并联型动态电压恢复器在数据中心电源系统中的应用

杜 翛，林 勇，李民跃，段 堤

（中国移动通信集团四川有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

随着市电供电的可靠性指标显著增强，根据能源局公布的数据，全国城市电网的供电可靠性普遍达到99.99%以上，导致数据中心双变换不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）的有效利用率小于0.01%。UPS长期无效工作造成电能的大量浪费，不利于数据中心电源使用效率（Power Usage Effectiveness，PUE）指标的降低。随着服务器开关电源技术的进步，服务器的允许工作电压范围达到340（-15%）～460 V（+115%），完全覆盖电力系统360（-10%）～428 V（+7%）的稳态电压偏移范围[1,2]。可以认为，中国电力系统供电品质的提高和开关电源技术的进步，使得间歇式工作的并联型动态电压调节器（Dynamic Voltage Regulator，DVR）技术在数据中心电源系统中的应用成为可能[3]。

1 并联型动态电压恢复器DVR技术

1.1 工作原理

并联型DVR工作原理如图1所示。

图1 并联型DVR工作原理图

并联型DVR共有4种工作模式，分别为电流源（Current Source，CS）模式、电压源（Voltage Source，VS）模式、快速切入模式和无缝退出模式[4,5]。4种模式轮换工作的方式如图2所示。

图2 并联型DVR各运行模式及切换关系

（1）CS模式。在CS模式下，并联型DVR实际上是一个受控电流源，根据预设目标进行有源滤波、无功补偿、三相电流不平衡矫正，同时对储能元件充放电控制。

（2）快速切入模式。电压暂降或中断时，并联型DVR进入快速切入模式，晶闸管被强迫关断，快速脱离市电电源，从而避免逆变器输出电压被市电钳位。

（3）VS模式。进入VS模式后，并联型DVR成为独立的电压源，通过后备电源（蓄电池组）逆变后实现不间断供电。

（4）无缝退出。当控制系统检测到市电电源恢复正常，并且恢复正常的持续时间大于等于预设时间后，装置进入无缝退出模式，逆变器以每周波不大于6°的调整步长，实现市电电压和逆变器输出电压的各项特征值完全匹配。

（5）当晶闸管两侧的电压匹配完成后，指令导通晶闸管，并联型DVR回到CS模式。

1.2 CS模式

CS模式下并联型DVR的控制策略如图3所示。

图3 CS模式下并联型DVR的控制策略

CS模式时，装置是一个受控电流源，根据预设有功、无功、谐波、电流不平衡度目标，分别计算A、B、C、N各相的参考电流值iref,k(k=a,b,c,n)，实际输出电流值ik采取比例调节器对参考电流iref,k的跟踪。upcc2,k为接入点的前馈电压，预设的比例系数2/Ud是对逆变器控制的线性放大环节进行的归一化处理。

1.3 快速电压检测

目前，市电电压快速检测方法主要包括峰值检测、基波分量检测、有效值检测以及小波变换方式的现代数字滤波检测法、数字矩阵检测法、瞬时无功功率分解法以及在其基础上的改进算法检测（dq分解法）等。其中，dq分解方法具有计算量比较少、响应速度快、抗干扰特性较好等特点，在实际工程实践中应用比较成熟。

对于三相电压信号，可根据dq变换得到其dq分量，公式为

则可得到：

dq变换将三相电压基频分量转换为直流分量，高次谐波则转换为相对应的交流分量；通过低通滤波器则可得到稳定的基波dq分量。对于不对称故障，可将dq分量低通滤波后逆变换为abc三相电压，再进行单相电压检测。由此可以降低滤波器的截止频率，减少低通滤波器的延时。这种方法需要用到锁相环，而锁相环也会引入一定延时。

在三相电压的软件锁相环中，采取同步旋转坐标变换的方法，将三相电压的静止坐标系变换为两相电压的α、β静止坐标系，然后经过旋转坐标变换得到相应的相位数位。具体过程如图4所示。

图4 软件锁相环流程

图4中：G（s）为环路上的滤波器，可以设置其为PI调节器；1/s为压控振荡器；ω0为电网的额定角频率。2个相位量的变换矩阵分别为

1.4 快速切入

在快速切入模式，逆变器快速输出电压来强迫关断双向晶闸管，必须确保引起的PCC2点电压暂态波动的幅值和持续时间足够小，那么这个快速关断过程对敏感负荷的影响就可以忽略不计。快速切入过程的等效电路如图5所示。

图5 快速切入模式下等效电路图

式中：i1为负载电流；ig为市电电源侧电流；if为逆变器的输出电流。逆变器输出电流的变化率为

由式（9）、式（10）可知，逆变器输出电流if的变化率Δif/Δt近似小电抗Lm上电流ig的变化率Δig/Δt，于是有Δif/Δt≈Δig/Δt。因此在电压控制模式下，通过控制滤波电抗器Lf两端的电压差Δu就可以达到控制其电流变化率的目的，进而控制小电抗上ig的电流下降速率，其关系式可表示为

式中：uINV为逆变器逆变桥的端口输出电压；upcc2为PCC2点电压。

快速切入的效果主要以晶闸管被强迫关断的时间Ts来评估，公式为

式中：igmax表示关断起始时刻流过晶闸管的电流峰值。

晶闸管被强迫关断还必须满足以下两个约束条件，分别为

完整的快速切入算法步骤如图6所示。

图6 快速切入算法步骤

2 数据中心的4种供电方式综合对比分析

UPS供电方式、高压直流供电方式、巴拿马电源供电方式以及并联型DVR供电方式如图7、图8、图9以及图10所示。

图7 UPS供电方式

图8 高压直流供电方式

图9 巴拿马电源供电方式

图10 并联型DVR供电方式

数据中心4种供电方式综合对比如表1所示。

表1 数据中心4种供电方式综合对比表

3 并联型动态电压恢复器DVR的现场运行情况

根据厂家提供的资料，并联型动态电压恢复器DVR最早于2011年在中国石化集团北京燕山石油化工有限公司以科技项目的形式得到应用。国家能源局在2013年颁布并实施了电力行业标准《动态电压恢复器技术规范》（DL/T 1229—2013）DVR在半导体、军工、航空航天、食品医药以及精密机械加工等行业得到广泛应用，技术已经较为成熟。该技术在运行中的损耗理论上仅表现为可控硅的压降和蓄电池的浮充，根据泰尔实验室、国家电控配电设备质量检验检测中心的测试报告，DVR的运行效率均高于99%，且受负载率的影响很小。

4 结 论

并联型DVR是已知电源方式中效率最高的技术，其独特的电流源/电压源快速切换工作方式可达到一机多能的效果，做到动态无功补偿设备、有源滤波设备、UPS三合一，进一步降低数据中心电源的投资，缩小设备的占地面积。同时，DVR实现了潮流的双向流动，使数据中心强大的电源能力得到利用，在新能源普及的未来，由数据中心构成的虚拟发电厂在电力系统中将发挥越来越重要的作用。