河北省張北縣不僅有著豐富的風力和光伏資源，還是擁有60萬臺服務器的阿里巴巴數據中心的落地之處。2012年6月，阿里巴巴數據中心落戶張北。7年來，隨著云計算產業的蓬勃發展，電力能耗也與日俱增，如何為這樣世界級的數據中心保障電力供應、提高能效水平？國網冀北電力有限公司進行了多方探索。
河北省張北縣地處京津冀經濟圈與晉冀蒙經濟圈交匯處，全境屬于壩上高原。這里不僅有豐富的風力和光伏資源，還是擁有60萬臺服務器的世界級數據中心——阿里巴巴數據中心的落地之處。
2012年6月，阿里巴巴數據中心落戶張北縣，7年多時間里，張北云計算產業實現了從無到有、從有到強的跨越式發展。2018年“雙十一”期間，阿里巴巴數據中心承擔著全國商家85%的交易任務。與此同時，在大數據的運用上，張北還實現了智慧民生、智慧城管，建起了“扶貧云”，實現了農村電商全覆蓋。如今，世紀互聯、通產偉博、航信金云、浪潮等17個大數據項目已簽約落地。隨著云計算產業的蓬勃發展，電力能耗也在與日俱增，如何為這樣世界級的數據中心保障電力供應、提高能效水平？國網冀北電力有限公司在電力技術創新、智能電網建設等方面進行了大量探索。
“云”集張北 耗能激增
與傳統能耗單元不同，數據中心必須24小時連軸轉，晝夜不停的運行方式必然導致大能耗、高放熱。而且，數據中心對環境要求極高，通常依靠空調、冷水機等設備來降溫，冷卻部分的用能占到輔助設施用能60%以上。
“PUE，也就是能耗比，是衡量數據中心能效水平的評價指標。該指標基準值為2，數值越接近1意味著能源利用率越高。目前阿里張北數據中心的設計PUE均低于1.25，最低可達1.13，遠遠低于國內數據中心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和清涼的水來為數據中心降溫，全年只有兩周的時間需要開啟傳統的壓縮機空調制冷，僅制冷能耗就能降低近60%。這也是在中國，第一次能真正做到用自然風直接為數據中心降溫。”阿里巴巴首席技術官陳鍵鋒就阿里數據中心落戶張北的原因進行說明。
此外，張家口作為國務院批復的全國可再生能源示范區，風能和太陽能資源豐富，僅張北縣2018年風、光發電量就超過62億千瓦時，到2020年發電量將達到100億千瓦時。阿里張北數據中心全部建成后，服務器規模將達到150萬臺，年耗電量預計60億千瓦時。從供求關系而言，數據中心落戶張北完全符合國家綠色電力就地消納的要求。據測算，目前阿里數據中心使用綠色電力占總能耗約40%，實現了產業的良性循環，有效推動了大數據和新能源聯動發展。
大數據產業云集張北，帶來巨大經濟刺激的同時，也面臨著電力消耗的持續攀升，隨之而來的是供電負荷迅猛增長。2018年，僅阿里數據中心的用電負荷便達180兆瓦，占張北220千伏變電站負載的80%；全年用電量高達3.2億千瓦時，占張北縣總用電量的31%。如此高的能耗，給張北電網帶來了巨大沖擊，對供電可靠性提出了更高要求。
同時，風電、光伏為直流發電，雖年發電量高，但需將直流電通過逆變器變成交流電再上網，客戶側再將交流電變成直流電進行使用，過程中存在能耗損失。2012年時，國內乃至世界尚無變電技術，既可直接滿足配電網的復雜需求，又可直接應用光伏的直流電。阿里數據中心雖對綠色能源有一定需求，但對電力可靠性的需求更高，目前新能源發電尚存在不穩定的問題，且當前“光伏+儲能”造價成本太高，并不具備經濟性。
面對供給與需求的矛盾，國網冀北電力依托張家口豐富的可再生能源，積極構建“變電站+儲能站+數據中心”三站合一的泛在電力物聯網建設模式，積極推動數據中心集群建設與電力基礎設施緊湊布局，對資源高效集約利用的新模式展開探索。
柔性變電技術引領
“源-網-荷”協調發展
2016年5月，國網冀北電力結合大數據產業發展規劃，未雨綢繆，協同阿里巴巴集團、億利集團，以配電網技術創新引領“源-網-荷”協調發展，在全球首次提出柔性變電技術設想。2017年9月，10千伏交直流配電網及柔性變電站示范工程開始現場勘測、定位，將柔性變電設想變為現實。一年后，該項目正式投入商業運行。
該工程建設包含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備電力電子變壓器具有4個交直流端口，在配電網中如同一個“縱橫交錯江河中的碼頭”。示范工程在低壓側能夠提供直流750伏（含240伏）、交流380伏等3種靈活的供電方式，可實現多種能源、多元負荷和儲能的即插即用和靈活接入；打造了靈活開放的能源互聯網平臺，通過接入張北縣德勝村2.5兆瓦光伏扶貧發電，滿足了阿里張北數據中心綠色用能需求，實現了發電、電網、客戶等多利益主體的共贏。
“常規的數據中心使用的是雙路交流電。阿里從2011年起就開始使用一路高壓直流電。高壓直流的優勢在于沒有中間的逆變環節，可以減少能效損耗。柔變項目正好匹配我們的業務需求，最大的好處是就近消納了光伏發電的直流電。”阿里張北數據中心運維主管胡國良說。
10千伏交直流配電網及柔性變電站示范工程集技術創新、新興產業多元供電服務、光伏扶貧、清潔能源消納功能于一體，為應對配電網電源清潔化、多元化，網絡電力電子化、信息化以及負荷特性復雜化、互動化的發展需求，提供了重要解決方案。
“我們成功攻克了成套設計、‘源-網-荷’控制保護等一系列技術難題，最終打造出一個靈活開放的平臺，實現了發電、電網、客戶的共贏。現在的柔性變電站裝備可實現多種能源、多元負荷和儲能即插即用，為阿里和其他客戶提供豐富的自主選擇權。”國網冀北電力科信部智能處處長徐彭亮介紹道。
簡而言之，基于柔性變電站的交直流配電網減少了轉換過程，縮小了設備體積，降低了能耗折損，保證了數據中心的用電可靠性。電網本身由于接入客戶眾多而存在諸多干擾因素，經過這套裝置，電網的干擾不會傳導給客戶，同時，數據中心產生的干擾通過這套裝置被有效地隔離，也不會傳導至電網。
“現在阿里可以通過直流升壓的方式，將光伏發電輸送至數據中心，接入系統作為備用，不但實現了綠色能源的就近消納，余量還可上網。可以說這套設備還在一定程度為阿里節省了成本。”胡國良說道。
智能電網+特高壓電網+清潔能源
滿足大數據產業負荷需求
為滿足大數據產業不斷增長的負荷需求，國網冀北電力加大電網基礎設施建設力度，構建“智能電網+特高壓電網+清潔能源”的能源體系。2016年，國網冀北電力發布《全球能源互聯網張家口創新示范區發展白皮書》，重點推進五項示范工程，大數據產業集中的張北基本上都在規劃中。目前，國網冀北電力正在緊鑼密鼓建設張北500千伏柔性直流輸電示范項目，為云計算產業基地提供更強大的電力支撐；同時，在阿里其他園區周邊建成3座110千伏變電站和1座220千伏變電站。這些項目在為“中國數壩”發展提供充足、可靠電能的同時，還能有效滿足張家口可再生能源示范區清潔能源送出需求和北京負荷中心、特別是冬奧延慶賽區清潔電能使用需求。
為結合國家可再生能源示范區建設，讓大數據產業發展享有成體系的扶持和優惠政策，2018年，在張家口市政府的倡導下，國網冀北電力勇開先河，提出“政府+電網+發電企業+用戶側”四方交易機制，將各大數據中心納入可再生能源電力交易系統，通過市場化交易可享受0.37元/度的優惠電價，極大程度降低了數據中心的用電成本。該交易機制在國內尚屬首例，標志著張家口開啟了國內可再生能源電力市場化交易的先河，同時打破了清潔能源應用成本居高不下的瓶頸。
“作為‘中國數壩’的大本營，未來幾年，張北將著力延長產業鏈條，前端發展云研發、云制造，后端發展云服務，讓‘冷數據’產生‘熱效應’。‘中國數壩’的未來，將是世界級超大規模數據中心產業集群，將是大數據與實體經濟、與鄉村振興、與服務民生、與社會治理高度融合的‘云上張北’，也將是‘數字中國’在中國北方貧困地區的一個最好縮影。”張北縣縣長李鵬舉對今后張北大數據產業發展前景篤定且自信。
未來已來。國網冀北電力將在新能源、智能配用電等領域，加快形成一批具有自主知識產權、達到國際先進水平的科研成果，突破泛在電力物聯網發展技術瓶頸，為綠色數據產業發展和能源互聯網建設提供更強大的支撐。