河北省張北縣不僅有著豐富的風力和光伏資源，還是擁有60萬臺服務器的阿里巴巴數據中心的落地之處。2012年6月，阿里巴巴數據中心落戶張北。7年來，隨著云計算產業(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據中心保障電力供應、提高能效水平？國網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濟圈與晉冀蒙經濟圈交匯處，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60萬臺服務器的世界級數據中心——阿里巴巴數據中心的落地之處。

　　2012年6月，阿里巴巴數據中心落戶張北縣，7年多時間里，張北云計算產業(yè)實現了從無到有、從有到強的跨越式發(fā)展。2018年“雙十一”期間，阿里巴巴數據中心承擔著全國商家85%的交易任務。與此同時，在大數據的運用上，張北還實現了智慧民生、智慧城管，建起了“扶貧云”，實現了農村電商全覆蓋。如今，世紀互聯、通產偉博、航信金云、浪潮等17個大數據項目已簽約落地。隨著云計算產業(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據中心保障電力供應、提高能效水平？國網冀北電力有限公司在電力技術創(chuàng)新、智能電網建設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，數據中心必須24小時連軸轉，晝夜不停的運行方式必然導致大能耗、高放熱。而且，數據中心對環(huán)境要求極高，通常依靠空調、冷水機等設備來降溫，冷卻部分的用能占到輔助設施用能60%以上。

　　“PUE，也就是能耗比，是衡量數據中心能效水平的評價指標。該指標基準值為2，數值越接近1意味著能源利用率越高。目前阿里張北數據中心的設計PUE均低于1.25，最低可達1.13，遠遠低于國內數據中心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據中心降溫，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據中心降溫?！卑⒗锇桶褪紫夹g官陳鍵鋒就阿里數據中心落戶張北的原因進行說明。

　　此外，張家口作為國務院批復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。阿里張北數據中心全部建成后，服務器規(guī)模將達到150萬臺，年耗電量預計60億千瓦時。從供求關系而言，數據中心落戶張北完全符合國家綠色電力就地消納的要求。據測算，目前阿里數據中心使用綠色電力占總能耗約40%，實現了產業(yè)的良性循環(huán)，有效推動了大數據和新能源聯動發(fā)展。

　　大數據產業(yè)云集張北，帶來巨大經濟刺激的同時，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，僅阿里數據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，客戶側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，國內乃至世界尚無變電技術，既可直接滿足配電網的復雜需求，又可直接應用光伏的直流電。阿里數據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，并不具備經濟性。

　　面對供給與需求的矛盾，國網冀北電力依托張家口豐富的可再生能源，積極構建“變電站+儲能站+數據中心”三站合一的泛在電力物聯網建設模式，積極推動數據中心集群建設與電力基礎設施緊湊布局，對資源高效集約利用的新模式展開探索。

　　柔性變電技術引領

　　“源-網-荷”協調發(fā)展

　　2016年5月，國網冀北電力結合大數據產業(yè)發(fā)展規(guī)劃，未雨綢繆，協同阿里巴巴集團、億利集團，以配電網技術創(chuàng)新引領“源-網-荷”協調發(fā)展，在全球首次提出柔性變電技術設想。2017年9月，10千伏交直流配電網及柔性變電站示范工程開始現場勘測、定位，將柔性變電設想變?yōu)楝F實。一年后，該項目正式投入商業(yè)運行。

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

　　“常規(guī)的數據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)務需求，最大的好處是就近消納了光伏發(fā)電的直流電?！卑⒗飶埍睌祿行倪\維主管胡國良說。

　　10千伏交直流配電網及柔性變電站示范工程集技術創(chuàng)新、新興產業(yè)多元供電服務、光伏扶貧、清潔能源消納功能于一體，為應對配電網電源清潔化、多元化，網絡電力電子化、信息化以及負荷特性復雜化、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計、‘源-網-荷’控制保護等一系列技術難題，最終打造出一個靈活開放的平臺，實現了發(fā)電、電網、客戶的共贏?，F在的柔性變電站裝備可實現多種能源、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。”國網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減少了轉換過程，縮小了設備體積，降低了能耗折損，保證了數據中心的用電可靠性。電網本身由于接入客戶眾多而存在諸多干擾因素，經過這套裝置，電網的干擾不會傳導給客戶，同時，數據中心產生的干擾通過這套裝置被有效地隔離，也不會傳導至電網。

　　“現在阿里可以通過直流升壓的方式，將光伏發(fā)電輸送至數據中心，接入系統(tǒng)作為備用，不但實現了綠色能源的就近消納，余量還可上網。可以說這套設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+特高壓電網+清潔能源

　　滿足大數據產業(yè)負荷需求

　　為滿足大數據產業(yè)不斷增長的負荷需求，國網冀北電力加大電網基礎設施建設力度，構建“智能電網+特高壓電網+清潔能源”的能源體系。2016年，國網冀北電力發(fā)布《全球能源互聯網張家口創(chuàng)新示范區(qū)發(fā)展白皮書》，重點推進五項示范工程，大數據產業(yè)集中的張北基本上都在規(guī)劃中。目前，國網冀北電力正在緊鑼密鼓建設張北500千伏柔性直流輸電示范項目，為云計算產業(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。

　　為結合國家可再生能源示范區(qū)建設，讓大數據產業(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下，國網冀北電力勇開先河，提出“政府+電網+發(fā)電企業(yè)+用戶側”四方交易機制，將各大數據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，極大程度降低了數據中心的用電成本。該交易機制在國內尚屬首例，標志著張家口開啟了國內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用成本居高不下的瓶頸。

　　“作為‘中國數壩’的大本營，未來幾年，張北將著力延長產業(yè)鏈條，前端發(fā)展云研發(fā)、云制造，后端發(fā)展云服務，讓‘冷數據’產生‘熱效應’?！袊鴶祲巍奈磥?，將是世界級超大規(guī)模數據中心產業(yè)集群，將是大數據與實體經濟、與鄉(xiāng)村振興、與服務民生、與社會治理高度融合的‘云上張北’，也將是‘數字中國’在中國北方貧困地區(qū)的一個最好縮影?！睆埍笨h縣長李鵬舉對今后張北大數據產業(yè)發(fā)展前景篤定且自信。

　　未來已來。國網冀北電力將在新能源、智能配用電等領域，加快形成一批具有自主知識產權、達到國際先進水平的科研成果，突破泛在電力物聯網發(fā)展技術瓶頸，為綠色數據產業(yè)發(fā)展和能源互聯網建設提供更強大的支撐。