一种绿色数据中心综合供能系统设备容量的配置方法与流程

1.本发明属于综合能源系统技术领域，具体地说是一种绿色数据中心综合供能系统设备容量的配置方法。


背景技术：

2.随着物人工智能、大数据、智慧城市、互联网等技术的快速发展，会有海量的数据需要储存、加密、计算、和传输，数据中心的数量将呈现爆发式增长。而对于数据中心的运营商而言，单个数据中心每年的能耗费用就可能高达几千万元。
3.从能源供应侧看，目前数据中心能源供应形式单一，以市电为主，绿电供应比例和一次能源利用率比较低，造成了大量的碳排放，清洁能源的使用比例仍需提高。进而，如何降低数据中心的能耗成本，提高能源利用率，实现可持续发展，成为了数据中心目前亟待解决的问题。
4.近年来，随着分布式能源技术的不断发展，综合能源系统逐渐成为能源行业的研究热点。综合能源系统通过冷热电联产，对能源梯级利用，具有绿色环保，能源配置灵活等特点。因此，综合能源系统与传统电力技术的深度融合已成绿色数据中心发展的必然趋势。综合能源系统的设计包括原动机、储能器、制冷机组等系统设备的类型的选择，以及设备容量的确定这些设备的最佳容量是一项复杂的任务，冷热电负荷的变化以及设备和燃料的价格都是设计中需要考虑的因素。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种绿色数据中心综合供能系统设备容量的配置方法，该配置方法在提出绿色数据中心综合供能系统的供能方式的基础之上，完善系统的数学优化模型，给出设备容量的优化配置结果。
6.本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
7.一种绿色数据中心综合供能系统设备容量的配置方法，其特征在于：将数据中心和综合供能系统结合在一起，建立数据中心供能设备的数学模型，以系统经济性和环保性为目标函数、结合约束条件，得到了供能设备容量的优化配置结果和数据中心的电能利用效率值pue；具体步骤为：
8.步骤一：建立绿色数据中心综合供能系统的能流体系；
9.步骤二：建立绿色数据中心综合供能系统的能流体系中的供能设备的数学模型；
10.步骤三：建立同时考虑绿色数据中心综合供能系统年总费用最低和碳排放量最少的目标函数；
11.步骤四：建立绿色数据中心综合供能系统优化配置的约束条件；
12.步骤五：按照所述能流体系、数学模型、目标函数和约束条件，建立绿色数据中心综合供能系统设备容量的配置优化模型；
13.步骤六：求解配置优化模型，得出系统配置结果，并输出绿色数据中心综合供能系
统的各项经济性费用、碳排放量和pue值。
14.所述步骤一中的能流体系中，燃气内燃机、电网提供的市电和光伏发电满足数据中心的电负荷需求；燃气内燃机在运行的过程中，会产生大量高温高压的烟气和缸套水，分别供给吸收式制冷机和换热器；离心式制冷机消耗电能产生冷能，和吸收式制冷机一起满足数据中心的制冷需求；若换热器产生的热量满足不了办公区域的需求则加入燃气锅炉进行补充。
15.所述步骤二中的供能设备的数学模型包括光伏发电模型、燃气内燃机模型、离心式制冷机模型、吸收式制冷机模型、换热器模型和燃气锅炉模型，具体地，
16.(21)光伏发电模型：其中，p
pv
为光伏发电设备的发电功率，单位是kw；f
pv
为光伏功率输出的能量转换效率，通常取0.9；为标准条件光伏发电设备的额定输出功率；i为实际辐射强度；i
e
为标准辐射强度；η
p
为温度功率系数；t
pv
为光伏模块的实际温度；为光伏模块的额定温度；
17.(22)燃气内燃机模型：p
ge
＝η
ge
v
ge
q
g
，其中，p
ge
内燃机输出的功率；η
ge
为内燃机的发电效率；v
ge
为天然气消耗率；q
g
为天然气热值；
18.(23)离心式制冷机模型：c
cc
＝η
cc
p
cc
，其中，c
cc
为离心式制冷机的制冷功率；η
cc
为离心式制冷机的转换效率系数；p
cc
为离心式制冷机的电输入功率；
19.(24)吸收式制冷机模型：c
ac
＝η
ac
h
re
，其中，c
ac
为吸收式制冷机的制冷功率；η
ac
为吸收式制冷机转换效率系数；h
re
为余热回收的热功率；
20.(25)换热器模型：h
gb
＝η
gb
v
gb
q
g
，其中，h
gb
为燃气锅炉的供热功率；η
gb
为燃气锅炉的热效率；v
gb
为天然气消耗率m3/h；q
g
为天然气热值kwh/m3；
21.(26)换热器模型：其中，为换热器的热输出功率；η
ex
为换热器的换热效率；为换热器的热输入功率。
22.所述步骤三中的建立同时考虑绿色数据中心综合供能系统年总费用最低和碳排放量最少的目标函数为：
23.(31)年总费用f
atc
最低，即：minf
atc
＝f
inv
f
gas
f
m
f
grid
，其中，f
inv
为年等额投资成本；f
gas
为年燃料费用；f
m
为年维护费用；f
grid
为年购电费用；
24.(32)年碳排放量f
ace
最低，即：其中，p
grid,s,h
为电网在s季节的典型日的第h小时所输出的电功率；p
ge,s,h
为燃气内燃机的输出功率；p
gb,s,h
为燃气锅炉的输出功率；σ
grid
为电网碳排放因子；σ
gas
为天然气碳排放因子。
25.所述年总费用最低中所涉及的各项费用函数为：
26.(311)年等额投资成本f
inv
的表达式为：其中，r为折现率；y为设备的使用寿命；j为设备的总数；q
j
为设备的优化装机容量；c
inv,j
为设备j的单位容量投资成本；
27.(312)年燃料费用f
gas
的表达式为：其中，c
gas
为气价(元/m3)；s为夏季、冬季和过渡季等典型季节分类总数；d
s
为典型季节设备运行的天数；h为典型日设备运行小时数；p
ge,h
和p
gb,h
分别为燃气内燃机和燃气锅炉在季节s的典型日第h小时的输出功率；
28.(313)年维护费用f
m
的表达式为：其中，p
j,s,h
为设备j在季节s典型日的第h小时的功率；c
m,j
为设备的单位维护费用；
29.(314)年购电费用f
grid
的表达式为：其中，p
grid,s,h
为在季节s典型日第h小时电网的供电功率；c
e,h
为购电的分时价格。
30.所述步骤四中的约束条件包括：
31.(41)电负荷平衡约束：p
l,s,h
＝p
pv,s,h
p
ge,s,h
p
grid,s,h
‑
p
cc,s,h
，其中，p
l
为数据中心季节s的典型日第h小时的电负荷；p
pv,s,h
为光伏在季节s的典型日第h小时的光伏发电功率；p
ge,s,h
为燃气内燃机季节s的典型日第h小时的发电功率；p
grid,s,h
为季节s的典型日第h小时电网的供电功率；p
cc,s,h
为离心式制冷机组在季节s的典型日第h小时的电输入功率；
32.(42)冷负荷平衡约束：c
l,s,h
＝c
ac,s,h
c
cc,s,h
，其中，c
l,s,h
数据中心季节的s的典型日第h小时的冷负荷；c
ac,s,h
为吸收式制冷机在季节s典型日第h小时的制冷输出功率；c
cc,s,h
为离心式制冷机在季节s典型日第h小时的制冷输出功率；
33.(43)热负荷平衡约束：其中，h
l,s,h
为数据中心在典型季节s的典型日第h小时的热负荷；h
gb,s,h
燃气锅炉在典型季节s典型日第h小时的热输出功率；h
ex,s,h
是换热器在典型季节s典型日第h小时的热输出功率；是燃气内燃机的热电比，通常取1.05；
34.(44)设备装机容量约束：其中，和分别为设备j装机容量的上限和下限。
35.所述步骤五中的配置优化模型为：以年总费用最低和年碳排放量最低为目标函数，把双目标函数转换为单目标函数f＝λ1f
atc
λ2f
ace
，其中0≤λ1≤1、0≤λ2≤1；基于供能设备的数学模型，以电负荷平衡约束、冷负荷平衡约束、热负荷平衡约束和设备装机容量约束作为配置优化模型的约束条件，建立绿色数据中心综合供能系统设备容量的优化配置模型。
36.所述步骤六中的pue值能够衡量数据中心的能耗水平，pue值的具体计算公式为：其中，p
it,s,h
为s季节典型日的第h小时，数据中心it设备所消耗的电功率。
37.本发明相比现有技术有如下优点：
38.本发明的配置方法同时考虑系统经济性与环境指标，以年总费用最少小和碳排放量最少为目标函数，考虑了各种负载平衡约束和设备运行约束，制定了系统中各设备的运行策略，建立了绿色数据中心综合供能系统设备容量的配置优化模型，提高了系统模型的优化效率，保证数据中心的绿色经济运行，具有较大的市场应用前景。
附图说明
39.附图1为本发明的绿色数据中心综合供能系统的能流体系示意图；
40.附图2为本发明的绿色数据中心综合供能系统设备容量的配置方法的流程图；
41.附图3为本发明的实施例采用的绿色数据中心的夏季典型日负荷曲线图；
42.附图4为本发明的实施例采用的绿色数据中心的过渡季典型日负荷曲线图；
43.附图5为本发明的实施例采用的绿色数据中心的冬季典型日负荷曲线图；
44.附图6为本发明的的实施例中的绿色数据中心的年总费用组成图。
具体实施方式
45.为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
46.一种绿色数据中心综合供能系统设备容量的配置方法，将数据中心和综合供能系统结合在一起，建立数据中心供能设备的数学模型，以系统经济性和环保性为目标函数、结合约束条件，得到了供能设备容量的优化配置结果和数据中心的电能利用效率值pue；如图2所示，具体步骤为：
47.步骤一：建立绿色数据中心综合供能系统的能流体系(如图1所示)，在能流体系中，燃气内燃机、电网提供的市电和光伏发电满足数据中心的电负荷需求；燃气内燃机在运行的过程中，会产生大量高温高压的烟气和缸套水，分别供给吸收式制冷机和换热器；离心式制冷机消耗电能产生冷能，和吸收式制冷机一起满足数据中心的制冷需求；若换热器产生的热量满足不了办公区域的需求则加入燃气锅炉进行补充。
48.步骤二：建立绿色数据中心综合供能系统的能流体系中的供能设备的数学模型；数学模型包括光伏发电模型、燃气内燃机模型、离心式制冷机模型、吸收式制冷机模型、换热器模型和燃气锅炉模型，包括，
49.(21)光伏发电模型：其中，p
pv
为光伏发电设备的发电功率，单位是kw；f
pv
为光伏功率输出的能量转换效率，通常取0.9；为标准条件光伏发电设备的额定输出功率；i为实际辐射强度；i
e
为标准辐射强度；η
p
为温度功率系数；t
pv
为光伏模块的实际温度；为光伏模块的额定温度；
50.(22)燃气内燃机模型：p
ge
＝η
ge
v
ge
q
g
，其中，p
ge
内燃机输出的功率；η
ge
为内燃机的发电效率；v
ge
为天然气消耗率；q
g
为天然气热值；
51.(23)离心式制冷机模型：c
cc
＝η
cc
p
cc
，其中，c
cc
为离心式制冷机的制冷功率；η
cc
为离心式制冷机的转换效率系数；p
cc
为离心式制冷机的电输入功率；
52.(24)吸收式制冷机模型：c
ac
＝η
ac
h
re
，其中，c
ac
为吸收式制冷机的制冷功率；η
ac
为吸收式制冷机转换效率系数；h
re
为余热回收的热功率；
53.(25)换热器模型：h
gb
＝η
gb
v
gb
q
g
，其中，h
gb
为燃气锅炉的供热功率；η
gb
为燃气锅炉的热效率；v
gb
为天然气消耗率m3/h；q
g
为天然气热值kwh/m3；
54.(26)换热器模型：其中，为换热器的热输出功率；η
ex
为换热器的换热效率；为换热器的热输入功率。
55.步骤三：建立同时考虑绿色数据中心综合供能系统年总费用最低和碳排放量最少的目标函数；包括，
56.(31)年总费用f
atc
最低，即：min f
atc
＝f
inv
f
gas
f
m
f
grid
，其中，f
inv
为年等额投资成本；f
gas
为年燃料费用；f
m
为年维护费用；f
grid
为年购电费用；其中，
57.(311)年等额投资成本f
inv
的表达式为：其中，r为折现率；y为设备的使用寿命；j为设备的总数；q
j
为设备的优化装机容量；c
inv,j
为设备j的单位容量投资成本；
58.(312)年燃料费用f
gas
的表达式为：其中，c
gas
为气价(元/m3)；s为夏季、冬季和过渡季等典型季节分类总数；d
s
为典型季节设备运行的天数；h为典型日设备运行小时数；p
ge,h
和p
gb,h
分别为燃气内燃机和燃气锅炉在季节s的典型日第h小时的输出功率；
59.(313)年维护费用f
m
的表达式为：其中，p
j,s,h
为设备j在季节s典型日的第h小时的功率；c
m,j
为设备的单位维护费用；
60.(314)年购电费用f
grid
的表达式为：其中，p
grid,s,h
为在季节s典型日第h小时电网的供电功率；c
e,h
为购电的分时价格；
61.(32)年碳排放量f
ace
最低，即：其中，p
grid,s,h
为电网在s季节的典型日的第h小时所输出的电功率；p
ge,s,h
为燃气内燃机的输出功率；p
gb,s,h
为燃气锅炉的输出功率；σ
grid
为电网碳排放因子；σ
gas
为天然气碳排放因子。
62.步骤四：建立绿色数据中心综合供能系统优化配置的约束条件；包括，
63.(41)电负荷平衡约束：p
l,s,h
＝p
pv,s,h
p
ge,s,h
p
grid,s,h
‑
p
cc,s,h
，其中，p
l
为数据中心季节s的典型日第h小时的电负荷；p
pv,s,h
为光伏在季节s的典型日第h小时的光伏发电功率；p
ge,s,h
为燃气内燃机季节s的典型日第h小时的发电功率；p
grid,s,h
为季节s的典型日第h小时
电网的供电功率；p
cc,s,h
为离心式制冷机组在季节s的典型日第h小时的电输入功率；
64.(42)冷负荷平衡约束：c
l,s,h
＝c
ac,s,h
c
cc,s,h
，其中，c
l,s,h
数据中心季节的s的典型日第h小时的冷负荷；c
ac,s,h
为吸收式制冷机在季节s典型日第h小时的制冷输出功率；c
cc,s,h
为离心式制冷机在季节s典型日第h小时的制冷输出功率；
65.(43)热负荷平衡约束：其中，h
l,s,h
为数据中心在典型季节s的典型日第h小时的热负荷；h
gb,s,h
燃气锅炉在典型季节s典型日第h小时的热输出功率；h
ex,s,h
是换热器在典型季节s典型日第h小时的热输出功率；是燃气内燃机的热电比，通常取1.05；
66.(44)设备装机容量约束：其中，和分别为设备j装机容量的上限和下限。
67.在本发明的绿色数据中心综合供能系统中，各供能设备的经济性和技术性参数如表1和表2所示，数据中心负荷情况如图3、图4和图5所示。
68.表1供能设备的技术性参数
[0069][0070]
表2供能设备的经济性参数
[0071]
设备名称投资费用(元/kw)维护费用(元/kwh)燃气内燃机25260.094离心式制冷机9800.008吸收式制冷机10560.014换热器2050.006燃气锅炉6280.003光伏75350.012
[0072]
步骤五：按照所述能流体系、数学模型、目标函数和约束条件，建立绿色数据中心综合供能系统设备容量的配置优化模型；其中以年总费用最低和年碳排放量最低为目标函数，把双目标函数转换为单目标函数f＝λ1f
atc
λ2f
ace
，其中0≤λ1≤1、0≤λ2≤1；基于供能设备的数学模型，以电负荷平衡约束、冷负荷平衡约束、热负荷平衡约束和设备装机容量约束作为配置优化模型的约束条件，建立绿色数据中心综合供能系统设备容量的优化配置模
型。
[0073]
步骤六：利用matlab/cplex求解配置优化模型，解决线性规划问题，得出系统配置结果，并输出绿色数据中心综合供能系统的各项经济性费用、碳排放量和pue值。
[0074]
pue值的具体计算公式为：其中，p
it,s,h
为s季节典型日的第h小时，数据中心it设备所消耗的电功率；pue值能够衡量数据中心的能耗水平。
[0075]
本实施例中，设计的折现率取6％，数据中心使用寿命取10年，天然气价格暂取3元/立方米。得到设备容量优化配置的结果如表3和表4所示，年总费用组成如图6所示。
[0076]
表3供能设备容量的配置结果
[0077]
供能设备配置结果燃气内燃机(kw)1692离心式制冷机(kw)305吸收式制冷机(kw)1396换热器(kw)423燃气锅炉(kw)272光伏(kw)285
[0078]
表4供能设备配置结果的各项指标
[0079][0080][0081]
本实施例成功得到绿色数据中心综合供能系统设备容量的优化配置方案，并且成功得到了各项经济性费用，计算出了衡量数据中心能耗水平的pue数值，以及系统年碳排放量。从本实施例可以看出：绿色数据中心综合供源系统通过对能源的梯级利用，有效降低了系统对市电的依赖，加大了对天然气的使用，保证了绿色数据中心经济且环保的运行。绿色数据中心的pue值1.5以下，符合国家对新建数据中心pue的要求。
[0082]
在以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替
换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。