考虑负荷转移特性的数据中心参与电网规划运行研究

近年来,数据中心能耗增长迅速,其电力消耗已具有相当体量且仍呈上升趋势。与传统需求响应资源不同,数据中心负荷同时具有时间、空间维度上的可转移特性,该特性使之越发受到国内外研究关注。然而,考虑数据中心负荷的电网规划及运行理论尚不完善,电网侧尚未充分意识到地理上分散的数据中心在降低电能传输损耗、缓解跨区域电网阻塞、提高可用输电能力等方面的利用价值,亟需开展相关研究。本文从结合需求响应分析数据中心用电负荷优化出发,对考虑负荷转移特性的数据中心参与电网规划运行进行了研究。在运行层面,考虑数据中心负荷时间维度转移特性,研究了平抑风电波动策略;考虑空间维度转移特性,研究了电网降损以及阻塞管理方法。在规划层面提出考虑负荷空间维度转移特性的电网规划流程,并探究其对规划方案中系统可用输电能力的影响。首先,概述了国内外数据中心的发展现状,调研了数据中心能耗建模方法,分别概括了包括数据中心在内的需求侧资源平衡风电功率波动、参与电网经济运行、参与电网规划等方面的研究现状,为后续研究奠定基础。其次,分析了数据中心的负荷优化方式;研究了不同管理模式的数据中心参与需求响应的方式;从直接负荷控制、电价信号引导、参与电力市场3个方面讨论了数据中心需求响应的具体形式。再次,研究利用数据中心时间维度上负荷可转移特性平抑短时间风电波动。建立数据中心负荷调节量与风电平抑量最优匹配模型,分析不同提前通知时长对实际平抑效果、数据中心功率变化程度的影响。求解二次规划问题得出的算例结果表明,优化各时段与可延迟网络负载对应的功率,能够有效平抑风电短时波动。然后,研究考虑负荷空间转移特性的数据中心参与电网经济运行。建立考虑服务器CPU频率调节的电网降损模型,分析网络负载响应时限及网络负载量对网损下降趋势的影响;建立给予数据中心激励的阻塞管理模型,提出计及数据中心跨区域负荷调节能力的阻塞管理流程。基于IEEE30节点系统和5区域互联系统的算例结果表明,数据中心间网络负载的优化分配,有利于电网实现降低网损、缓解联络线阻塞的目标。最后,研究利用数据中心负荷空间转移特性的电网规划。建立计及负荷空间转移的可用输电能力修正模型,提出考虑数据中心负荷转移特性的电网规划流程。以18节点系统进行算例分析,运用模糊集对分析方法比较待选方案的优劣,结合具体方案中网络拓扑下的ATC瓶颈支路及负荷转移可行域,分析了数据中心负荷转移对提高方案灵活性指标的影响。研究结果表明,在规划阶段考虑可空间转移的数据中心负荷,能够有效应对规划方案中的网络输电瓶颈,提高规划方案的灵活性。