摘要：随着数据中心行业的迅猛发展，实现低能耗与低成本运营已成为关键目标。如何为数据中心与可再生分布式能源系统的结合提供最优配置方案，成为了极具挑战性的难题。本研究探讨了将柴油发电、光伏发电、风力发电以及电池储能等组合应用于数据中心的多种混合配置方案。针对每种配置模式

随着数据中心行业的迅猛发展，实现低能耗与低成本运营已成为关键目标。如何为数据中心与可再生分布式能源系统的结合提供最优配置方案，成为了极具挑战性的难题。本研究探讨了将柴油发电、光伏发电、风力发电以及电池储能等组合应用于数据中心的多种混合配置方案。针对每种配置模式，我们采用可再生能源渗透率（RP）和度电成本（LCOE）来评估系统性能。基于熵权 - TOPSIS 法、遗传算法和 NSGA - II 算法，对案例进行多目标优化分析，旨在实现高可再生能源渗透率与低度电成本的双重目标。此外，还对使用传统能源与可再生能源的最优电力配置进行了对比研究。结果表明，建议采用高额定功率的光伏发电系统；风力发电只有与光伏发电系统结合使用时才有实际意义；在无储能单元的混合可再生能源系统中，相比柴油发电模式更容易实现较低的度电成本，其可实现的最大可再生能源渗透率为 28.31%；当混合系统中加入电池储能时，推荐六种最优配置方案，这些方案能够实现最低成本 0.21 美元 / 千瓦时，以及最高可再生能源渗透率 44.5%。

一、全球能源转型背景下的相关研究进展

在未来几十年，全球经济与能源向可持续方向转型是我们面临的重大挑战之一。近年来，各国和各行业的能源发展都在朝着节能减碳的方向推进，并且已经取得了一系列研究成果。

不同混合系统与技术研究：Bagdadee 等人提出了一种不同的混合系统，该系统在传统电厂扩建的调控问题上综合考虑了可理解性与复杂性，结果表明，这一系统能够提升孟加拉国可再生能源的发电量。Raimondi 等人提出了一种基于氢能的电力 - 电力系统，涉及双重可再生能源社区系统，这两个系统均与电网相连，既可以从电网获取电能，也能够向电网输送电能。Kroposki 研究了将超高水平的可变可再生能源整合到电力系统中的问题，提出了一系列解决方案，并列举了目前正在运行的几个超高水平可变可再生能源系统实例。

储能与优化方法研究：Dostál 等人研究了可再生能源发电对储能单元的需求问题，并将储能分为短期储能、长期储能和备用储能。Guo 等人提出了两种参数优化模型，从可再生能源弃电和系统灵活性的角度量化储能单元的功率和能量容量对可再生能源利用的影响。Heydari 和 Ramesh 等人都研究了可再生能源系统的优化方法，并与其他常见优化方法进行了比较，不同之处在于前者应用于可再生微电网场景，而后者针对的是印度偏远农村地区的能源系统。

其他相关研究：Sudabattula 等人提出了花粉授粉算法，用于优化配电网的功率损耗并改善电压分布。Velasquez 等人开发了一种基于对偶分解的分布式模型预测控制策略，并与传统经济调度方法进行比较，验证了其优越性。Nishi 等人提出了一种针对不同公司的能源组合与生产规划的分布式优化方法，经计算验证该方法有效可行。Dong 等人提出了一种包含储能系统和光热电站的可再生能源区域电网联合优化调度模型，以实现最低综合运行成本为目标。Qu 等人基于二阶锥规划开发了一种用于可再生能源电站无功补偿的混合整数优化方法，并通过实际可再生能源电站验证了该方法的可行性和经济性。除了上述能源类型转换和可再生能源供电的研究，当前许多研究人员还专注于提高能源利用效率，以及开发高效储能材料。

二、数据中心能源现状与研究聚焦

（一）建筑节能与数据中心能耗突出问题

随着城市化的快速发展，周边地区正在规划和建设大量建筑项目。然而，我国现有 99% 的城乡建筑和 95% 的新建建筑都属于高耗能建筑。因此，如何实现建筑节能成为推动建筑业稳定发展的重要因素之一。与传统高耗能建筑不同，数据中心需要 24 小时不间断运行，这种运行模式必然会增加能源消耗。据统计，2010 年全球数据中心用电量约占总用电量的 1.3%，到 2017 年这一比例增长至 3.5%，并且仍在持续上升，预计到 2025 年将超过 10%。

（二）数据中心能源相关研究动态

我们此前的研究聚焦于数据中心的高效芯片散热，旨在通过冷却系统降低能耗，从而实现节能效果，并提出了几种不同的芯片散热器，对其散热效果进行了模拟研究。Choo 等人对美国马里兰大学帕克分校校园内的一个中型数据中心进行了整体能源分析，结果显示该数据中心的电源使用效率为 2.73，仍有很大的节能空间。Karlsson 等人也对小型数据中心的电力需求进行了研究。

与传统高耗能行业逐渐进入稳定发展期不同，数据中心作为近年来蓬勃发展的行业，其能耗增长态势迅猛，对环境的影响也日益显著。减少传统化石能源的使用、发展可再生能源以及提高能源利用效率，具有重要的经济和社会效益。能源领域对绿色可再生能源的研究从未停止，并且随着云计算时代的到来，数据中心对其关注度也越来越高。一些学者已将不同类型的综合能源应用于数据中心。Liu 等人提出了一种双目标能耗调度方法，以电能和天然气作为数据中心的能源供应和消耗对象，利用粒子群算法进行模拟调度。Iverson 等人在两种不同场景（固定需求场景，如社区或工业场所；受控需求场景，如数据中心）下，对包含储氢的混合可再生能源系统进行了配置优化，并分析了七种不同风速和光照强度水平下度电成本的变化趋势。Guizzi 等人对基于天然气膜蒸汽重整器的热电联产系统进行了经济和能源性能评估，讨论了数据中心的年能耗、运营成本和二氧化碳排放量。此外，一些学者还研究了数据中心余热的利用，通过将服务器回收的余热供应给周边居民区，实现能源再利用，从而降低运营成本。

三、天津地区可再生能源研究基础与数据中心新探索

（一）天津可再生能源研究现状

天津作为太阳能和风能资源丰富的城市之一，在推广可再生能源系统以满足不断增长的能源需求和保障能源安全方面具有巨大潜力。许多研究都聚焦于天津的可再生能源发展和储能优化。Wu 等人关注京津冀开发区，将空间信息与可再生能源产业相结合，揭示了其时空特征和驱动因素。Huang 等人提出了一种新型的风光混合系统，用多个小型风力发电机取代大型风力发电机，并在天津构建了两个系统模型进行实际测试和模拟验证，结果显示多风机系统在低风速条件下表现更佳。Guo 等人预测了京津冀地区的总用电量，并使用系统动力学模型分析了 2018 - 2025 年风电政策影响下的风电发展情况。Zhang 等人对京津冀地区的可再生能源整合进行了研究，提出了一个平衡的可再生能源整合分析框架，用于系统评估技术和经济性能。值得注意的是，在可再生能源技术中，光伏发电和风力发电被认为是最具潜力的替代能源。因此，最优的混合可再生能源发电运行方案在数据中心领域越来越受到关注。

（二）本研究的数据中心能源方案

目前，对于数据中心这一高耗能行业，大多数研究集中在通过制冷系统降低芯片和机柜层面的冷却能耗，只有少数研究从能源供应角度，利用混合可再生能源来解决能耗问题。大多数关于使用可再生能源为数据中心供电的研究都是定性分析，主要评估依靠新能源确保数据中心服务水平的可行性和可靠性。然而，使用混合可再生能源系统供电的研究尚未成熟，很少有文章定量分析数据中心的成本和能耗如何随着不同能源类型容量的变化而变化。

因此，本文提出了一种适用于数据中心的分布式可再生能源系统，通过配置柴油发电机、光伏发电、风力发电和电池储能来满足负载需求。以天津的一个小型数据中心为例，本研究对能源供应配置对节能减排的影响进行了模拟分析，旨在充分利用当地丰富的可再生资源，减少对传统化石燃料的依赖，从能源供应角度实现数据中心的节能减排。此外，还运用多种优化方法对各种系统配置进行进一步优化，以同时满足低电价和高可再生能源渗透率的要求。

来源：小月说科技