考虑数据中心用能时空可调的...分布式光伏最大准入容量计算_王丹阳.pdf

电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报Proceedings of the CSU-EPSA第 35 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.35 No.2Feb.2023考虑数据中心用能时空可调的电-气互联综合能源系统分布式光伏最大准入容量计算王丹阳1，张沈习1，程浩忠1，韩丰2，宋毅2，原凯2（1.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240；2.国网经济技术研究院有限公司，北京 102209）摘要：在数字经济背景下，数据中心日益增长的用能规模和灵活迅速的负荷调节能力引起了广泛关注。为促进分布式清洁能源的消纳，本文提出一种考虑数据中心用能时空可调的电-气互联综合能源系统分布式光伏最大准入容量计算方法。首先，对数据中心能耗及运行特性进行建模，并分析数据中心用能时空可调特性；然后，在计及电-气能源网络安全约束的前提下，构建集成数据中心的电-气互联综合能源系统分布式光伏最大准入容量优化模型，利用凸松弛技术和增量分段线性化方法将模型转化为混合整数二阶锥模型求解。最后，在 97 节点电网和 11 节点气网算例中，验证了考虑数据中心用能时空可调特性对分布式光伏消纳的促进作用，并分析了电-气能源网络安全约束对分布式光伏最大准入容量的影响。关键词：电-气互联综合能源系统；分布式光伏；最大准入容量；数据中心；时空可调特性中图分类号：TM73文献标志码：A文章编号：1003-8930（2023）02-0121-11DOI：10.19635/ki.csu-epsa.000976Calculation of Maximum Allowable Access Capacity of Distributed Photovoltaic inElectricity-gas Integrated Energy System Considering Spatio-temporal Adjustability ofEnergy Consumption by Data CentersWANG Danyang1，ZHANG Shenxi1，CHENG Haozhong1，HAN Feng2，SONG Yi2，YUAN Kai2（1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion，Ministry of Education，Shanghai JiaoTong University，Shanghai 200240，China；2.State Grid Economic and Technological Research Institute Co.，Ltd，Beijing 102209，China）Abstract:Under the background of digital economy，the energy consumption by data centers has attracted extensive attention because of its increasing scale and flexible and rapid load adjustability.To promote the accommodation of distributed clean energy，a calculation method for the maximum allowable access capacity of distributed photovoltaic（PV）in an electricity-gas integrated energy system is proposed considering the spatio-temporal adjustability of energyconsumption by data centers.First，the energy consumption by data centers and the operating characteristics are modeled，and the corresponding spatio-temporally adjustable characteristics are analyzed.Then，considering the securityconstraints of electricity-gas networks，an optimization model of maximum allowable access capacity of distributed PVin the electricity-gas integrated energy system with data centers is constructed，which is further transformed into amixed integer second-order cone model through the convex relaxation technology and incremental piecewise linearization method.Finally，the effect of considering the spatio-temporally adjustable characteristics of energy consumption bydata centers on promoting distributed PV accommodation is verified by an example consisting of a 97-bus power networkand a 11-bus gas network，and the influence of security constraints of electricity-gas energy networks on the maximumallowable access capacity of distributed PV is also analyzed.Keywords:electricity-gas integrated energy system；distributed photovoltaic（PV）；maximum allowable access capacity；data center；spatio-temporally adjustable characteristics双碳目标下，我国提出了2030年光伏和风电总装机容量超过1 200 GW的发展目标，高比例可再生能源并网成为未来能源系统的典型特征1。由于分布式光伏具有安装场地广泛、便于就近消纳等收稿日期：2021-10-14；修回日期：2022-03-09网络出版时间：2022-03-28 12：14：28基金项目：国家自然科学基金资助项目（U1966206，52177099）王丹阳等：考虑数据中心用能时空可调的电 气互联综合能源系统分布式光伏最大准入容量计算电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报122第 2 期优势，国际能源署预测，2024年全球分布式光伏装机容量可超过600 GW，其中分布式光伏装机容量的增长量将占全球光伏总装机增长量的近一半2。如何显著提高能源系统灵活性，实现高比例可再生能源接入后的经济、稳定运行，成为当下研究热点。另一方面，随着5G、云计算、人工智能等新一代信息技术蓬勃发展，作为信息系统物理载体的数据中心能耗不断上升。2021年，我国数据中心总用电量将突破2 000108kWh，并以超过10%的年均增长率继续增长3-5。数据负载通过数据网络在时间或空间尺度迁移时，数据中心能耗随之进行时空转移，因此数据中心用能具有显著的时空可调特性。庞大的用能规模和灵活的时空调节能力使数据中心用能成为一种富有潜力的新型灵活性资源5。此外，在双碳目标下能源系统形态也在不断进化，以多能互补、能源梯级利用为特色的综合能源系统具有灵活性更强、能源利用效率更高的优势，将成为未来能源系统的典型形态5-6；且多能源系统的预测、监测、调度等过程也需依赖数据中心作为信息物理载体7。因此，有必要在集成数据中心的综合能源系统背景下，对清洁能源可接入容量极限进行分析。目前，在利用数据中心用能时空可调特性促进清洁能源消纳方面，已有学者进行了部分研究。针对单个数据中心，文献8基于数据负载时间可调特性，建立数据中心灵活性用能机制模型，促进能耗向可再生能源生产高峰时段平移；文献9为集成可再生能源的数据中心建立多目标数据负载调度模型，在最大限度利用可再生能源的同时，最小化数据负载完成时间和总能耗；文献10在数据中心内集成不间断电源系统，利用电储能减轻峰值工作量、平滑可再生能源供应；文献11则进一步利用动态启发式算法，在消纳可再生能源、削减峰值功率和维持不间断电源系统可用性之间进行最优化设计；文献12设计了包含超级电容器和储氢的新型数据中心电气结构，借助能源转换过程进一步提升数据中心用能灵活性和清洁能源消纳能力；除集成电储能外，文献13同时分析了并网模式和孤岛运行模式下，数据中心微电网内分布式光伏消纳水平；文献14考虑电价、可再生能源出力和数据负载不确定性对数据中心用能及清洁能源消纳的影响；但文献8-14均未对数据负载空间转移特性进行分析。针对地理位置分散的数据中心，文献15对不同可再生能源供能比例下数据中心的碳排放及总成本进行对比分析，但并未考虑数据中心用能时间可调特性。文献16-17同时考虑了数据负载时间、空间转移特性对清洁能源消纳的促进作用，其中，文献16通过在数据中心微能源网中配备蓄热装置提升清洁能源消纳水平；文献17考虑不同数据中心所在地电价的不同，利用启发式算法求解以能源成本最小化和收益最大化为目标建立的调度模型，间接促进成本较低的清洁能源消纳；但文献16-17模型中的可再生能源均建造在数据中心附近，未考虑能源网络安全约束。目前，大部分研究均在电力系统场景下分析数据中心用能时空可调特性对清洁能源消纳的促进作用，在综合能源系统场景下的相关研究仍有所欠缺。本文在集成数据中心的区域级综合能源系统中，充分考虑数据中心用能时空可调特性及电-气互补对清洁能源消纳的促进作用，提出一种考虑数据中心用能时空可调的电-气互联综合能源系统分布式光伏最大准入容量计算方法。首先，建立数据中心能耗计算模型，并对数据中心用能时空可调特性进行分析；然后，构建集成数据中心的电-气互联综合能源系统分布式光伏最大准入容量优化模型，通过凸松弛技术和增量分段线性化方法将模型转化为混合整数二阶锥模型进行求解；最后，在97节点电网和11节点气网算例中对模型有效性进行验证，计算得出算例中分布式光伏最大准入容量，并分析了电-气能源网络安全约束对分布式光伏最大准入容量的影响。1数据中心建模及用能时空可调特性分析1.1数据中心建模数据中心用能具备时空可调特性，是一种庞大的新型需求响应主体18。但相比于常规的综合需求响应资源，数据中心作为能量流-数据流耦合的物理载体，在建模时还需考虑信息系统内数据负载调度、最大响应时间等因素的影响。1.1.1数据中心能耗计算模型数据中心能耗可通过数据中心电能使用效率PUE（power usage effectiveness）和IT设备能耗计算，本文利用服务器能耗代表IT设备能耗，并基于动态电压频率调节DVFS（dynamic voltage/frequency scaling）技术对服务器能耗进行建模。基于DVFS技术设计的服务器具有离散可调的工作频率，每种工作频率对应不同的工作电压、芯片运行频率和服务率，因此，可根据工作负载动态调节服务器能耗，达王丹阳等：考虑数据中心用能时空可调的电 气互联综合能源系统分布式光伏最大准入容量计算123第 35 卷到节能效果。数据中心能耗具体模型19可表示为Pdc,t=PUEPIT,t（1）P