[论文解读] Data Centers as Dispatchable Loads to Harness Stranded Power

Kibaek Kim, Fan Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2016

Cloud Computing and Resource Management参考文献 16被引用 6

一句话总结

本文提出将数据中心作为可调度负荷，以利用高比例可再生能源电网中的弃风电力。通过优化部署可根据电网需求调节计算负荷的灵活数据中心，该系统将弃风量减少高达44%，降低平均电网成本，并使数据中心能够利用原本浪费的能源实现60–80%的容量利用率。

ABSTRACT

We analyze how both traditional data center integration and dispatchable load integration affect power grid efficiency. We use detailed network models, parallel optimization solvers, and thousands of renewable generation scenarios to perform our analysis. Our analysis reveals that significant spillage and stranded power will be observed in power grids as wind power levels are increased. A counter-intuitive finding is that collocating data centers with inflexible loads next to wind farms has limited impacts on renewable portfolio standard (RPS) goals because it provides limited system-level flexibility and can in fact increase stranded power and fossil-fueled generation. In contrast, optimally placing data centers that are dispatchable (with flexible loads) provides system-wide flexibility, reduces stranded power, and improves efficiency. In short, optimally placed dispatchable computing loads can enable better scaling to high RPS. We show that these dispatchable computing loads are powered to 60~80\% of their requested capacity, indicating that there are significant economic incentives provided by stranded power.

研究动机与目标

• 解决高比例可再生能源电网中可再生能源弃用和电力浪费的问题。
• 研究将数据中心与风电场共址是否能提高电网效率并支持可再生能源组合标准（RPS）。
• 探索将数据中心视为可调度负荷而非固定用电用户所带来的系统性效益。
• 评估可调度计算负荷如何提升电网灵活性，降低成本波动，并在高风能渗透水平下增强系统韧性。

提出的方法

• 开发了一套计算框架，结合详细的电力网络模型与并行优化求解器。
• 模拟了多种情景：基础电网、随机部署数据中心、与风电场共址且负载不可调度的数据中心，以及最优部署的可调度数据中心。
• 基于数千个可再生能源发电情景的随机优化，评估系统在不确定性下的性能表现。
• 将可调度数据中心建模为可根据电网状况启停的灵活负荷，以最小化弃风和成本。
• 采用包括弃用电力、弃风量、调度成本波动性和数据中心容量利用率在内的指标，量化系统层面的影响。
• 利用高保真测试系统（如WECC）和高性能计算资源（阿贡国家实验室的Blues集群）进行大规模仿真。

实验结果

研究问题

• RQ1 将数据中心作为可调度负荷集成，对高风能渗透水平下的电网效率和弃用电力有何影响？
• RQ2 将数据中心与风电场共址对可再生能源组合标准（RPS）目标和系统灵活性有何影响？
• RQ3 与传统或共址部署的数据中心模型相比，可调度数据中心是否能减少弃风并提高电网成本稳定性？
• RQ4 在由弃用可再生能源供电的情况下，数据中心能实现多大程度的可用容量？
• RQ5 可调度数据中心的空间布局在多大程度上影响系统整体的成本波动和网络韧性？

主要发现

• 即使在中等风能渗透水平下，仍存在显著的弃风和弃用电力，风能渗透率达50%时，弃用电力可达风力发电量的83%。
• 将数据中心与风电场共址且采用不可调度负载，反而增加了弃用电力和化石燃料发电，削弱了RPS目标的实现。
• 可调度数据中心可将弃风减少高达44%，并降低平均电网成本，尤其在高风能水平下效果显著。
• 引入可调度负荷后，电网成本波动显著降低——标准差从基准的520万美元/天降至50%风能渗透水平下的360万美元/天。
• 当数据中心作为可调度负荷运行时，其容量利用率可达其满负荷容量的60–80%，主要得益于可利用的弃用风能。
• 在风能渗透率超过15%后，数据中心的容量利用率保持稳定且波动极小，表明在高比例可再生能源供电下具备可靠的运行能力。