河北省張北縣不僅有著豐富的風(fēng)力和光伏資源，還是擁有60萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器的阿里巴巴數(shù)據(jù)中心的落地之處。2012年6月，阿里巴巴數(shù)據(jù)中心落戶張北。7年來(lái)，隨著云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，電力能耗也與日俱增，如何為這樣世界級(jí)的數(shù)據(jù)中心保障電力供應(yīng)、提高能效水平？國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司進(jìn)行了多方探索。
河北省張北縣地處京津冀經(jīng)濟(jì)圈與晉冀蒙經(jīng)濟(jì)圈交匯處，全境屬于壩上高原。這里不僅有豐富的風(fēng)力和光伏資源，還是擁有60萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器的世界級(jí)數(shù)據(jù)中心——阿里巴巴數(shù)據(jù)中心的落地之處。
2012年6月，阿里巴巴數(shù)據(jù)中心落戶張北縣，7年多時(shí)間里，張北云計(jì)算產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從有到強(qiáng)的跨越式發(fā)展。2018年“雙十一”期間，阿里巴巴數(shù)據(jù)中心承擔(dān)著全國(guó)商家85%的交易任務(wù)。與此同時(shí)，在大數(shù)據(jù)的運(yùn)用上，張北還實(shí)現(xiàn)了智慧民生、智慧城管，建起了“扶貧云”，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村電商全覆蓋。如今，世紀(jì)互聯(lián)、通產(chǎn)偉博、航信金云、浪潮等17個(gè)大數(shù)據(jù)項(xiàng)目已簽約落地。隨著云計(jì)算產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，電力能耗也在與日俱增，如何為這樣世界級(jí)的數(shù)據(jù)中心保障電力供應(yīng)、提高能效水平？國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司在電力技術(shù)創(chuàng)新、智能電網(wǎng)建設(shè)等方面進(jìn)行了大量探索。
“云”集張北 耗能激增
與傳統(tǒng)能耗單元不同，數(shù)據(jù)中心必須24小時(shí)連軸轉(zhuǎn)，晝夜不停的運(yùn)行方式必然導(dǎo)致大能耗、高放熱。而且，數(shù)據(jù)中心對(duì)環(huán)境要求極高，通常依靠空調(diào)、冷水機(jī)等設(shè)備來(lái)降溫，冷卻部分的用能占到輔助設(shè)施用能60%以上。
“PUE，也就是能耗比，是衡量數(shù)據(jù)中心能效水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)。該指標(biāo)基準(zhǔn)值為2，數(shù)值越接近1意味著能源利用率越高。目前阿里張北數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)PUE均低于1.25，最低可達(dá)1.13，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心PUE 2.5的平均水平……以制冷為例，我們充分利用張北干凈的風(fēng)和清涼的水來(lái)為數(shù)據(jù)中心降溫，全年只有兩周的時(shí)間需要開(kāi)啟傳統(tǒng)的壓縮機(jī)空調(diào)制冷，僅制冷能耗就能降低近60%。這也是在中國(guó)，第一次能真正做到用自然風(fēng)直接為數(shù)據(jù)中心降溫。”阿里巴巴首席技術(shù)官陳鍵鋒就阿里數(shù)據(jù)中心落戶張北的原因進(jìn)行說(shuō)明。
此外，張家口作為國(guó)務(wù)院批復(fù)的全國(guó)可再生能源示范區(qū)，風(fēng)能和太陽(yáng)能資源豐富，僅張北縣2018年風(fēng)、光發(fā)電量就超過(guò)62億千瓦時(shí)，到2020年發(fā)電量將達(dá)到100億千瓦時(shí)。阿里張北數(shù)據(jù)中心全部建成后，服務(wù)器規(guī)模將達(dá)到150萬(wàn)臺(tái)，年耗電量預(yù)計(jì)60億千瓦時(shí)。從供求關(guān)系而言，數(shù)據(jù)中心落戶張北完全符合國(guó)家綠色電力就地消納的要求。據(jù)測(cè)算，目前阿里數(shù)據(jù)中心使用綠色電力占總能耗約40%，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)，有效推動(dòng)了大數(shù)據(jù)和新能源聯(lián)動(dòng)發(fā)展。
大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)云集張北，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)刺激的同時(shí)，也面臨著電力消耗的持續(xù)攀升，隨之而來(lái)的是供電負(fù)荷迅猛增長(zhǎng)。2018年，僅阿里數(shù)據(jù)中心的用電負(fù)荷便達(dá)180兆瓦，占張北220千伏變電站負(fù)載的80%；全年用電量高達(dá)3.2億千瓦時(shí)，占張北縣總用電量的31%。如此高的能耗，給張北電網(wǎng)帶來(lái)了巨大沖擊，對(duì)供電可靠性提出了更高要求。
同時(shí)，風(fēng)電、光伏為直流發(fā)電，雖年發(fā)電量高，但需將直流電通過(guò)逆變器變成交流電再上網(wǎng)，客戶側(cè)再將交流電變成直流電進(jìn)行使用，過(guò)程中存在能耗損失。2012年時(shí)，國(guó)內(nèi)乃至世界尚無(wú)變電技術(shù)，既可直接滿足配電網(wǎng)的復(fù)雜需求，又可直接應(yīng)用光伏的直流電。阿里數(shù)據(jù)中心雖對(duì)綠色能源有一定需求，但對(duì)電力可靠性的需求更高，目前新能源發(fā)電尚存在不穩(wěn)定的問(wèn)題，且當(dāng)前“光伏+儲(chǔ)能”造價(jià)成本太高，并不具備經(jīng)濟(jì)性。
面對(duì)供給與需求的矛盾，國(guó)網(wǎng)冀北電力依托張家口豐富的可再生能源，積極構(gòu)建“變電站+儲(chǔ)能站+數(shù)據(jù)中心”三站合一的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)模式，積極推動(dòng)數(shù)據(jù)中心集群建設(shè)與電力基礎(chǔ)設(shè)施緊湊布局，對(duì)資源高效集約利用的新模式展開(kāi)探索。
柔性變電技術(shù)引領(lǐng)
“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)發(fā)展
2016年5月，國(guó)網(wǎng)冀北電力結(jié)合大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，未雨綢繆，協(xié)同阿里巴巴集團(tuán)、億利集團(tuán)，以配電網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)發(fā)展，在全球首次提出柔性變電技術(shù)設(shè)想。2017年9月，10千伏交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)、定位，將柔性變電設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。一年后，該項(xiàng)目正式投入商業(yè)運(yùn)行。
該工程建設(shè)包含10千伏光伏直流升壓站一座、10千伏柔性變電站一座。其中，10千伏柔性變電站的核心設(shè)備電力電子變壓器具有4個(gè)交直流端口，在配電網(wǎng)中如同一個(gè)“縱橫交錯(cuò)江河中的碼頭”。示范工程在低壓側(cè)能夠提供直流750伏（含240伏）、交流380伏等3種靈活的供電方式，可實(shí)現(xiàn)多種能源、多元負(fù)荷和儲(chǔ)能的即插即用和靈活接入；打造了靈活開(kāi)放的能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過(guò)接入張北縣德勝村2.5兆瓦光伏扶貧發(fā)電，滿足了阿里張北數(shù)據(jù)中心綠色用能需求，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電、電網(wǎng)、客戶等多利益主體的共贏。
“常規(guī)的數(shù)據(jù)中心使用的是雙路交流電。阿里從2011年起就開(kāi)始使用一路高壓直流電。高壓直流的優(yōu)勢(shì)在于沒(méi)有中間的逆變環(huán)節(jié)，可以減少能效損耗。柔變項(xiàng)目正好匹配我們的業(yè)務(wù)需求，最大的好處是就近消納了光伏發(fā)電的直流電。”阿里張北數(shù)據(jù)中心運(yùn)維主管胡國(guó)良說(shuō)。
10千伏交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程集技術(shù)創(chuàng)新、新興產(chǎn)業(yè)多元供電服務(wù)、光伏扶貧、清潔能源消納功能于一體，為應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)電源清潔化、多元化，網(wǎng)絡(luò)電力電子化、信息化以及負(fù)荷特性復(fù)雜化、互動(dòng)化的發(fā)展需求，提供了重要解決方案。
“我們成功攻克了成套設(shè)計(jì)、‘源-網(wǎng)-荷’控制保護(hù)等一系列技術(shù)難題，最終打造出一個(gè)靈活開(kāi)放的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電、電網(wǎng)、客戶的共贏。現(xiàn)在的柔性變電站裝備可實(shí)現(xiàn)多種能源、多元負(fù)荷和儲(chǔ)能即插即用，為阿里和其他客戶提供豐富的自主選擇權(quán)。”國(guó)網(wǎng)冀北電力科信部智能處處長(zhǎng)徐彭亮介紹道。
簡(jiǎn)而言之，基于柔性變電站的交直流配電網(wǎng)減少了轉(zhuǎn)換過(guò)程，縮小了設(shè)備體積，降低了能耗折損，保證了數(shù)據(jù)中心的用電可靠性。電網(wǎng)本身由于接入客戶眾多而存在諸多干擾因素，經(jīng)過(guò)這套裝置，電網(wǎng)的干擾不會(huì)傳導(dǎo)給客戶，同時(shí)，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的干擾通過(guò)這套裝置被有效地隔離，也不會(huì)傳導(dǎo)至電網(wǎng)。
“現(xiàn)在阿里可以通過(guò)直流升壓的方式，將光伏發(fā)電輸送至數(shù)據(jù)中心，接入系統(tǒng)作為備用，不但實(shí)現(xiàn)了綠色能源的就近消納，余量還可上網(wǎng)。可以說(shuō)這套設(shè)備還在一定程度為阿里節(jié)省了成本。”胡國(guó)良說(shuō)道。
智能電網(wǎng)+特高壓電網(wǎng)+清潔能源
滿足大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)負(fù)荷需求
為滿足大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)不斷增長(zhǎng)的負(fù)荷需求，國(guó)網(wǎng)冀北電力加大電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，構(gòu)建“智能電網(wǎng)+特高壓電網(wǎng)+清潔能源”的能源體系。2016年，國(guó)網(wǎng)冀北電力發(fā)布《全球能源互聯(lián)網(wǎng)張家口創(chuàng)新示范區(qū)發(fā)展白皮書(shū)》，重點(diǎn)推進(jìn)五項(xiàng)示范工程，大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)集中的張北基本上都在規(guī)劃中。目前，國(guó)網(wǎng)冀北電力正在緊鑼密鼓建設(shè)張北500千伏柔性直流輸電示范項(xiàng)目，為云計(jì)算產(chǎn)業(yè)基地提供更強(qiáng)大的電力支撐；同時(shí)，在阿里其他園區(qū)周邊建成3座110千伏變電站和1座220千伏變電站。這些項(xiàng)目在為“中國(guó)數(shù)壩”發(fā)展提供充足、可靠電能的同時(shí)，還能有效滿足張家口可再生能源示范區(qū)清潔能源送出需求和北京負(fù)荷中心、特別是冬奧延慶賽區(qū)清潔電能使用需求。
為結(jié)合國(guó)家可再生能源示范區(qū)建設(shè)，讓大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展享有成體系的扶持和優(yōu)惠政策，2018年，在張家口市政府的倡導(dǎo)下，國(guó)網(wǎng)冀北電力勇開(kāi)先河，提出“政府+電網(wǎng)+發(fā)電企業(yè)+用戶側(cè)”四方交易機(jī)制，將各大數(shù)據(jù)中心納入可再生能源電力交易系統(tǒng)，通過(guò)市場(chǎng)化交易可享受0.37元/度的優(yōu)惠電價(jià)，極大程度降低了數(shù)據(jù)中心的用電成本。該交易機(jī)制在國(guó)內(nèi)尚屬首例，標(biāo)志著張家口開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)可再生能源電力市場(chǎng)化交易的先河，同時(shí)打破了清潔能源應(yīng)用成本居高不下的瓶頸。
“作為‘中國(guó)數(shù)壩’的大本營(yíng)，未來(lái)幾年，張北將著力延長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈條，前端發(fā)展云研發(fā)、云制造，后端發(fā)展云服務(wù)，讓‘冷數(shù)據(jù)’產(chǎn)生‘熱效應(yīng)’。‘中國(guó)數(shù)壩’的未來(lái)，將是世界級(jí)超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)集群，將是大數(shù)據(jù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)、與鄉(xiāng)村振興、與服務(wù)民生、與社會(huì)治理高度融合的‘云上張北’，也將是‘?dāng)?shù)字中國(guó)’在中國(guó)北方貧困地區(qū)的一個(gè)最好縮影。”張北縣縣長(zhǎng)李鵬舉對(duì)今后張北大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景篤定且自信。
未來(lái)已來(lái)。國(guó)網(wǎng)冀北電力將在新能源、智能配用電等領(lǐng)域，加快形成一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的科研成果，突破泛在電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展技術(shù)瓶頸，為綠色數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供更強(qiáng)大的支撐。