一种耦合风电与热电联产的AIDC余热梯级利用冷电联供系统

本发明属于综合能源系统与数据中心节能，具体涉及一种耦合风力发电、储能系统与热电联产机组，并实现多源余热梯级利用的aidc冷电联供系统。

背景技术：

1、随着人工智能技术的快速发展，大型人工智能数据中心的规模和数量迅速增长。数据中心在运行过程中需要连续稳定的电力供应，保证服务器不间断运行；其服务器高密度部署产生大量热量，需要持续稳定的冷却供应。

2、目前，数据中心供能方案存在以下不足：供电侧绿电比例有一定要求，传统方案主要依赖电网供电，风电等可再生能源接入有限；若全部采用风电等可再生能源，其波动性和间歇性难以保障数据中心的连续稳定运行；采用电驱动的压缩式制冷机组，制冷系统电耗占比较大，能源利用效率较低；燃煤电厂在发电过程中产生大量烟气余热，数据中心自身运行产生大量低品位余热，直接排放造成余热能源浪费；缺乏季节性适配，未充分考虑冬夏季负荷差异，冬季采用电制冷方式，不能利用自然冷源。

3、针对上述问题，提供一种耦合风电与热电联产的aidc余热梯级利用冷电联供系统，采用风储集成系统作为主体绿电电源、燃煤电厂并网的协同发电架构；通过多级吸收式制冷系统实现燃煤电厂烟气余热、抽汽供热及数据中心低品位余热的梯级利用，实现供电可靠与绿色节能。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种耦合风电与热电联产的aidc余热梯级利用冷电联供系统。

2、具体方案如下：

3、一种耦合风电与热电联产的aidc余热梯级利用冷电联供系统，以人工智能数据中心为核心负荷，包括：

4、供电模块：包括风力发电系统、储能系统和燃煤热电联产模块；其中，风力发电系统与储能系统直连，作为主绿电供应源，直接向人工智能数据中心供电。燃煤热电联产模块通过并网方式接入，作为基荷电源，补充剩余负荷；

5、余热回收模块：负责收集、输送和分配三个来源的热量，按照温度品位进行分类管理；其中，三个来源的热量分别为：燃煤电厂烟气余热、燃煤电厂抽汽供热、数据中心低品位余热；

6、制冷模块：包括单效吸收式制冷机、双效吸收式制冷机、低品位吸收式制冷机和自然冷却装置，各级制冷机的冷冻水出口并联后接入数据中心的冷却水供水管道，共同满足数据中心的冷却需求；

7、季节性切换机制：将环境温度与温度阈值进行比较，判断运行模式；其中，运行模式包括夏季运行模式、冬季运行模式和过渡运行模式。

8、进一步地，所述供电模块中，风力发电系统与储能系统集成构成风储集成系统，作为主绿电电源，直接向数据中心供电，余电上网；储能系统用于平抑风力发电的波动性，形成一个稳定、可调度的绿色电源；同时与燃煤热电联产模块协同供电，确保数据中心连续稳定运行。

9、进一步地，所述供电模块中，燃煤热电联产模块并网运行，作为基荷电源，补充剩余负荷，包括：

10、供电侧：锅炉产生的高温高压蒸汽依次进入高压缸、中压缸和低压缸做功，驱动发电机发电，通过并网方式向数据中心补充剩余电力需求；

11、供热侧：中压缸排出的抽汽作为高品位热源，抽汽供热输送至双效吸收式制冷机，中压缸抽汽在热网加热器侧放热凝结，低压缸排出的乏汽在凝汽器放热凝结，凝汽器和热网加热器的疏水分别返回除氧器，实现工质循环利用。

12、进一步地，所述供电模块根据风力发电出力与数据中心电负荷判断供电方式：

13、当风力发电出力大于数据中心负荷，且储能系统已充满时，多余电力余电上网；

14、当风力发电出力小于数据中心负荷时，储能系统放电，填补风电出力与负荷之间的短时、小幅度缺口，平抑出力波动；

15、当储能系统荷电状态低于下限阈值且风力发电出力仍不足时，燃煤电厂增加出力，通过电网补充剩余电力需求。

16、进一步地，所述余热回收模块中，三个来源的热量具体如下：

17、燃煤电厂烟气余热：燃煤电厂的锅炉排放的高温烟气，经烟气管道输送至余热回收模块，烟气温度较高，属于中高品位余热；

18、燃煤电厂抽汽供热：燃煤电厂的汽轮机在发电过程中抽取部分蒸汽，经抽汽管道输送至余热回收模块，抽汽温度较高，属于高品位余热；

19、数据中心低品位余热：数据中心服务器运行过程中产生大量热量，通过冷却介质将热量携带出来，形成低品位余热。经回收管道收集后，输送至低品位吸收式制冷机。

20、进一步地，余热的分配流程为：

21、锅炉排放的烟气余热经烟气管道输送至单效吸收式制冷机的发生器；中压缸的抽汽供热经抽汽管道输送至双效吸收式制冷机的发生器；人工智能数据中心的低品位余热经余热回收管道输送至低品位吸收式制冷机的发生器。

22、进一步地，所述制冷模块具体包括：

23、单效吸收式制冷机：由燃煤电厂的烟气余热驱动，其发生器与烟气余热回收管道连接，采用单效溴化锂吸收式制冷循环，利用烟气余热将溴化锂溶液中的水蒸气蒸出，水蒸气经冷凝、节流后在蒸发器中低压蒸发吸热，产生冷冻水；

24、双效吸收式制冷机：由燃煤电厂的抽汽供热驱动，其发生器与抽汽管道连接；采用双效溴化锂吸收式制冷循环，利用抽汽供热进行两次发生过程，能效高于单效制冷机，产生冷冻水；

25、低品位吸收式制冷机：由数据中心自身的低品位余热驱动，其发生器与余热回收管道连接；采用低品位溴化锂吸收式制冷循环，在较低的热源温度下工作，能效相对较低，产生冷冻水。

26、进一步地，所述制冷模块采用三级吸收式制冷机并联运行，其冷负荷分配策略如下：

27、系统实时获取数据中心的冷负荷需求l(t)、烟气余热可利用量、抽汽供热量以及数据中心自身低品位余热量。根据各级制冷机的能效比、、，分别计算其最大制冷能力、、。

28、当时，以系统整体能效比最大化为目标，构建目标函数，约束条件为，，，，求解该优化问题得到各制冷机的最优出力分配、、，并由控制器调节各制冷机运行参数以跟踪目标出力。

29、当时，三级吸收式制冷机全部满负荷运行，不足的冷负荷由自然冷却装置或电制冷机补充。

30、进一步地，所述季节性切换机制包括：

31、夏季运行模式：环境温度高于第一预设阈值，进入夏季运行模式，各级吸收式制冷系统同时运行，利用燃煤电厂高品位余热及数据中心低品位余热共同满足冷却需求；

32、冬季运行模式：环境温度低于第二预设阈值，进入冬季运行模式，优先采用自然冷却技术承担数据中心主要冷负荷，燃煤电厂切换为热电联产模式，利用抽汽对外供热；

33、过渡运行模式：环境温度介于第一预设阈值与第二预设阈值之间，进入过渡运行模式，优先利用自然冷却装置承担基础冷负荷，不足部分按能效高低依次启动吸收式制冷机；其中，双效吸收式制冷机优先启动，其次为单效制冷机，最后为低品位制冷机；第一预设阈值大于第二预设阈值。

34、一种耦合风电与热电联产的aidc余热梯级利用冷电联供系统的运行流程，包括以下步骤：

35、s1：系统启动后检测储能系统荷电状态、燃煤电厂出力状态及各级制冷机运行状态，根据环境温度与预设阈值的比较结果，判断运行模式；

36、s2：根据实时电负荷、风力发电出力和储能系统荷电状态，执行供电协同控制；

37、s3：余热回收模块收集和分配烟气余热和抽汽供热，以及人工智能数据中心自身运行产生的低品位余热；

38、s4：余热输送至制冷模块，三级吸收式制冷机并联运行，产生的冷冻水汇总后送入人工智能数据中心的冷却末端，满足冷却需求；

39、s5：持续监测环境温度变化、数据中心负荷变化及各设备运行状态，动态调整运行模式和设备出力分配。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

41、（1）采用风力发电与储能系统直连作为主绿电电源、燃煤电厂并网的协同供电架构，满足绿色能源使用要求，保障数据中心的不间断供电，解决可再生能源间歇性波动问题。

42、（2）通过多级吸收式制冷系统对燃煤电厂烟气余热、抽汽供热以及数据中心低品位余热的梯级利用，充分利用多源余热、降低冷却能耗。

43、（3）根据冬夏季负荷特点自动切换运行模式，夏季三级制冷协同供冷，冬季自然冷却与热电联产相结合，整体能效大幅提升。