核心提示：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(wù)器的阿里巴巴數(shù)據(jù)中心的落地之處。2012年6月，阿里巴巴數(shù)據(jù)中心落戶張北。7年來，隨著云計算產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，電力能耗也與日俱增，如何為這樣世界級的數(shù)據(jù)中心保障電力供應(yīng)、提高能效水平？國網(wǎng)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(jīng)濟圈與晉冀蒙經(jīng)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(wù)器的世界級數(shù)據(jù)中心——阿里巴巴數(shù)據(jù)中心的落地之處。

2012年6月，阿里巴巴數(shù)據(jù)中心落戶張北縣，7年多時間里，張北云計算產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了從無到有、從有到強的跨越式發(fā)展。2018年“雙十一”期間，阿里巴巴數(shù)據(jù)中心承擔著全國商家85%的交易任務(wù)。與此同時，在大數(shù)據(jù)的運用上，張北還實現(xiàn)了智慧民生、智慧城管，建起了“扶貧云”，實現(xiàn)了農(nóng)村電商全覆蓋。如今，世紀互聯(lián)、通產(chǎn)偉博、航信金云、浪潮等17個大數(shù)據(jù)項目已簽約落地。隨著云計算產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，電力能耗也在與日俱增，如何為這樣世界級的數(shù)據(jù)中心保障電力供應(yīng)、提高能效水平？國網(wǎng)冀北電力有限公司在電力技術(shù)創(chuàng)新、智能電網(wǎng)建設(shè)等方面進行了大量探索。

“云”集張北 耗能激增

與傳統(tǒng)能耗單元不同，數(shù)據(jù)中心必須24小時連軸轉(zhuǎn)，晝夜不停的運行方式必然導(dǎo)致大能耗、高放熱。而且，數(shù)據(jù)中心對環(huán)境要求極高，通常依靠空調(diào)、冷水機等設(shè)備來降溫，冷卻部分的用能占到輔助設(shè)施用能60%以上。

“PUE，也就是能耗比，是衡量數(shù)據(jù)中心能效水平的評價指標。該指標基準值為2，數(shù)值越接近1意味著能源利用率越高。目前阿里張北數(shù)據(jù)中心的設(shè)計PUE均低于1.25，最低可達1.13，遠遠低于國內(nèi)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心降溫，全年只有兩周的時間需要開啟傳統(tǒng)的壓縮機空調(diào)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(shù)據(jù)中心降溫。”阿里巴巴首席技術(shù)官陳鍵鋒就阿里數(shù)據(jù)中心落戶張北的原因進行說明。

此外，張家口作為國務(wù)院批復(fù)的全國可再生能源示范區(qū)，風能和太陽能資源豐富，僅張北縣2018年風、光發(fā)電量就超過62億千瓦時，到2020年發(fā)電量將達到100億千瓦時。阿里張北數(shù)據(jù)中心全部建成后，服務(wù)器規(guī)模將達到150萬臺，年耗電量預(yù)計60億千瓦時。從供求關(guān)系而言，數(shù)據(jù)中心落戶張北完全符合國家綠色電力就地消納的要求。據(jù)測算，目前阿里數(shù)據(jù)中心使用綠色電力占總能耗約40%，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)，有效推動了大數(shù)據(jù)和新能源聯(lián)動發(fā)展。

大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)云集張北，帶來巨大經(jīng)濟刺激的同時，也面臨著電力消耗的持續(xù)攀升，隨之而來的是供電負荷迅猛增長。2018年，僅阿里數(shù)據(jù)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(wǎng)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(fā)電，雖年發(fā)電量高，但需將直流電通過逆變器變成交流電再上網(wǎng)，客戶側(cè)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(nèi)乃至世界尚無變電技術(shù)，既可直接滿足配電網(wǎng)的復(fù)雜需求，又可直接應(yīng)用光伏的直流電。阿里數(shù)據(jù)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(fā)電尚存在不穩(wěn)定的問題，且當前“光伏+儲能”造價成本太高，并不具備經(jīng)濟性。

面對供給與需求的矛盾，國網(wǎng)冀北電力依托張家口豐富的可再生能源，積極構(gòu)建“變電站+儲能站+數(shù)據(jù)中心”三站合一的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)模式，積極推動數(shù)據(jù)中心集群建設(shè)與電力基礎(chǔ)設(shè)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(shù)引領(lǐng)

“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)發(fā)展

2016年5月，國網(wǎng)冀北電力結(jié)合大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，未雨綢繆，協(xié)同阿里巴巴集團、億利集團，以配電網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)發(fā)展，在全球首次提出柔性變電技術(shù)設(shè)想。2017年9月，10千伏交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程開始現(xiàn)場勘測、定位，將柔性變電設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實。一年后，該項目正式投入商業(yè)運行。

該工程建設(shè)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(shè)備電力電子變壓器具有4個交直流端口，在配電網(wǎng)中如同一個“縱橫交錯江河中的碼頭”。示范工程在低壓側(cè)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(xiàn)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(lián)網(wǎng)平臺，通過接入張北縣德勝村2.5兆瓦光伏扶貧發(fā)電，滿足了阿里張北數(shù)據(jù)中心綠色用能需求，實現(xiàn)了發(fā)電、電網(wǎng)、客戶等多利益主體的共贏。

“常規(guī)的數(shù)據(jù)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(yōu)勢在于沒有中間的逆變環(huán)節(jié)，可以減少能效損耗。柔變項目正好匹配我們的業(yè)務(wù)需求，最大的好處是就近消納了光伏發(fā)電的直流電。”阿里張北數(shù)據(jù)中心運維主管胡國良說。

10千伏交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程集技術(shù)創(chuàng)新、新興產(chǎn)業(yè)多元供電服務(wù)、光伏扶貧、清潔能源消納功能于一體，為應(yīng)對配電網(wǎng)電源清潔化、多元化，網(wǎng)絡(luò)電力電子化、信息化以及負荷特性復(fù)雜化、互動化的發(fā)展需求，提供了重要解決方案。

“我們成功攻克了成套設(shè)計、‘源-網(wǎng)-荷’控制保護等一系列技術(shù)難題，最終打造出一個靈活開放的平臺，實現(xiàn)了發(fā)電、電網(wǎng)、客戶的共贏?，F(xiàn)在的柔性變電站裝備可實現(xiàn)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(quán)。”國網(wǎng)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(wǎng)減少了轉(zhuǎn)換過程，縮小了設(shè)備體積，降低了能耗折損，保證了數(shù)據(jù)中心的用電可靠性。電網(wǎng)本身由于接入客戶眾多而存在諸多干擾因素，經(jīng)過這套裝置，電網(wǎng)的干擾不會傳導(dǎo)給客戶，同時，數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的干擾通過這套裝置被有效地隔離，也不會傳導(dǎo)至電網(wǎng)。

“現(xiàn)在阿里可以通過直流升壓的方式，將光伏發(fā)電輸送至數(shù)據(jù)中心，接入系統(tǒng)作為備用，不但實現(xiàn)了綠色能源的就近消納，余量還可上網(wǎng)。可以說這套設(shè)備還在一定程度為阿里節(jié)省了成本。”胡國良說道。

智能電網(wǎng)+特高壓電網(wǎng)+清潔能源

滿足大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)負荷需求

為滿足大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)不斷增長的負荷需求，國網(wǎng)冀北電力加大電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，構(gòu)建“智能電網(wǎng)+特高壓電網(wǎng)+清潔能源”的能源體系。2016年，國網(wǎng)冀北電力發(fā)布《全球能源互聯(lián)網(wǎng)張家口創(chuàng)新示范區(qū)發(fā)展白皮書》，重點推進五項示范工程，大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)集中的張北基本上都在規(guī)劃中。目前，國網(wǎng)冀北電力正在緊鑼密鼓建設(shè)張北500千伏柔性直流輸電示范項目，為云計算產(chǎn)業(yè)基地提供更強大的電力支撐；同時，在阿里其他園區(qū)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(shù)壩”發(fā)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(qū)清潔能源送出需求和北京負荷中心、特別是冬奧延慶賽區(qū)清潔電能使用需求。

為結(jié)合國家可再生能源示范區(qū)建設(shè)，讓大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展享有成體系的扶持和優(yōu)惠政策，2018年，在張家口市政府的倡導(dǎo)下，國網(wǎng)冀北電力勇開先河，提出“政府+電網(wǎng)+發(fā)電企業(yè)+用戶側(cè)”四方交易機制，將各大數(shù)據(jù)中心納入可再生能源電力交易系統(tǒng)，通過市場化交易可享受0.37元/度的優(yōu)惠電價，極大程度降低了數(shù)據(jù)中心的用電成本。該交易機制在國內(nèi)尚屬首例，標志著張家口開啟了國內(nèi)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(yīng)用成本居高不下的瓶頸。

“作為‘中國數(shù)壩’的大本營，未來幾年，張北將著力延長產(chǎn)業(yè)鏈條，前端發(fā)展云研發(fā)、云制造，后端發(fā)展云服務(wù)，讓‘冷數(shù)據(jù)’產(chǎn)生‘熱效應(yīng)’。‘中國數(shù)壩’的未來，將是世界級超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)集群，將是大數(shù)據(jù)與實體經(jīng)濟、與鄉(xiāng)村振興、與服務(wù)民生、與社會治理高度融合的‘云上張北’，也將是‘數(shù)字中國’在中國北方貧困地區(qū)的一個最好縮影。”張北縣縣長李鵬舉對今后張北大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景篤定且自信。

未來已來。國網(wǎng)冀北電力將在新能源、智能配用電等領(lǐng)域，加快形成一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)、達到國際先進水平的科研成果，突破泛在電力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展技術(shù)瓶頸，為綠色數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供更強大的支撐。