems, and/or other systems with dynamically controllable consumption and/or dynamically controllable generation, and/or systems external to the data center.
  • the response time of a plant is, in particular, the time it takes to reach its required operating point, for example, its start-up time.
  • the response time is typically associated with a reduction and/or increase in the plant's performance.
  • several disjoint reaction classes are provided, ordered in ascending order with respect to their reaction times, with each plant being assigned to one of the reaction classes.
  • the systems are classified according to their response time.
  • the power fluctuations of the data center typically exhibit different time scales, time constants, or time components. Classification into response classes ensures that the response times of the systems match the respective time scale, time constant/oscillation period/frequency, of the respective power fluctuation. This is necessary because the power consumption of the data center typically varies on different temporal orders of magnitude, i.e., on different time scales, for example, in the range of seconds, minutes, and/or hours.
  • the power fluctuations typically exhibit different time constants and several characteristic frequencies that characterize the respective time scale of the respective fluctuation.
  • a prediction for the time-dependent total performance of the data center is provided for a prediction period, wherein the prediction includes information about the temporal variance of the total performance.
  • the forecast can preferably be carried out using stochastic optimization.
  • This essentially results in a two-stage process.
  • the stochastic optimization for the operation of the data center takes place within the forecast period, which is a future period, for example for the coming day.
  • the actual operation of the data center takes place according to the result of the stochastic optimization within the forecast period.
  • another real-time optimization can be carried out for the operation.
  • the stochastic optimization according to the first stage ensures that the respective systems with their respective response times and performance can basically be operated according to the forecast at any given time, at least within specified limits.
  • the real-time optimization in the second stage/phase can include a prediction of the electrical load, a prediction of the utilization of the processors, servers and/or data storage of the data center, a prediction of electrical charges and/or a prediction of weather conditions, in particular with regard to outside temperature, solar radiation and/or wind direction and wind speed.
  • a reaction class-specific time-dependent power is determined for each reaction class as a function of the temporal variance of the total power, whereby the powers are determined in such a way that they lead to a reduction of the power fluctuations of the
  • the third step it is thus known which response classes and thus which plants with which power levels are required to reduce power fluctuations within the forecast period, for example, the next day. This allows for a reduction tailored to the temporal variation of the power fluctuations, leading to improved balancing of power fluctuations during operation. This is possible because the forecast includes information about the temporal variance of the total power and thus about the expected power fluctuations.
  • the plants of the respective reaction class are operated in such a way that the time-dependent power determined for each of the reaction classes is provided by the plants of the respective reaction classes.
  • reaction class-specific performance ultimately leads to a reduction in performance fluctuations within the forecast period. This significantly improves the operation of the data center, particularly within the forecast period, with regard to its performance fluctuations. If the data center were operated solely according to stochastic optimization, a smaller improvement in performance fluctuations would occur, since optimization is typically carried out exclusively according to operating costs. According to the present invention, however, based on the prediction, reaction class-specific performance is determined, which leads to a reduction in This allows the data center to be operated as cost-effectively as possible and with the lowest possible performance fluctuations.
  • the flexibility potentials or sources of flexibility available in the data center are utilized as optimally as possible to reduce power fluctuations that arise, for example, due to fluctuating capacity utilization.
  • diesel generators are used as backup, but rather all flexibly controllable systems in the data center, i.e., all systems within the respective response class.
  • these systems are designed to adjust their power consumption, i.e., to increase or decrease their power according to their response times.
  • this modular design also allows for maintenance, replacement, and/or refurbishment of the systems without jeopardizing data center operations.
  • the device according to the invention for controlling the overall performance of a data center comprises at least one control unit.
  • the control unit is designed to reduce performance fluctuations of the data center using a method according to the present invention and/or one of its embodiments.
  • the data center according to the invention is characterized in that it comprises a device according to the present invention and/or one of its embodiments.
  • At least a first, second and third reaction class are provided.
  • the plants are classified according to three reaction classes. These three reaction classes have different reaction times and can therefore be described as highly reactive, reactive, and slightly reactive.
  • Highly reactive systems i.e., systems in the first reaction class
  • systems in the first reaction class are systems that can achieve a relatively short-term effect, such as supercapacitors, superconducting coils, and/or LEDs, especially those found in vertical farms located close to the data center.
  • These systems have such short reaction times that they can be directly connected to the data center's power supply and controlled by a primary proportional controller with voltage as the input parameter.
  • Reactive assets include assets that can provide a specific power output and/or power variation, i.e., flexibility ranging from seconds to one hour. These include, in particular, batteries integrated into the grid connection, the uninterruptible power supply, and/or on-site generation assets, such as electric vehicle charging stations, HVAC controls of the data center building, direct air capture systems, compression systems for cooling, heat recovery systems, water treatment systems, and/or hydrogen electrolyzers. These components are controlled, for example, by a proportional controller with upper and lower thresholds and a delay. The delay can be set so that the less reactive components are not activated until the more reactive components have reached saturation. The proportionality factor for each component can be set so that the gradient does not degrade the component.
  • the first reaction class is characterized by reaction times in the range of milliseconds to seconds, the second reaction class by reaction times in the range of seconds to one hour and the third reaction class by reaction times in the range of several hours to days.
  • the first reaction class comprises as systems at least supercapacitors, superconducting magnetic energy storage devices, in particular superconducting coils, and/or lights, in particular lights of a vertical farm.
  • these systems feature very short response times, for example, in the range of milliseconds to seconds. This makes them particularly suitable for compensating for very short-term power fluctuations.
  • the second reaction class comprises as systems at least battery storage systems, charging stations for electric vehicles, heating systems, cooling systems, ventilation systems, air conditioning systems, direct air capture systems, heat recovery systems, water treatment systems and/or electrolyzers.
  • these systems feature short response times, for example, in the range of minutes to hours. This makes them particularly suitable for compensating for short-term power fluctuations.
  • the third reaction class with respect to the data center comprises external systems.
  • External systems typically have longer response times, for example, in the range of hours to days, due to the corresponding coordination and communication required. This makes them particularly suitable for balancing longer-term power fluctuations.
  • these external systems, or their flexibility can be provided via a flexibility market platform.
  • the prediction of the overall performance is provided as a function of a prediction of the workload of the data center.
  • the overall performance required by the data center typically depends largely on the utilization of its processors, servers and/or data storage.
  • the optimization comprises a prediction of energy prices and/or a prediction of weather data, wherein one or more of said predictions are taken into account when determining the performance of the respective reaction classes.
  • the prediction is provided by stochastic optimization.
  • the stochastic optimization is carried out based on an objective function, wherein the objective function models the carbon dioxide emissions and/or the operating costs of the data center.
  • a minimum and maximum power, a minimum and maximum power gradient, a minimum and maximum supply interruption time, a minimum and maximum charging time and/or discharging time, an energy loss and/or characteristic times for power changes are used for the stochastic optimization for the systems.
  • the data center has a total output of more than 100 megawatts, in particular more than 500 megawatts.
  • the data center according to the invention preferably has a total output of more than 100 megawatts, in particular more than 500 megawatts.
  • the data center according to the invention is integrated into a flexibility market.
  • the method illustrated in the figure preferably relates to a data center which has a hierarchy of subsystems or systems.
  • the data center can preferably be divided according to the following subsystems:
  • the aforementioned subsystems can be made more flexible in terms of their performance and are thus generally available – with different response times – as systems for reducing performance fluctuations in the data center. If the aforementioned systems/systems are not already flexible in terms of their performance, they can be made more flexible, preferably through appropriate automation and/or additional energy storage devices with specific time constants. The method is therefore also applicable to existing data centers. In particular, sufficient flexibility can be considered when planning or designing new data centers.
  • a first step S1 of the method several disjoint reaction classes are provided, ordered in ascending order with respect to their reaction times, with each plant being assigned to one of the reaction classes.
  • reaction classes are provided, each comprising systems with different reaction times or magnitudes of reaction times.
  • a prediction for the time-dependent total performance of the data center is provided for a prediction period, wherein the prediction includes information about the temporal variance of the total performance.
  • a reaction-class-specific time-dependent power is determined for each reaction class as a function of the temporal variance of the total power and thus as a function of the forecast.
  • the powers are determined in such a way that they lead to a reduction in the predicted power fluctuations for the data center within the forecast period.
  • the actual operation of the data center then takes place within the forecast period, whereby the operation takes place in such a way that the time-dependent power determined for each of the reaction classes is provided by the systems of the respective reaction classes.

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Abstract

Ausgleich von elektrischen Leistungsfluktuationen eines Rechenzentrums Es wird ein Verfahren zur Reduzierung von Leistungsfluktuationen für einen Betrieb eines Rechenzentrums vorgeschlagen, wobei das Rechenzentrum mehrere Anlagen aufweist, die bezüglich ihres Betriebs verschiedene Reaktionszeiten aufweisen. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: - (S1) Bereitstellen von mehreren disjunkten und bezüglich ihrer Reaktionszeiten aufsteigend geordneten Reaktionsklassen, wobei jede Anlage einer der Reaktionsklassen zugeordnet ist; - (S2) Bereitstellen einer Vorhersage für die zeitabhängige Gesamtleistung des Rechenzentrums für einen Vorhersagezeitraum, wobei die Vorhersage eine Information über die zeitliche Varianz der Gesamtleistung umfasst; - (S3) Ermitteln einer reaktionsklassenspezifischen zeitabhängigen Leistung für jede Reaktionsklasse in Abhängigkeit der zeitlichen Varianz der Gesamtleistung, wobei die Leistungen derart ermittelt werden, dass diese zu einer Reduzierung der Leistungsfluktuationen des Rechenzentrums führen; und - (S4) Betreiben der Anlagen der jeweiligen Reaktionsklasse, sodass die für jede der Reaktionsklassen ermittelte zeitabhängige Leistung durch die Anlagen der jeweiligen Reaktionsklassen bereitgestellt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung der Gesamtleistung eines Rechenzentrums sowie ein Rechenzentrum.

Description

Beschreibung
Ausgleich von elektrischen Leistungsfluktuationen eines Rechenzentrums
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 , eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 13 sowie ein Rechenzentrum gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 14.
Rechenzentren (englisch: Datacenters) weisen typischerweise einen zeitlich deutlich variierenden Stromverbrauch auf, da ihre Auslastung, insbesondere im Hinblick auf eine Auslastung ihrer Prozessoren und/oder Datenspeichern, stark fluktuiert.
Besonders im Hinblick auf Prozessoren für künstliche Intelligenz (englisch: Artificial Intelligence; AI) stellt dies eine technische Herausforderung dar, da diese das genannte Problem weiter verschärfen. Dadurch können neuere Rechenzentren einen Strombedarf bis zu 1000 Megawatt und eine Stromfluktuation im Bereich von 100 Megawatt bis 300 Megawatt aufweisen.
Weiterhin können, je nach Dauer des Betriebs der Prozessoren, die Leistungsschwankungen im Bereich von Sekunden bis Minuten oder Stunden liegen.
Die genannten dynamischen Leistungsschwankungen von Rechenzentren haben mehrere Nachteile. Zum einen ist es dadurch schwierig die Richtlinien für den Betrieb von Stromnetzen (englisch: Grid Codes) einzuhalten, sodass Netzbetreiber einen Netzanschluss des Rechenzentrums verweigern oder Bußgelder verhängen können. Zum anderen sind Spitzenlasten deutlich kostspieliger für die Rechenzentren. Weiterhin sind aufgrund der Lastfluktuationen die Anforderungen der Rechenzentren an die Verfügbarkeit der vollen Anschlussleistung hoch.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Leistungsfluktuationen eines Rechenzentrums bezüglich seines Strombedarfs, insbesondere bei einer schwankenden Auslastung des Rechenzentrums, auszugleichen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 , durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 13 sowie durch ein Rechenzentrum mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 14 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduzierung von Leistungsfluktuationen für einen Betrieb eines Rechenzentrums, wobei das Rechenzentrum mehrere Anlagen aufweist, die bezüglich ihres Betriebs verschiedene Reaktionszeiten aufweisen, ist wenigstens gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Bereitstellen von mehreren disjunkten und bezüglich ihrer Reaktionszeiten aufsteigend geordneten Reaktionsklassen, wobei jede Anlage einer der Reaktionsklassen zugeordnet ist;
- Bereitstellen einer Vorhersage für die zeitabhängige Gesamtleistung des Rechenzentrums für einen Vorhersagezeitraum, wobei die Vorhersage eine Information über die zeitliche Varianz der Gesamtleistung umfasst;
- Ermitteln einer reaktionsklassenspezifischen zeitabhängigen Leistung für jede Reaktionsklasse in Abhängigkeit der zeitlichen Varianz der Gesamtleistung, wobei die Leistungen derart ermittelt werden, dass diese zu einer Reduzierung der Leistungsfluktuationen des Rechenzentrums führen; und
- Betreiben der Anlagen der jeweiligen Reaktionsklasse, sodass die für jede der Reaktionsklassen ermittelte zeitabhängige Leistung durch die Anlagen der jeweiligen Reaktionsklassen bereitgestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder eine oder mehrere Funktionen, Merkmale und/oder Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer seiner Ausgestaltungen können computergestützt sein.
Unter Anlagen des Rechenzentrums werden insbesondere energietechnische Anlagen verstanden, die somit eine bestimmte Leistung innerhalb eines jeweiligen Zeitbereiches bereitstellen (Erzeugung) oder für ihren Betrieb benötigen (Verbrauch). Bevorzugt sind dies nicht die Server, Prozessoren und/oder Datenspeicher des Rechenzentrums, sondern weitere Anlagen des Rechenzentrums, insbesondere Anlagen von Klimasystemen, Stromspeicher und/oder weitere Anlagen mit einem dynamisch steuerbaren Verbrauch und/oder einer dynamisch steuerbaren Erzeugung und/oder bezüglich des Rechenzentrums externe Anlagen.
Die Reaktionszeit einer Anlage ist insbesondere die zeitliche Dauer, die die Anlage zum Erreichen ihres geforderten Betriebspunktes benötigt, beispielsweise ihre Anlaufzeit. Die Reaktionszeit ist typischerweise mit einer Verringerung und/oder Erhöhung der Leistung der Anlage assoziiert. Gemäß einem ersten Schritt des Verfahrens werden mehrere disjunkte und bezüglich ihrer Reaktionszeiten aufsteigend geordneten Reaktionsklassen bereitgestellt, wobei jede Anlage einer der Reaktionsklassen zugeordnet ist.
Mit anderen Worten werden die Anlagen bezüglich ihrer Reaktionszeit klassifiziert. Die Leistungsfluktuationen des Rechenzentrums weisen typischerweise verschiedene Zeitskalen beziehungsweise Zeitkonstanten beziehungsweise Zeitkomponenten auf. Durch die Klassifizierung in Reaktionsklassen wird somit sichergestellt, dass die Reaktionszeiten der Anlagen zur jeweiligen Zeitskala beziehungsweise Zeitkonstanten/Schwingungsdauer/Frequenz der jeweiligen Leistungsfluktuation passend sind. Das ist deshalb erforderlich, da die Leistungsaufnahme des Rechenzentrums typischerweise auf verschiedenen zeitlichen Größenordnungen, das heißt auf verschiedenen Zeitskalen variiert, beispielsweise im Bereich von Sekunden, Minuten und/oder Stunden. Mit anderen Worten weisen die Leistungsfluktuationen typischerweise verschiedene Zeitkonstanten sowie mehrere charakteristische Frequenzen auf, die die jeweilige Zeitskala der jeweiligen Fluktuation kennzeichnen.
Gemäß einem zweiten Schritt des Verfahrens wird eine Vorhersage für die zeitabhängige Gesamtleistung des Rechenzentrums für einen Vorhersagezeitraum bereitgestellt, wobei die Vorhersage eine Information über die zeitliche Varianz der Gesamtleistung umfasst.
Hierbei kann die Vorhersage bevorzugt mittels einer stochastischen Optimierung durchgeführt werden. Grundsätzlich liegt somit ein zweistufiges Verfahren vor. In einer ersten Stufe des Verfahrens erfolgt die stochastische Optimierung für den Betrieb des Rechenzentrums innerhalb des Vorhersagezeitraums, der ein zukünftiger Zeitraum ist, beispielsweise für den kommenden Tag. In einer zweiten Stufe erfolgt dann der eigentliche Betrieb des Rechenzentrums gemäß dem Ergebnis der stochastischen Optimierung innerhalb des Vorhersagezeitraums. Hierbei kann für den Betrieb nochmals eine Echtzeitoptimierung erfolgen. Somit stellt die stochastische Optimierung gemäß der ersten Stufe sicher, dass die jeweiligen Anlagen mit ihren jeweiligen Reaktionszeiten und Leistungen zum jeweiligen Zeitpunkt grundsätzlich, zumindest in festgelegten Grenzen, gemäß der Vorhersage betreibbar sind. Darauf basierend kann dann während des Betriebs in der zweiten Stufe eine weitere Echtzeitoptimierung des Betriebs mit dem Ziel der Reduktion beziehungsweise dem Ausgleich von Leistungsfluktuationen erfolgen. Die Echtzeitoptimierung in der zweiten Stufe/Phase kann hierbei eine Vorhersage der elektrischen Last, eine Vorhersage der Auslastung der Prozessoren, Server und/oder Datenspeichern des Rechenzentrums, eine Vorhersage von elektrischen Entgelten und/oder eine Vorhersage von Wetterbedingungen, insbesondere bezüglich Außentemperatur, Sonneneinstrahlung und/oder Windrichtung und Windgeschwindigkeit, umfassen.
Für die stochastische Optimierung, das heißt für die Vorhersage können mehrere technische Daten/Informationen verwendet werden.
Basierend auf der ermittelten Vorhersage wird in einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens für jede Reaktionsklasse eine reaktionsklassenspezifische zeitabhängige Leistung in Abhängigkeit der zeitlichen Varianz der Gesamtleistung ermittelt, wobei die Leistungen derart ermittelt werden, dass diese zu einer Reduzierung der Leistungsfluktuationen des
Rechenzentrums führen.
Gemäß dem dritten Schritt ist somit bekannt, welche Reaktionsklassen und somit welche Anlagen mit welchen Leistungen für eine Reduktion der Leistungsfluktuationen innerhalb des Vorhersagezeitraums, beispielsweise den nächsten Tag, erforderlich sind. Dadurch kann eine auf die zeitliche Variation der Leistungsfluktuationen abgestimmte Reduktion erfolgen, die zu einem verbesserten Ausgleich von Leistungsfluktuationen während des Betriebs führt. Das gelingt deshalb, da die Vorhersage eine Information über die zeitliche Varianz der Gesamtleistung und somit über die erwartbaren Leistungsfluktuationen umfasst.
In einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Betreiben der Anlagen der jeweiligen Reaktionsklasse derart, dass die für jede der Reaktionsklassen ermittelte zeitabhängige Leistung durch die Anlagen der jeweiligen Reaktionsklassen bereitgestellt werden.
Der Betrieb gemäß den ermittelten reaktionsklassenspezifischen Leistungen führt schließlich zu einer Reduktion der Leistungsfluktuationen innerhalb des Vorhersagezeitraums. Dadurch wird der Betrieb des Rechenzentrums, insbesondere innerhalb des Vorhersagezeitraums, bezüglich seiner Leistungsfluktuationen deutlich verbessert. Würde das Rechenzentrum lediglich gemäß der stochastischen Optimierung betrieben werden, so würde eine geringere Verbesserung der Leistungsfluktuationen eintreten, da typischerweise hier ausschließlich nach Betriebskosten optimiert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden jedoch basierend auf der Vorhersage reaktionsklassenspezifische Leistungen ermittelt, die zu einer Reduktion der Leistungsfluktuationen führen. Dadurch kann das Rechenzentrum möglichst kostenoptimal und mit möglichst geringen Leistungsfluktuationen betrieben werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden somit Flexibilitätspotentiale beziehungsweise Flexibilitätsquellen, die das Rechenzentrum aufweist, möglichst optimal zur Reduktion von Leistungsfluktuationen, die sich beispielsweise durch eine schwankende Auslastung des Rechenzentrums ausbilden, verwendet. Hierzu werden insbesondere nicht ausschließlich Dieselgeneratoren als Sicherheit verwendet, sondern möglichst alle flexibel steuerbaren Anlagen des Rechenzentrums, das heißt alle Anlagen innerhalb der jeweiligen Reaktionsklasse. Je nach ihrer Reaktionsklasse sind diese Anlagen dazu ausgebildet, ihren Stromverbrauch anzupassen, das heißt gemäß ihrer Reaktionszeiten ihre Leistung zu erhöhen oder zu senken.
Weiterhin wird durch die Reduktion beziehungsweise den Ausgleich oder die Kompensation von Leistungsfluktuationen die Zuverlässigkeit des Rechenzentrums verbessert. Das ist insbesondere deshalb der Fall, da die hierzu erforderlichen Leistungen beziehungsweise Leistungsanpassungen über mehrere Anlagen und mehrere Reaktionsklassen verteilt werden. Somit ist durch diesen genannten modularen Aufbau, im Gegensatz zur Verwendung eines einzigen Backupsystems, ebenfalls eine Wartung, ein Austausch und/oder eine Sanierung der Anlagen möglich, ohne den Betrieb des Rechenzentrums zu gefährden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung der Gesamtleistung eines Rechenzentrums umfasst wenigstens eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist erfindungsgemäß dazu ausgebildet, Leistungsfluktuationen des Rechenzentrums durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltungen zu reduzieren.
Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige, gleichwertige und gleichwirkende Vorteile und/oder Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Das erfindungsgemäße Rechenzentrum ist dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltungen umfasst.
Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren sowie zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gleichartige, gleichwertige und gleichwirkende Vorteile und/oder Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Rechenzentrums. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden wenigstens eine erste, zweite und dritte Reaktionsklasse bereitgestellt.
Mit anderen Worten erfolgt eine Klassifizierung der Anlagen gemäß drei Reaktionsklassen. Die drei Reaktionsklassen weisen verschiedene Größenordnungen ihrer Reaktionszeiten auf und können somit als hochreaktiv, reaktiv und wenig reaktiv bezeichnet werden.
Hochreaktive Anlagen, das heißt Anlagen der ersten Reaktionsklasse sind Anlagen, die eine vergleichsweise kurzfristige Wirkung erzielen können, beispielsweise Superkondensatoren, supraleitende Spulen und/oder LEDs, insbesondere von bezüglich des Rechenzentrums naheliegenden vertikalen Landwirtschaften. Diese Anlagen weisen derart kurze Reaktionszeiten auf, dass diese unmittelbar mit dem Netzanschluss des Rechenzentrums verbunden sein können und durch einen primären Proportionalregler mit der Spannung als Eingangsparameter gesteuert werden können.
Reaktive Anlagen sind beispielsweise Anlagen, die eine bestimmte Leistung und/oder Leistungsänderung, das heißt eine Flexibilität im Bereich von Sekunden bis zu einer Stunde bereitstellen können. Insbesondere sind dies Batterien, die in den Netzanschluss integriert sind, die unterbrechungsfreie Stromversorgung und/oder Erzeugungsanlagen vor Ort, beispielsweise Ladestationen für Elektrofahrzeuge, HLK-Steuerungen des Gebäudes des Rechenzentrums, Direct-Air-Capturing-Anlagen, Verdichtungsanlagen zur Kühlung, Wärmerückgewinnungsanlagen, Wasseraufbereitungsanlagen und/oder Wasserstoffelektrolyseure. Diese Komponenten werden beispielsweise von einem Proportionalregler mit oberen und unteren Schwellenwerten gesteuert, der über eine Verzögerung verfügt. Die Verzögerung kann derart eingestellt werden, dass die weniger reaktiven Komponenten erst dann aktiviert werden, wenn die reaktiveren Komponenten die Sättigung erreicht haben. Der Proportionalitätsfaktor für jede Komponente kann derart eingestellt werden, dass der Gradient die Komponente nicht verschlechtert.
Weniger reaktive Anlagen sind insbesondere bezüglich des Rechenzentrums externe Anlagen. Hier können Flexibilitätsverträge mit benachbarten Verbrauchern oder Erzeugern verwendet werden, die für das Rechenzentrum die erforderliche Flexibilität bereitstellen. Sie bilden somit im Sinne der Flexibilität und im Sinne der vorliegenden Erfindung eigene Anlagen des Rechenzentrums aus. Die Flexibilität der genannten Anlagen kann durch ein auf der Spannung basierendes Online-Steuersignal aktiviert werden. Da diese externen Flexibilitäten aus Sicht eines Netzbetreibers an unterschiedliche Nutzungspunkte angebunden sind, ist ein zusätzlicher Abrechnungs- und Koordinationsmechanismus erforderlich. Eine mögliche Realisierung ist der Einsatz von Flexibilitätsmarktplattformen, die Flexibilitätsangebote und Flexibilitätsnachfragen aufeinander abstimmen. Das Rechenzentrum ist bevorzugt mit wenigstens einer dieser Flexibilitätsmarktplattformen verbunden beziehungsweise bevorzugt ein Teilnehmer des dadurch ausgebildeten Flexibilitätsmarktes.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erste Reaktionsklasse durch Reaktionszeiten im Bereich von Millisekunden bis Sekunden, die zweite Reaktionsklasse durch Reaktionszeiten im Bereich von Sekunden bis zu einer Stunde und die dritte Reaktionsklasse durch Reaktionszeiten im Bereich von mehreren Stunden bis Tagen gekennzeichnet.
Dadurch sind vorteilhafterweise bevorzugte Zeitskalen, Zeitkonstanten und/oder Schwingungsdauern von typischen Leistungsfluktuationen abgedeckt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die erste Reaktionsklasse als Anlagen wenigstens Superkondensatoren, supraleitende magnetische Energiespeicher, insbesondere supraleitende Spulen, und/oder Leuchten, insbesondere Leuchten einer vertikalen Landwirtschaft.
Vorteilhafterweise weisen die genannten Anlagen sehr kurze Reaktionszeiten auf, beispielswiese im Bereich von Millisekunden bis Sekunden. Dadurch können diese besonders bevorzugt zum Ausgleich von sehr kurzfristigen Leistungsfluktuationen verwendet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die zweite Reaktionsklasse als Anlagen wenigstens Batteriespeicher, Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Heizungsanlagen, Kühlanlagen, Lüftungsanlagen, Klimaanlagen, Direct-Air-Capture-Anlagen, Wärmerückgewinnungsanlagen, Wasseraufbereitungsanlagen und/oder Elektrolyseure.
Vorteilhafterweise weisen die genannten Anlagen kurze Reaktionszeiten auf, beispielswiese im Bereich von Minuten bis Stunden. Dadurch können diese besonders bevorzugt zum Ausgleich von kurzfristigen Leistungsfluktuationen verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die dritte Reaktionsklasse bezüglich des Rechenzentrums externe Anlagen. Externe Anlagen weisen typischerweise längere Reaktionszeiten auf, beispielswiese im Bereich von Stunden bis Tagen, da eine entsprechende Koordination und Kommunikation erforderlich ist. Dadurch können diese besonders bevorzugt zum Ausgleich von längerfristigen Leistungsfluktuationen verwendet werden. Insbesondere können die genannten externen Anlagen beziehungsweise ihre Flexibilität über eine Flexibilitätsmarktplattform bereitgestellt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Vorhersage der Gesamtleistung in Abhängigkeit einer Vorhersage der Arbeitsauslastung des Rechenzentrums bereitgestellt.
Mit anderen Worten ist die erforderliche Gesamtleistung des Rechenzentrums typischerweise im Wesentlichen von der Auslastung seiner Prozessoren, Servern und/oder Datenspeichern abhängig.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Optimierung eine Vorhersage von Energiepreisen und/oder eine Vorhersage von Wetterdaten, wobei eine oder mehrere der genannten Vorhersagen beim Ermitteln der Leistungen der jeweiligen Reaktionsklassen berücksichtigt werden.
Dadurch kann vorteilhafterweise das Ermitteln der reaktionsklassenspezifischen Leistungen verbessert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Vorhersage durch eine stochastische Optimierung bereitgestellt.
Dadurch kann vorteilhafterweise eine verbesserte Vorhersage bereitgestellt werden, sodass eine verbesserte Reduktion der Leistungsfluktuationen erreicht werden kann. Das ist deshalb der Fall, da Unsicherheiten in den verwendeten Parametern, insbesondere bezüglich der elektrischen Last und/oder Kosten berücksichtigt werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die stochastische Optimierung basierend auf einer Zielfunktion durchgeführt, wobei die Zielfunktion die Kohlenstoffdioxidemissionen und/oder die Betriebskosten des Rechenzentrums modelliert.
Dadurch kann vorteilhafterweise der Betrieb des Rechenzentrums bezüglich seiner Kohlenstoffdioxidemissionen und/oder bezüglich seiner Betriebskosten verbessert werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden für die stochastische Optimierung für die Anlagen eine minimale und maximale Leistung, ein minimaler und maximaler Leistungsgradient, eine minimale und maximale Versorgungsunterbrechungszeit, eine minimale und maximale Ladezeit und/oder Entladezeit, ein Energieverlust und/oder charakteristische Zeiten für Leistungsänderungen verwendet.
Dadurch wird vorteilhafterweise die stochastische Optimierung verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Rechenzentrum eine Gesamtleistung oberhalb von 100 Megawatt, insbesondere oberhalb von 500 Megawatt, auf.
Mit anderen Worten weist das erfindungsgemäße Rechenzentrum bevorzugt eine Gesamtleistung oberhalb von 100 Megawatt, insbesondere oberhalb von 500 Megawatt, auf.
Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Rechenzentrum in einen Flexibilitätsmarkt eingebunden.
Dadurch können vorteilhafterweise zusätzlich externe Flexibilitäten zur Reduktion von Leistungsfluktuationen des Rechenzentrums verwendet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur schematisiert ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in der Figur mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
Das in der Figur veranschaulichte Verfahren betrifft bevorzugt ein Rechenzentrum, welches eine Hierarchie von Subsystemen beziehungsweise Anlagen aufweist.
Hierbei kann das Rechenzentrum bevorzugt gemäß folgender Subsysteme eingeteilt werden:
- Gebäude- und verwandte HLK-Anlagen;
- Planung und Verwaltung von Rechenzentren;
- Kühlung und Wärmerückgewinnung für Speicher- und Rechen-HW; - Wasseraufbereitungsanlage;
- RLT-Gerät für die Prozesskühlung;
- Netzanschluss inkl. Filter und Var-Kompensation;
- Unterbrechungsfreie Stromversorgung; und/oder
- Stromerzeugungsanlage vor Ort.
Vorteilhafterweise können die genannten Subsysteme bezüglich ihrer Leistung flexibilisiert werden und stehen somit grundsätzlich - mit verschiedenen Reaktionszeiten - als Anlagen zur Reduktion von Leistungsfluktuationen des Rechenzentrums zur Verfügung. Sind die genannten Systeme/Anlagen nicht bereits bezüglich ihrer Leistung flexibel nutzbar, so kann eine Flexibilisierung bevorzugt mittels einer entsprechenden Automatisierung und/oder zusätzlichen Energiespeichern mit spezifischen Zeitkonstanten erfolgen. Das Verfahren ist somit ebenfalls für bereits bestehende Rechenzentren anwendbar. Insbesondere können bei der Planung beziehungsweise beim Design neuer Rechenzentren ausreichende Flexibilitäten berücksichtigt werden.
In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens werden mehrere disjunkte und bezüglich ihrer Reaktionszeiten aufsteigend geordnete Reaktionsklassen bereitgestellt, wobei jede Anlage einer der Reaktionsklassen zugeordnet ist.
Bevorzugt werden drei Reaktionsklassen bereitgestellt, die Anlagen mit jeweils verschiedenen Reaktionszeiten beziehungsweise Größenordnungen von Reaktionszeiten umfassen.
In einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird eine Vorhersage für die zeitabhängige Gesamtleistung des Rechenzentrums für einen Vorhersagezeitraum bereitgestellt, wobei die Vorhersage eine Information über die zeitliche Varianz der Gesamtleistung umfasst.
Dadurch ist vorteilhafterweise bekannt, mit welchen Leistungsfluktuationen im Vorhersagezeitraum zu rechnen ist.
In einem dritten Schritt S3 des Verfahrens wird für jede Reaktionsklasse eine reaktionsklassenspezifischen zeitabhängige Leistung in Abhängigkeit der zeitlichen Varianz der Gesamtleistung und somit in Abhängigkeit der Vorhersage ermittelt. Hierbei werden die Leistungen derart ermittelt, dass diese zu einer Reduzierung der für das Rechenzentrum vorhergesagten Leistungsfluktuationen innerhalb des Vorhersagezeitraumes führen. In einem vierten Schritt S4 des Verfahrens erfolgt dann der eigentliche Betrieb des Rechenzentrums innerhalb des Vorhersagezeitraumes, wobei der Betrieb derart erfolgt, dass die für jede der Reaktionsklassen ermittelte zeitabhängige Leistung durch die Anlagen der jeweiligen Reaktionsklassen bereitgestellt werden.
Dadurch werden schließlich die (vorhergesagten) Leistungsfluktuationen und somit die Leistungsfluktuationen des Rechenzentrums insgesamt ausgeglichen beziehungsweise reduziert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
51 erster Schritt
52 zweiter Schritt S3 dritter Schritt
S4 vierter Schritt

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Reduzierung von Leistungsfluktuationen für einen Betrieb eines Rechenzentrums, wobei das Rechenzentrum mehrere Anlagen aufweist, die bezüglich ihres Betriebs verschiedene Reaktionszeiten aufweisen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- (S1) Bereitstellen von mehreren disjunkten und bezüglich ihrer Reaktionszeiten aufsteigend geordneten Reaktionsklassen, wobei jede Anlage einer der Reaktionsklassen zugeordnet ist;
- (S2) Bereitstellen einer Vorhersage für die zeitabhängige Gesamtleistung des Rechenzentrums für einen Vorhersagezeitraum, wobei die Vorhersage eine Information über die zeitliche Varianz der Gesamtleistung umfasst;
- (S3) Ermitteln einer reaktionsklassenspezifischen zeitabhängigen Leistung für jede Reaktionsklasse in Abhängigkeit der zeitlichen Varianz der Gesamtleistung, wobei die Leistungen derart ermittelt werden, dass diese zu einer Reduzierung der Leistungsfluktuationen des Rechenzentrums führen; und
- (S4) Betreiben der Anlagen der jeweiligen Reaktionsklasse, sodass die für jede der Reaktionsklassen ermittelte zeitabhängige Leistung durch die Anlagen der jeweiligen Reaktionsklassen bereitgestellt werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens eine erste, zweite und dritte Reaktionsklasse bereitgestellt werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Reaktionsklasse durch Reaktionszeiten im Bereich von Millisekunden bis Sekunden, die zweite Reaktionsklasse durch Reaktionszeiten im Bereich von Sekunden bis zu einer Stunde und die dritte Reaktionsklasse durch Reaktionszeiten im Bereich von mehreren Stunden bis Tagen gekennzeichnet ist.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass die erste Reaktionsklasse wenigstens Superkondensatoren, supraleitende magnetische Energiespeicher, insbesondere supraleitende Spulen, und/oder Leuchten, insbesondere Leuchten einer vertikalen Landwirtschaft, als Anlagen umfasst.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die zweite Reaktionsklasse wenigstens Batteriespeicher, Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Heizungsanlagen, Kühlanlagen, Lüftungsanlagen, Klimaanlagen, Direct-Air-Capture-Anlagen, Wärmerückgewinnungsanlagen, Wasseraufbereitungsanlagen und/oder Elektrolyseure als Anlagen umfasst.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass die dritte Reaktionsklasse bezüglich des Rechenzentrums externe Anlagen umfasst.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Vorhersage der Gesamtleistung in Abhängigkeit einer Vorhersage der Arbeitsauslastung des Rechenzentrums bereitgestellt wird.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung eine Vorhersage von Energiepreisen und/oder eine Vorhersage von Wetterdaten umfasst, wobei eine oder mehrere der genannten Vorhersagen beim Ermitteln der Leistungen der jeweiligen Reaktionsklassen berücksichtigt werden.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorhersage durch eine stochastische Optimierung bereitgestellt wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die stochastische Optimierung basierend auf einer Zielfunktion durchgeführt wird, wobei die Zielfunktion die Kohlenstoffdioxidemissionen und/oder die Betriebskosten des Rechenzentrums modelliert.
11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die stochastische Optimierung für die Anlagen eine minimale und maximale Leistung, ein minimaler und maximaler Leistungsgradient, eine minimale und maximale Versorgungsunterbrechungszeit, eine minimale und maximale Ladezeit und/oder Entladezeit, ein Energieverlust und/oder charakteristische Zeiten für Leistungsänderungen verwendet werden.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenzentrum eine Gesamtleistung oberhalb von 100 Megawatt, insbesondere oberhalb von 500 Megawatt, aufweist.
13. Vorrichtung zur Steuerung der Gesamtleistung eines Rechenzentrums, umfassend eine Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, Leistungsfluktuationen des Rechenzentrums durch ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zu reduzieren.
14. Rechenzentrum, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13 umfasst.
15. Rechenzentrum gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieses in einen
Flexibilitätsmarkt eingebunden ist.
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