绿色数据中心直流供电系统的运行控制

孟明，卢玉舟，陈世超

(华北电力大学电力工程系，河北省保定市 071003)

绿色数据中心直流供电系统的运行控制

孟明，卢玉舟，陈世超

(华北电力大学电力工程系，河北省保定市 071003)

为了节能环保，减少数据中心机房建设成本，将新能源引入供电系统，形成绿色数据中心供电系统。介绍了现有的数据中心供电方式，分析了传统供电方式的不足。设计了含光伏发电、储能装置、交流电网、负荷的数据中心直流供电系统。根据母线电压稳定控制，将系统的运行划分为8种工作模式，结合系统运行模式和本地信息对各变换器进行相应控制，针对绿色数据中心直流供电系统提出相应的能量控制策略，协调控制系统的有功功率，保证系统供电可靠性。在Matlab/Simulink软件中分别对系统在并网和孤岛运行状态下构建了仿真模型，仿真结果验证了上述控制策略的可行性。

绿色数据中心；直流供电；节能；协调控制；可靠性

0 引 言

随着网络和信息技术的快速发展和成熟应用，电信、金融、石化、能源、教育等各行各业对数据处理的要求越来越高，作为海量数据承载和传输媒体的数据中心逐渐成为信息中心的枢纽。然而数据中心电力消耗亦呈现爆炸式增长势头，依据大型数据中心典型的能耗测试数据，数据中心电源供应系统的能耗大约占整个数据中心能耗的21%，而供给数据中心的电能大约只有1/3用在IT设备上，数据中心的能源利用效率较低[1]。IT设备最终使用的电能为直流，在数据中心设置统一的直流供电系统、直流供电架构有利于节能和绿色能源的接入。从节约数据中心投资、提升能效及减少污染等各个环节皆可取得良好的收益。巨大的用电容量给数据中心的建设和运营都带来了巨大的压力，所以数据中心的发展趋势必然是绿色数据中心，也同样要求建设合理的绿色数据中心供电系统，需要其保证供电安全可靠性、保证节能环保、保证维护管理方便和降低建设成本。

各个国家展开了针对解决庞大用电量的研究，包括接入新能源电源，改进供电技术和供电方式，研究配电、储能等的控制策略，采用更节能环保的新产品和新技术等[2]，当然还有对电量检测和分配的智能化管理系统的研究。文献[3]从数据中心供电系统上对一种市电和不间断电源(uninterruptible power system，UPS)双直供模式进行探讨，在考虑安全性的前提下，推荐了一种绿色节能、降低建设和运营成本、可实施的供电模式。文献[4]对几种传统数据中心不间断电源供电方式在成本和系统稳定性两方面进行比较，得出结论供企业选择。文献[5]提出了适应当前大型数据中心供电需要的分散式高压直流供电解决方案，并通过工程案例分析，验证了新型分散式高压直流供电系统的优越性。文献[6]介绍了240 V直流供电系统的设计理念，并分析了其系统优势，一定程度上满足了当前业界对大功率交流不间断供电的需求。加入新能源的绿色数据中心供电系统实际上是一个微网系统。目前，国内外对交流微电网的研究比较广泛，建立了许多示范工程。相比于交流微网，直流微网结构简单，电力电子装置少，能源利用率高，同时不存在频率和相位同步等问题[7]。目前，直流微网的协调控制主要有集中控制和分散控制两大类。集中控制有中央控制器，系统对通信联系有很强的依赖性。在分散控制系统中，各变换器不需要通信联系，“即插即用”，各变换器动作需要一定切换判据。文献[8-9]提出了以直流母线电压为控制信息的直流微网运行管理策略，讨论了孤岛模式下的多种工作模态及各变换器参与调节的作用。文献[10]使用集中控制维持直流微电网能量平衡，选取一个大容量发电单元维持母线电压，其余发电单元以电流源注入系统中。文献[11]介绍了一种使用风力发电作为可再生能源的直流微网协调方法，依照直流母线电压将系统划分为3种运行模式，有相应发电单元稳定各模式下直流母线电压。

现有文献大多研究改进式UPS供电系统以及传统数据中心交流、直流供电系统，对系统的运行控制研究很少。在此基础上，本文根据现有的文献资料，介绍现有的数据中心供电方式，分析传统供电方式的不足，进而将新能源应用到供电系统中；分析绿色数据中心的供电结构，设计含光伏发电、储能装置、交流电网、负荷的数据中心直流供电系统；根据母线电压稳定控制，将系统的运行划分为8种工作模式，结合系统运行模式和本地信息对各变换器进行相应控制，协调控制系统的有功功率，保证系统供电可靠性。

1 传统数据中心供电系统结构

1.1 UPS供电系统解决方案

传统的数据中心的电源系统是UPS系统，由整流器、逆变器、蓄电池等组成，当电网正常供电时，电网电压经整流器变换为直流电，再经逆变器变换为交流电供给负载。当电网掉电时，蓄电池经过逆变器变换为交流电供给负载，主要有3种供电方式[12]。

(1)串联热备份UPS供电方式。图1为串联热备份UPS供电系统。如图1所示，串联热备份UPS供电方式为2个UPS串联，但由于旁路开关的控制，其中只有1个UPS对负载供电，2个UPS互为备份，消除了单点故障，但存在超载能力差、备机老化不均等问题。

图1 串联热备份UPS供电系统

(2)冗余并联UPS供电方式。图2为冗余并联UPS供电系统。冗余并联UPS供电系统可以实现负载均分，其中任意一台UPS发生故障，均可以进行在线切除，也可以将备份UPS在线投入运行，这种供电方式可以实现容量扩充。

(3)双总线UPS供电方式。图3为双总线UPS供电系统。双总线UPS供电方式提供2路独立的供电母线给双电源负载供电，再通过静态转换开关(static transfer switch，STS)提供给单电源负载，如图3所示。这种供电方式消除了单点故障，但由于增加了STS和同步控制器(load bus synchronization，LBS)，又增加了故障点。

1.2 传统数据中心交流母线供电系统结构

目前传统的数据中心供电系统结构如图4所示。电网是系统唯一的电能来源，系统采用交流母线，为了实现不间断供电，交流UPS连接了电网与母线，电网经过整流器、逆变器连接到交流母线，蓄电池接在逆变器的前端。当电网正常供电时，电网通过整流器、逆变器向负载供电并给蓄电池充电；当电网发生故障时，蓄电池通过逆变器向负载供电。从图4中可以看出，系统中的大多数设备都是直流供电，直流设备前端需要整流器将交流电压转换成直流电压，从电网到直流负载的电能变换顺序为交直交直，电能每一次变换就会产生功率损耗，并且中间环节的增多会降低系统的可靠性。因此，电能变换环节冗余是传统数据中心交流母线供电系统结构存在的主要问题[13]。

图3 双总线UPS供电系统

图4 传统数据中心交流母线供电系统结构

1.3 传统数据中心直流母线供电系统结构

1.3.1 48 V低压直流母线供电结构

图5为48 V低压直流母线分布式供电结构，该供电结构在通信系统得到了广泛的应用[14]。电网通过功率因数校正器(power factor correction，PFC)、DC/DC变换器连接到48 V直流母线上，再通过DC/DC变换器、电压调节模块给负载供电。通信设备大部分都需要直流供电。但48 V直流母线结构存在的最大缺点是效率不高，因为传输相同的功率，电压越低，相应的电流就会越大。尤其是大功率场合，会导致48 V母线到配电系统的损耗较大，且所需要的电缆线径粗，数量多，不仅增加了系统成本，还占用了空间。

图5 48 V低压直流母线供电结构

1.3.2 380 V高压直流母线供电结构

图6为380 V高压直流母线供电结构。因其高效率、高可靠性等优点，高压直流母线供电结构在传统数据中心中已得到了广泛的应用。美国伯克利实验室的研究表明，与效率最高的交流供电系统相比，在数据中心中采用380 V直流分布式系统，其能耗将降低7.2%；而与一般的交流系统相比，能耗将降低28.2%[15]。日本学者Akiyoshi Fukui等阐述了400 V直流供电系统在数据中心的应用，将通信的48 V直流供电系统与数据中心中的交流供电系统进行对比，证实了直流电的优势。但由于数据中心处理的信息量越来越大，采用48 V供配电损耗将会很大，而采用 400 V直流更为高效和可靠。文献[16]以一个网络数据中心为模型，将220 V交流供电系统与300 V直流供电系统在相同的负载下进行了效率对比，得出了300 V直流系统效率比220 V交流系统要高出15%的结论。

图6 380 V高压直流母线供电结构

2 绿色数据中心直流供电系统结构

图7为绿色数据中心高压直流母线供电系统。光伏电池、电网、蓄电池通过各自的接口单元接到380 V直流母线上，再通过DC/DC变换器变换为负载所需的电压。光伏电池等新能源发出的电都是直流电，而数据中心的大部分负载都是需要直流供电的，采用交流母线需要先将新能源发出的直流电进行逆变，在经过整流给用电设备供电。在交流母线和直流母线2种情况下，对比光伏电池的输出给直流负载供电时的损耗，采用直流母线可以减少DC/DC以及AC/DC这2个功率变换器，从而提高了配电效率。从图7可以看出直流母线在绿色数据中心显示出的优势比传统数据中心更加明显。与低压直流母线相比，高压直流母线具有电缆用量少、电能传输效率高等优点[17]。

图7 绿色数据中心直流供电系统结构

图7中：Ppv表示光伏发电总功率；Pbat表示蓄电池的充放电功率；Pload表示负荷消耗总功率；Pgrid表示直流系统和交流电网交换功率。2组光伏发电单元通过DC/DC变换器将电能输入直流系统；蓄电池通过双向DC/DC对直流系统充放电；交流电网通过双向AC/DC实现与直流系统的能量交换。

3 绿色数据中心供电系统能量管理

3.1 绿色数据中心供电系统工作模式及能量管理

380 V直流母线上接有新能源、电网以及储能装置，母线电压Udc的大小以及变化趋势可以大致反映系统的能量状况[18]。若直流母线电压升高，则系统输入能量大于输出能量；反之系统输入能量小于输出能量。因此，对系统母线电压控制来实现系统能量供需平衡。该系统的能量来源有3个独立微源：交流电网、储能装置(蓄电池)和光伏电池。直流母线电压的稳定需要各微源的协调控制。综合系统在并网和孤岛运行状态、系统负荷需求和蓄电池状态，将系统的运行状态划分为8种工作模式。

(1)工作模式1：电网发生故障，光伏电池和蓄电池同时工作仍然不足以提供负载所需的能量，按照负载的优先级别，切除部分负载，保留关键负载。

(2)工作模式2：电网正常工作，光伏和蓄电池同时运行不足以提供负载所需能量，电网提供不足能量。在该模式下，电网接口变换器工作在整流状态，稳定直流母线电压；光伏接口变换器工作在最大功率跟踪模式(maximum power point tracking，MPPT)；蓄电池接口单元工作在升压模式或者待机。

(3)工作模式3：电网正常工作，光伏和蓄电池同时运行足以提供负载所需能量。在该模式下，电网接口变换器工作在限流模式或者不工作；光伏接口变换器工作在MPPT模式；蓄电池接口单元工作在升压模式，稳定直流母线电压。

(4)工作模式4：光伏运行足以提供负载所需能量，多余能量给蓄电池充电。在该模式下，电网接口变换器不工作；光伏接口变换器工作在MPPT模式；蓄电池接口单元工作在降压模式，稳定直流母线电压。

(5)工作模式5：光伏运行足以提供负载所需能量，同时蓄电池已充满电，剩余能量回馈到电网。在该模式下，电网接口变换器运行在逆变模式，稳定直流母线电压；光伏接口变换器工作在MPPT模式；蓄电池接口单元限流充电或者待机。

(6)工作模式6：电网发生故障，光伏运行足以提供负载所需能量，同时蓄电池已充满电。在该模式下，电网接口变换器不工作；光伏接口变换器退出MPPT模式，稳定直流母线电压；蓄电池接口单元不工作。

(7)工作模式7：电网发生故障，光伏电池发电不足以提供负载所需能量，光伏工作在MPPT模式，蓄电池工作在放电稳压模式。

(8)工作模式8：电网发生故障，光伏电池发电足以提供负载所需能量，光伏工作在MPPT模式，蓄电池工作在充电稳压模式。

3.2 绿色数据中心供电系统运行控制策略

3.2.1 直流母线与电网接口单元的控制策略

图8 直流母线与电网接口单元的控制框图

3.2.2 光伏接口单元控制策略

图9 光伏接口单元控制框图

3.2.3 储能变换器控制策略

图10 储能变换器控制框图

4 仿真结果及分析

针对绿色数据中心直流供电系统结构，在Matlab/simulink软件系统构建了仿真模型，对系统运行时的工作模式及模式间的切换进行了仿真验证。基于分布式电源功率变化，负载功率变换及电网故障等因素，仿真设定直流母线电压值为380 V，PV1和PV2在标准条件(温度为25 ℃，光照强度为1 kW/m2)下，最大功率分别是3.5 kW和2.1 kW，充电上限荷电状态(state of charge，SOC)值为90.000 0%，放电下限SOC值为40.000 2%。用L1、L2、L3、L4表示负载，其优先级依次降低。系统的工作方式分为并网和孤岛模式。为了清楚直观地呈现仿真结果，以下分别对并网模式和孤岛模式进行仿真。

4.1 并网模式

并网模式下系统的工作模式状态仿真结果如图11所示。开始时，PV1光照强度始终为1 kW/m2，PV2光照强度为0.75 kW/m2。光伏电池工作在MPPT模式，L1接入系统，光伏电池发电功率大于负载需要的功率，蓄电池充满电，系统工作在模式5。在0.3 s时，PV1光照强度由1 kW/m2减少到0.4 kW/m2，此时光伏电池发出的功率等于负载需求功率，系统工作在正常状态，交流电网变换器不工作。在0.6 s时，PV1光照强度增加到1 kW/m2，同时接入L2、L3，PV的输出功率小于负载需求功率，电网整流稳压，系统工作在模式2。在0.9 s时，L4接入系统，电网输出功率达到上限，网侧变换器限流，蓄电池放电稳压，系统工作在模式3。在1.3 s时，PV2光照强度增加到 1.2 kW/m2，同时切除L2、L4。此时光伏发出的功率大于负载需求的功率，网侧变换器工作在逆变稳压状态，蓄电池恒流充电，系统工作在模式5。

4.2 孤岛模式

孤岛模式下系统的工作模式状态仿真结果如图12所示。开始时，PV1光照强度始终为1 kW/m2，PV2光照强度为0.75 kW/m2，L1、L2接入系统，光伏电池发电功率正好满足负载需要的功率，此时系统平衡，蓄电池处于待机状态，光伏电池处于MPPT模式。在0.4 s时，L3、L4接入系统，同时切除L1、L2，此时光伏电池发出的功率大于负载需求功率，蓄电池充电稳压，系统工作在模式8。在0.6 s时，PV2光照强度由0.75 kW/m2增加到1 kW/m2，PV的输出功率增加，蓄电池仍然充电稳压，系统工作在模式8。在0.9 s时，蓄电池充电达到上限，避免过度充电，蓄电池停止工作，此时PV2由MPPT模式转换到稳压控制模式，系统工作在模式6。在1.2 s时，L1接入系统，此时光伏发出的功率小于负载需求的功率，蓄电池放电稳压，同时PV2切换到MPPT模式，系统工作在模式7。在1.5 s时，L2接入系统，蓄电池继续放电，系统仍然工作在模式7。

图11 并网模式仿真结果

图12 孤岛模式仿真结果

图13对系统工作模式1进行仿真验证。蓄电池初始限SOC值为40.001 5%，开始时，负载L1、L2和L4接入系统，此时，光伏电池发电功率小于负载需求功率，系统工作在模式7，蓄电池放电稳压。当SOC下降到放电下限时，蓄电池停止工作，为了维持系统母线电压稳定，切除负载L4。此时，光伏发电功率大于负载需求，直流母线电压升高，一段时间后系统切换到工作模式8，蓄电池充电稳压，维持母线电压稳定。

图13 切负荷运行仿真结果

5 结 论

本文介绍了传统的数据中心供电方式，将新能源引入供电系统，形成绿色数据中心供电系统，设计了含光伏发电、储能装置、交流电网、负荷的数据中心直流供电系统。根据母线电压稳定控制，将系统的运行划分为8种工作模式。在Matlab/simulink软件系统构建了仿真模型，给出了光伏电池、储能装置和网侧接口的控制方法，对系统在并网和孤岛模式下的运行情况进行了合理分析，得出了以下结论。

(1)设置蓄电池充放电上下限，避免蓄电池过度充放电，延长蓄电池使用寿命，同时保证系统供电可靠性。

(2)光伏发电单元在MPPT和稳压控制模式，网侧变流器应用稳压和限流控制，蓄电池在稳压、恒流、待机模式下，数据中心直流供电系统能够协调控制，系统可在2种运行方式和8种工作模式下，实现平滑切换，从而保证直流母线电压在允许范围内稳定运行，保证直流供电系统的可靠性，能量得到最优利用，将新能源引入数据中心供电系统中，实现了节能，减少了数据中心机房的建设成本。

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(编辑 景贺峰)

Operation Control of DC Power Supply System in Green Data Center

MENG Ming, LU Yuzhou, CHEN Shichao

(School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

To save energy and protect environment and reduce the apparatus room construction cost of data center, this paper introduces new energy into the power supply system and establishes the power supply system of green data center. This paper introduces the existing data center power supply modes, analyzes the deficiency of the traditional power supply mode, and designs DC power supply system of data center including PV generation, energy storage device, AC grid and load. On the basis of bus voltage stability control, the system operation is divided into eight operating modes to control the corresponding converter according to system operating mode and local information. This paper proposes the energy control strategy for the DC power supply system of green data center, which can ensure the reliability of power supply by coordinating and controlling the active power. Via Matlab/Simulink software, the simulation models of system are built respectively under grid-connection and grid-disconnection operations, the result of which verifies the feasibility of the proposes control strategy.

green data center; DC power supply; energy saving; coordinated control; reliability

TM 71

A

1000-7229(2016)10-0033-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.005

2016-05-26

孟明(1967)，男，博士，副教授，主要研究方向为新能源发电、智能微电网、电机与控制等；

卢玉舟(1990)，男，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电、智能微电网；

陈世超(1991)，男，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电、智能微电网。