電化學儲能系統在數據中心的應用分析

孫雪瑩，羅永強，喬曉峣

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

1 概 述

1.1 儲能背景及行業現狀

當前，隨著國家“碳達峰、碳中和”戰略目標的提出，開啟了中國以“碳達峰、碳中和”目標驅動能源、經濟與科創系統全面向綠色轉型的新時代，未來風能、太陽能等可再生能源將成為我國主要能源之一，并逐步成為能源供給的主力，在推動源網荷儲的高效融合互動中，儲能技術是智能電網、可再生能源高占比能源系統、能源互聯網的重要組成部分和關鍵支撐技術，是提升傳統電力系統靈活性、經濟性和安全性的重要手段，對推動能源綠色轉型、保障能源安全、促進能源和電力的高質量發展，促進能源生產消費開放共享和靈活交易、實現多能協同，構建能源互聯網，推動電力體制改革和促進能源新業態發展，實現“碳達峰、碳中和”都具有重要意義。

儲能技術種類繁多，已有的儲能技術主要包括機械儲能（抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）、電氣儲能（超級電容器儲能、超導儲能）、電化學儲能（鉛酸電池、鉛碳電池、鋰電池、鈉硫電池、液流電池等）、熱儲能（熔融鹽儲熱）、化學儲能（制氫、制天然氣）五大類，由于工作原理和應用場景不同，各儲能技術的技術優勢和局限性也各不相同，面臨著不同的問題與挑戰[1]。

根據中關村儲能產業技術聯盟（CNESA）項目數據庫不完全統計的數據，截止2020年底，全球已投運儲能項目累計裝機規模如表1所示，累計裝機規模為191.1 GW，其中電氣及電化學儲能項目累計裝機規模約為14 247.3 MW（見圖1）。

圖1 全球電氣及電化學儲能項目累計裝機規模

表1 全球儲能項目累計裝機規模

1.2 通信運營商開展電化學儲能系統應用的意義

在國家“碳達峰、碳中和”的戰略要求、網絡提速降費政策性減利等多重因素影響下，通信運營商經營發展正面臨著巨大的壓力和挑戰，探索降本增效、節能降碳的技術手段愈發重要。

目前全國大部分地區均采用分時電價政策，而電化學儲能系統通過谷時電價充電、峰時電價放電，可以有效減少數據中心峰時電價階段的用電量，從而降低電費支出；同時在條件允許的情況下，與西部風能、太陽能發電廠、周邊城市或社區以及數據中心組網，通過儲備無法及時消耗的綠色能源起到平衡發電與耗電之間的波動的作用，為綠電的充分使用創造條件[2]。以中國移動上海臨港國際數據中心為例，其引入的市電電壓等級為220 kV，用電性質為一般工商業用電，非夏季峰谷電價差為0.587元/kW·h，夏季峰谷電價差為0.669元/kW·h，價差非常明顯，具體如圖2所示。

圖2 上海市銷售電價（2020年11月26日發布版）

因此，本文以中國移動上海國際數據中心電化學儲能系統的試點為例進行闡述，通過開展削峰填谷的儲能應用，探索電化學儲能系統在數據中心規模應用的可行性及先決條件，為電化學儲能系統在數據中心的大規模推廣應用奠定基礎，成為中國移動降本增效、節能降碳的重要技術手段；同時，通過在上海臨港國際數據中心建設電化學儲能系統，積極響應國家新能源政策，對于電網及用戶側有一定示范作用，發揮中國移動頭雁效應并提升公司影響力。

2 案例項目簡介

2.1 項目概況

中國移動上海國際數據中心儲能試點工程在3號樓建設2套容量0.25 MW/1 MW·h集裝箱式電化學儲能系統，室外放置于3號樓西側班車停車位，如圖3所示。

圖3 儲能集裝箱外觀圖

秉承安全、可靠、經濟的建設原則，本項目2臺0.25 MW/1 MW·h儲能集裝箱系統的接入點選定為7號變壓器P7-7低壓柜、8號變壓器P8-7低壓柜各一臺630A/3P塑殼斷路器。儲能系統在交流供電系統的接入點位置及供電拓撲如圖4所示。

2.2 電化學儲能系統架構

本次項目采用單套0.25 MW/1 MW·h集裝箱儲能系統進行削峰填谷的儲能應用，集裝箱儲能系統主要由以下九部分組成：

（1）儲能電池：選用中天科技生產的86 A·h磷酸鐵鋰電池，以12S4P方式設計為一個電池單元箱，20臺電池單元箱串聯為240S4P的電池簇，單套集裝箱系統電池組總容量為1.056 MW·h。

（2）電池管理系統（Battery Management System，BMS）：電池管理系統主要用于對電池組進行實時監控。電池管理系統包括一個主控單元（Main Control Unit，BCU）、多個檢測單元（Multiple Detection Units，BMU）以及多個電池檢測模塊（CCM）。各個檢測單元之間通過高速CAN進行互聯完成實時數據的傳輸與控制。CCM負責各小模組單體電池電壓檢測、電池溫度檢測、均衡控制；BMU負責單電池PACK內各CCM信息的收集、電池前端數據預處理，必要時可以做單PACK的繼電保護控制或熱管理，并將電池數據和本單元的實時工作狀態通過CAN總線發送給BCU或其他監控設備[3]。BCU負責電池系統的總電壓、總電流檢測、充放電按時累計、電池系統絕緣狀態檢測，通過CAN總線收集BMU的數據并在線分析電池組系統的工作狀態，根據數據分析結果進行電池組故障報警、電池組最大允許充放電功率預測、電池組SOC、SOH、SOE、SOF估算、電池組熱場管理、上下電流程管理及極限情況下的安全保護等。BMS應實現與儲能變流器和能量管理系統通訊，可以檢測電池單體電壓、總電壓、總電流、溫度等，并實時判斷電池的運行狀態，通過CAN總線上傳電池組狀態信息以及報警信息等，必要時切斷電池組回路的輸出進行保護。

（3）高壓箱：高壓箱位于電池與儲能變流器之間，用于控制每一簇電池的通斷、預充以及通訊。電池管理系統的BCU放置于高壓箱內。高壓箱起到電池組與儲能變流器通斷的作用，尤其是在電池組出現過壓、欠壓、過溫等故障時，BCU通過切斷高壓箱內的直流接觸器，斷開與儲能變流器的連接，從而起到保護電池組的作用。高壓箱內器件主要包括熔斷器、正極接觸器、負極接觸器、預充接觸器、電流傳感器、開關電源等。

（4）儲能變流器（Pouwer Conversion System，PCS）：本項目每臺集裝箱PCS的系統功率為250 kW，純并網運行。選用模塊化PCS，單模塊容量為62.5 kW，每臺集裝箱由4個模塊并聯組成，配置在電網和電池之間，可實現市電和電池之間能量的雙向流動管理。儲能變流器的供電拓撲如圖5所示。

圖5 儲能雙向變流器拓撲圖

（5）能量管理系統（Energy Management System，EMS）：儲能系統功能的實現需要一套EMS，與儲能集裝箱內的各個硬件設備進行對接，將設備運行數據采集并顯示出來，供運維人員對儲能系統進行管理和運維；同時可將部分運維數據通過網絡上傳給動環監控平臺[4]。本項目能量管理系統界面應采用B/S結構，支持手機瀏覽、操作，界面整潔大方，功能清晰明了，色彩豐富，交互性及體驗性好，建議采用H5流式布局結合AJAX異步數據交互，自適應支持各類屏幕手機，圖形展現豐富，如餅圖、曲線、棒圖。同時能量管理系統可實現實時監測雙向儲能逆變器、電池儲能、用配電等相關的各種遙測、遙信、累計量以及其他自動化信息，并向各設備發送各種數據信息和遙控遙調等命令。可顯示所有設備的運行、停止、通訊正常、通訊異常、故障等狀態，通過圖形展示以及事件告警等手段管理整個系統。EMS的應用架構如圖6所示。

圖6 能量管理系統應用架構

（6）集裝箱：本項目儲能集裝箱選用標準40尺集裝箱（12 192 mm（L）×2 438 mm（W）×2 896 mm（H）），通過隔斷分為電池倉和控制室。如圖7所示，前側設計有一對雙開門和單開門，分別為電池倉入口和控制室入口；右側設計有雙開門，為方便PCS柜搬運及維護，且在與PCS對應側門上設有百葉窗通風口，保證PCS的通風散熱。另一側設計有顯示屏，以供隨時查看系統運行狀態。

圖7 集裝箱外觀

（7）消防系統：本項目集裝箱內的消防系統選用七氟丙烷滅火系統。采用柜式無管網型七氟丙烷氣體滅火裝置。該裝置由滅火劑瓶組、電磁型驅動裝置、金屬軟管、信號反饋裝置、噴嘴、柜體等組成。滅火裝置系統組成如圖8所示。

圖8 七氟丙烷滅火裝置系統組成

（8）溫控系統：為保證集裝箱內電池組的安全運行，本項目單臺集裝箱內配置2臺單機制冷量不低于7.5 kW（1主1備）的機房專用空調。

（9）照明系統：本項目集裝箱中設計有普通照明和應急照明裝置，均采用防爆型燈具。普通照明采用手動控制，工作人員進入集裝箱內時，可以通過撥動開關進行正常照明燈開啟的控制；應急照明主要作為緊急逃生的照明裝置，與監控模塊對接，報警及無電壓狀態下工作。

2.3 儲能系統運行方式

本次項目儲能系統采用純并網運行方式，應用場景當前僅限削峰填谷儲能模式，結合上海地區峰谷電價情況，采取表2、表3控制策略。同時由于峰平及平谷電價差較小（約0.35元/（kW·h）），因此本項目儲能系統每日僅做一次充放電循環。

表2 儲能系統運行策略（非夏季）

表3 儲能系統運行策略表（夏季）

3 項目運行評價及經濟效益分析

3.1 測試評價指標

本次項目儲能系統采用GB/T36549—2018《電化學儲能電站運行指標及評價》評價標準進行技術及經濟性驗證，各指標權重如表4所示。

表4 儲能系統運行評價指標體系

3.2 試運行數據分析

本項目試運行測試已于2021年5月10日～5月14日完成。5月10日單臺儲能集裝箱50 kW放電，最高250 kW充電情況下，儲能集裝箱的運行數據如表5、表6所示。5月11日單臺儲能集裝箱最高150 kW放電，最高250 kW充電情況下，儲能集裝箱的運行數據如表7、表8所示。5月12日單臺儲能集裝箱最高200 kW放電，最高250 kW充電情況下，儲能集裝箱的運行數據如表9、表10所示。5月13日單臺儲能集裝箱最高100 kW放電，最高250 kW充電情況下，儲能集裝箱的運行數據如表11、表12所示。5月14日單臺儲能集裝箱最高250 kW放電情況下，儲能集裝箱的運行數據如表13、表14所示。

表5 儲能系統運行模式及運行功率表（5月10日）

表6 儲能系統PCS充放電量（5月10日）

表7 儲能系統運行模式及運行功率（5月11日）

表8 儲能系統PCS充放電量（5月11日）

表9 儲能系統運行模式及運行功率（5月12日）

表10 儲能系統PCS充放電量（5月12日）

表11 儲能系統運行模式及運行功率（5月13日）

表12 儲能系統PCS充放電量（5月13日）

表14 儲能系統PCS充放電量（5月14日）

基于上述運行數據，對上海國際數據中心一期3號樓電化學儲能系統在綜合效率及電池轉化效率進行分析，分析結果如表15所示。由表15可以看出，該項目儲能系統平均綜合效率為74.84%左右，電池循環充放電轉化效率為91.17%左右[5]。

表15 儲能系統綜合效率及電池轉化效率分析

3.3 技術及經濟效益分析與評價

（1）運行評價

按照表4所述測試評價指標體系，經上述計算得出，上海國際數據中心一期3號樓電化學儲能系統的運行綜合得分為93.6分，按GB/T36549—2018《電化學儲能電站運行指標及評價》評級為優秀，見表16。

表16 儲能系統運行綜合評價分析

（2）經濟評價

對本項目財務評價指標重新計算的結果如表17所示，可以看出本項目投資內部收益率為6.45%，稍低于行業基準指標8%。

4 結 論

基于在中國移動上海國際數據中心電化學儲能系統的試點應用案例，對電化學儲能系統在數據中心規模應用的可行性及先決條件進行了分析，中國移動上海國際數據中心電化學儲能系統試點項目由于體量較小，僅通過削峰填谷方式開展儲能應用，因此未完全體現出儲能項目本身的優勢與其廣泛適用性。

因此在上述分析的基礎上，結合國家“雙碳”及“新基建”戰略，電化學儲能系統要在信息通信行業內形成規模應用，應重點挖掘如下的應用場景及需求：

基于數據中心屋頂光伏資源，借助新能源汽車國家戰略東風，發展光儲充一體化解決方案，兼顧清潔能源消納、低碳數據中心建設、數據中心儲能與新能源汽車換電站融合性需求；

利用數據中心配電及場地資源，建設電化學儲能系統，多數據中心協同工作，形成大容量虛擬電廠，為國網、南網提供調峰、調頻等電力輔助服務，獲取電力服務收益；

結合數據中心所處電網可用性指標，進一步研究探索電化學儲能系統替代傳統油機，市電正常時可獲取削峰填谷收益，計劃性停電時可實現數據中心的應急電源保障。