孟明，盧玉舟，陳世超

(華北電力大學(xué)電力工程系，河北省保定市 071003)

綠色數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)的運(yùn)行控制

孟明，盧玉舟，陳世超

(華北電力大學(xué)電力工程系，河北省保定市 071003)

為了節(jié)能環(huán)保，減少數(shù)據(jù)中心機(jī)房建設(shè)成本，將新能源引入供電系統(tǒng)，形成綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)。介紹了現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心供電方式，分析了傳統(tǒng)供電方式的不足。設(shè)計(jì)了含光伏發(fā)電、儲(chǔ)能裝置、交流電網(wǎng)、負(fù)荷的數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)。根據(jù)母線電壓穩(wěn)定控制，將系統(tǒng)的運(yùn)行劃分為8種工作模式，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行模式和本地信息對(duì)各變換器進(jìn)行相應(yīng)控制，針對(duì)綠色數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)提出相應(yīng)的能量控制策略，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有功功率，保證系統(tǒng)供電可靠性。在Matlab/Simulink軟件中分別對(duì)系統(tǒng)在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行狀態(tài)下構(gòu)建了仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述控制策略的可行性。

綠色數(shù)據(jù)中心；直流供電；節(jié)能；協(xié)調(diào)控制；可靠性

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的快速發(fā)展和成熟應(yīng)用，電信、金融、石化、能源、教育等各行各業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求越來越高，作為海量數(shù)據(jù)承載和傳輸媒體的數(shù)據(jù)中心逐漸成為信息中心的樞紐。然而數(shù)據(jù)中心電力消耗亦呈現(xiàn)爆炸式增長勢頭，依據(jù)大型數(shù)據(jù)中心典型的能耗測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心電源供應(yīng)系統(tǒng)的能耗大約占整個(gè)數(shù)據(jù)中心能耗的21%，而供給數(shù)據(jù)中心的電能大約只有1/3用在IT設(shè)備上，數(shù)據(jù)中心的能源利用效率較低[1]。IT設(shè)備最終使用的電能為直流，在數(shù)據(jù)中心設(shè)置統(tǒng)一的直流供電系統(tǒng)、直流供電架構(gòu)有利于節(jié)能和綠色能源的接入。從節(jié)約數(shù)據(jù)中心投資、提升能效及減少污染等各個(gè)環(huán)節(jié)皆可取得良好的收益。巨大的用電容量給數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)營都帶來了巨大的壓力，所以數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢必然是綠色數(shù)據(jù)中心，也同樣要求建設(shè)合理的綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，需要其保證供電安全可靠性、保證節(jié)能環(huán)保、保證維護(hù)管理方便和降低建設(shè)成本。

各個(gè)國家展開了針對(duì)解決龐大用電量的研究，包括接入新能源電源，改進(jìn)供電技術(shù)和供電方式，研究配電、儲(chǔ)能等的控制策略，采用更節(jié)能環(huán)保的新產(chǎn)品和新技術(shù)等[2]，當(dāng)然還有對(duì)電量檢測和分配的智能化管理系統(tǒng)的研究。文獻(xiàn)[3]從數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)上對(duì)一種市電和不間斷電源(uninterruptible power system，UPS)雙直供模式進(jìn)行探討，在考慮安全性的前提下，推薦了一種綠色節(jié)能、降低建設(shè)和運(yùn)營成本、可實(shí)施的供電模式。文獻(xiàn)[4]對(duì)幾種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心不間斷電源供電方式在成本和系統(tǒng)穩(wěn)定性兩方面進(jìn)行比較，得出結(jié)論供企業(yè)選擇。文獻(xiàn)[5]提出了適應(yīng)當(dāng)前大型數(shù)據(jù)中心供電需要的分散式高壓直流供電解決方案，并通過工程案例分析，驗(yàn)證了新型分散式高壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[6]介紹了240 V直流供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，并分析了其系統(tǒng)優(yōu)勢，一定程度上滿足了當(dāng)前業(yè)界對(duì)大功率交流不間斷供電的需求。加入新能源的綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外對(duì)交流微電網(wǎng)的研究比較廣泛，建立了許多示范工程。相比于交流微網(wǎng)，直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，電力電子裝置少，能源利用率高，同時(shí)不存在頻率和相位同步等問題[7]。目前，直流微網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制主要有集中控制和分散控制兩大類。集中控制有中央控制器，系統(tǒng)對(duì)通信聯(lián)系有很強(qiáng)的依賴性。在分散控制系統(tǒng)中，各變換器不需要通信聯(lián)系，“即插即用”，各變換器動(dòng)作需要一定切換判據(jù)。文獻(xiàn)[8-9]提出了以直流母線電壓為控制信息的直流微網(wǎng)運(yùn)行管理策略，討論了孤島模式下的多種工作模態(tài)及各變換器參與調(diào)節(jié)的作用。文獻(xiàn)[10]使用集中控制維持直流微電網(wǎng)能量平衡，選取一個(gè)大容量發(fā)電單元維持母線電壓，其余發(fā)電單元以電流源注入系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[11]介紹了一種使用風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源的直流微網(wǎng)協(xié)調(diào)方法，依照直流母線電壓將系統(tǒng)劃分為3種運(yùn)行模式，有相應(yīng)發(fā)電單元穩(wěn)定各模式下直流母線電壓。

現(xiàn)有文獻(xiàn)大多研究改進(jìn)式UPS供電系統(tǒng)以及傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心交流、直流供電系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行控制研究很少。在此基礎(chǔ)上，本文根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料，介紹現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中心供電方式，分析傳統(tǒng)供電方式的不足，進(jìn)而將新能源應(yīng)用到供電系統(tǒng)中；分析綠色數(shù)據(jù)中心的供電結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)含光伏發(fā)電、儲(chǔ)能裝置、交流電網(wǎng)、負(fù)荷的數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)；根據(jù)母線電壓穩(wěn)定控制，將系統(tǒng)的運(yùn)行劃分為8種工作模式，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行模式和本地信息對(duì)各變換器進(jìn)行相應(yīng)控制，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有功功率，保證系統(tǒng)供電可靠性。

1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 UPS供電系統(tǒng)解決方案

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)是UPS系統(tǒng)，由整流器、逆變器、蓄電池等組成，當(dāng)電網(wǎng)正常供電時(shí)，電網(wǎng)電壓經(jīng)整流器變換為直流電，再經(jīng)逆變器變換為交流電供給負(fù)載。當(dāng)電網(wǎng)掉電時(shí)，蓄電池經(jīng)過逆變器變換為交流電供給負(fù)載，主要有3種供電方式[12]。

(1)串聯(lián)熱備份UPS供電方式。圖1為串聯(lián)熱備份UPS供電系統(tǒng)。如圖1所示，串聯(lián)熱備份UPS供電方式為2個(gè)UPS串聯(lián)，但由于旁路開關(guān)的控制，其中只有1個(gè)UPS對(duì)負(fù)載供電，2個(gè)UPS互為備份，消除了單點(diǎn)故障，但存在超載能力差、備機(jī)老化不均等問題。

圖1 串聯(lián)熱備份UPS供電系統(tǒng)

(2)冗余并聯(lián)UPS供電方式。圖2為冗余并聯(lián)UPS供電系統(tǒng)。冗余并聯(lián)UPS供電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分，其中任意一臺(tái)UPS發(fā)生故障，均可以進(jìn)行在線切除，也可以將備份UPS在線投入運(yùn)行，這種供電方式可以實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)充。

(3)雙總線UPS供電方式。圖3為雙總線UPS供電系統(tǒng)。雙總線UPS供電方式提供2路獨(dú)立的供電母線給雙電源負(fù)載供電，再通過靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(static transfer switch，STS)提供給單電源負(fù)載，如圖3所示。這種供電方式消除了單點(diǎn)故障，但由于增加了STS和同步控制器(load bus synchronization，LBS)，又增加了故障點(diǎn)。

1.2 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心交流母線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。電網(wǎng)是系統(tǒng)唯一的電能來源，系統(tǒng)采用交流母線，為了實(shí)現(xiàn)不間斷供電，交流UPS連接了電網(wǎng)與母線，電網(wǎng)經(jīng)過整流器、逆變器連接到交流母線，蓄電池接在逆變器的前端。當(dāng)電網(wǎng)正常供電時(shí)，電網(wǎng)通過整流器、逆變器向負(fù)載供電并給蓄電池充電；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，蓄電池通過逆變器向負(fù)載供電。從圖4中可以看出，系統(tǒng)中的大多數(shù)設(shè)備都是直流供電，直流設(shè)備前端需要整流器將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，從電網(wǎng)到直流負(fù)載的電能變換順序?yàn)榻恢苯恢?，電能每一次變換就會(huì)產(chǎn)生功率損耗，并且中間環(huán)節(jié)的增多會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。因此，電能變換環(huán)節(jié)冗余是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心交流母線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的主要問題[13]。

圖3 雙總線UPS供電系統(tǒng)

圖4 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心交流母線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心直流母線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3.1 48 V低壓直流母線供電結(jié)構(gòu)

圖5為48 V低壓直流母線分布式供電結(jié)構(gòu)，該供電結(jié)構(gòu)在通信系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用[14]。電網(wǎng)通過功率因數(shù)校正器(power factor correction，PFC)、DC/DC變換器連接到48 V直流母線上，再通過DC/DC變換器、電壓調(diào)節(jié)模塊給負(fù)載供電。通信設(shè)備大部分都需要直流供電。但48 V直流母線結(jié)構(gòu)存在的最大缺點(diǎn)是效率不高，因?yàn)閭鬏斚嗤墓β?，電壓越低，相?yīng)的電流就會(huì)越大。尤其是大功率場合，會(huì)導(dǎo)致48 V母線到配電系統(tǒng)的損耗較大，且所需要的電纜線徑粗，數(shù)量多，不僅增加了系統(tǒng)成本，還占用了空間。

圖5 48 V低壓直流母線供電結(jié)構(gòu)

1.3.2 380 V高壓直流母線供電結(jié)構(gòu)

圖6為380 V高壓直流母線供電結(jié)構(gòu)。因其高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，高壓直流母線供電結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心中已得到了廣泛的應(yīng)用。美國伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究表明，與效率最高的交流供電系統(tǒng)相比，在數(shù)據(jù)中心中采用380 V直流分布式系統(tǒng)，其能耗將降低7.2%；而與一般的交流系統(tǒng)相比，能耗將降低28.2%[15]。日本學(xué)者Akiyoshi Fukui等闡述了400 V直流供電系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用，將通信的48 V直流供電系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心中的交流供電系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了直流電的優(yōu)勢。但由于數(shù)據(jù)中心處理的信息量越來越大，采用48 V供配電損耗將會(huì)很大，而采用 400 V直流更為高效和可靠。文獻(xiàn)[16]以一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心為模型，將220 V交流供電系統(tǒng)與300 V直流供電系統(tǒng)在相同的負(fù)載下進(jìn)行了效率對(duì)比，得出了300 V直流系統(tǒng)效率比220 V交流系統(tǒng)要高出15%的結(jié)論。

圖6 380 V高壓直流母線供電結(jié)構(gòu)

2 綠色數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7為綠色數(shù)據(jù)中心高壓直流母線供電系統(tǒng)。光伏電池、電網(wǎng)、蓄電池通過各自的接口單元接到380 V直流母線上，再通過DC/DC變換器變換為負(fù)載所需的電壓。光伏電池等新能源發(fā)出的電都是直流電，而數(shù)據(jù)中心的大部分負(fù)載都是需要直流供電的，采用交流母線需要先將新能源發(fā)出的直流電進(jìn)行逆變，在經(jīng)過整流給用電設(shè)備供電。在交流母線和直流母線2種情況下，對(duì)比光伏電池的輸出給直流負(fù)載供電時(shí)的損耗，采用直流母線可以減少DC/DC以及AC/DC這2個(gè)功率變換器，從而提高了配電效率。從圖7可以看出直流母線在綠色數(shù)據(jù)中心顯示出的優(yōu)勢比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心更加明顯。與低壓直流母線相比，高壓直流母線具有電纜用量少、電能傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)[17]。

圖7 綠色數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖7中：Ppv表示光伏發(fā)電總功率；Pbat表示蓄電池的充放電功率；Pload表示負(fù)荷消耗總功率；Pgrid表示直流系統(tǒng)和交流電網(wǎng)交換功率。2組光伏發(fā)電單元通過DC/DC變換器將電能輸入直流系統(tǒng)；蓄電池通過雙向DC/DC對(duì)直流系統(tǒng)充放電；交流電網(wǎng)通過雙向AC/DC實(shí)現(xiàn)與直流系統(tǒng)的能量交換。

3 綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)能量管理

3.1 綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)工作模式及能量管理

380 V直流母線上接有新能源、電網(wǎng)以及儲(chǔ)能裝置，母線電壓Udc的大小以及變化趨勢可以大致反映系統(tǒng)的能量狀況[18]。若直流母線電壓升高，則系統(tǒng)輸入能量大于輸出能量；反之系統(tǒng)輸入能量小于輸出能量。因此，對(duì)系統(tǒng)母線電壓控制來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量供需平衡。該系統(tǒng)的能量來源有3個(gè)獨(dú)立微源：交流電網(wǎng)、儲(chǔ)能裝置(蓄電池)和光伏電池。直流母線電壓的穩(wěn)定需要各微源的協(xié)調(diào)控制。綜合系統(tǒng)在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)負(fù)荷需求和蓄電池狀態(tài)，將系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)劃分為8種工作模式。

(1)工作模式1：電網(wǎng)發(fā)生故障，光伏電池和蓄電池同時(shí)工作仍然不足以提供負(fù)載所需的能量，按照負(fù)載的優(yōu)先級(jí)別，切除部分負(fù)載，保留關(guān)鍵負(fù)載。

(2)工作模式2：電網(wǎng)正常工作，光伏和蓄電池同時(shí)運(yùn)行不足以提供負(fù)載所需能量，電網(wǎng)提供不足能量。在該模式下，電網(wǎng)接口變換器工作在整流狀態(tài)，穩(wěn)定直流母線電壓；光伏接口變換器工作在最大功率跟蹤模式(maximum power point tracking，MPPT)；蓄電池接口單元工作在升壓模式或者待機(jī)。

(3)工作模式3：電網(wǎng)正常工作，光伏和蓄電池同時(shí)運(yùn)行足以提供負(fù)載所需能量。在該模式下，電網(wǎng)接口變換器工作在限流模式或者不工作；光伏接口變換器工作在MPPT模式；蓄電池接口單元工作在升壓模式，穩(wěn)定直流母線電壓。

(4)工作模式4：光伏運(yùn)行足以提供負(fù)載所需能量，多余能量給蓄電池充電。在該模式下，電網(wǎng)接口變換器不工作；光伏接口變換器工作在MPPT模式；蓄電池接口單元工作在降壓模式，穩(wěn)定直流母線電壓。

(5)工作模式5：光伏運(yùn)行足以提供負(fù)載所需能量，同時(shí)蓄電池已充滿電，剩余能量回饋到電網(wǎng)。在該模式下，電網(wǎng)接口變換器運(yùn)行在逆變模式，穩(wěn)定直流母線電壓；光伏接口變換器工作在MPPT模式；蓄電池接口單元限流充電或者待機(jī)。

(6)工作模式6：電網(wǎng)發(fā)生故障，光伏運(yùn)行足以提供負(fù)載所需能量，同時(shí)蓄電池已充滿電。在該模式下，電網(wǎng)接口變換器不工作；光伏接口變換器退出MPPT模式，穩(wěn)定直流母線電壓；蓄電池接口單元不工作。

(7)工作模式7：電網(wǎng)發(fā)生故障，光伏電池發(fā)電不足以提供負(fù)載所需能量，光伏工作在MPPT模式，蓄電池工作在放電穩(wěn)壓模式。

(8)工作模式8：電網(wǎng)發(fā)生故障，光伏電池發(fā)電足以提供負(fù)載所需能量，光伏工作在MPPT模式，蓄電池工作在充電穩(wěn)壓模式。

3.2 綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

3.2.1 直流母線與電網(wǎng)接口單元的控制策略

圖8 直流母線與電網(wǎng)接口單元的控制框圖

3.2.2 光伏接口單元控制策略

圖9 光伏接口單元控制框圖

3.2.3 儲(chǔ)能變換器控制策略

圖10 儲(chǔ)能變換器控制框圖

4 仿真結(jié)果及分析

針對(duì)綠色數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在Matlab/simulink軟件系統(tǒng)構(gòu)建了仿真模型，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的工作模式及模式間的切換進(jìn)行了仿真驗(yàn)證?；诜植际诫娫垂β首兓?fù)載功率變換及電網(wǎng)故障等因素，仿真設(shè)定直流母線電壓值為380 V，PV1和PV2在標(biāo)準(zhǔn)條件(溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為1 kW/m2)下，最大功率分別是3.5 kW和2.1 kW，充電上限荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)值為90.000 0%，放電下限SOC值為40.000 2%。用L1、L2、L3、L4表示負(fù)載，其優(yōu)先級(jí)依次降低。系統(tǒng)的工作方式分為并網(wǎng)和孤島模式。為了清楚直觀地呈現(xiàn)仿真結(jié)果，以下分別對(duì)并網(wǎng)模式和孤島模式進(jìn)行仿真。

4.1 并網(wǎng)模式

并網(wǎng)模式下系統(tǒng)的工作模式狀態(tài)仿真結(jié)果如圖11所示。開始時(shí)，PV1光照強(qiáng)度始終為1 kW/m2，PV2光照強(qiáng)度為0.75 kW/m2。光伏電池工作在MPPT模式，L1接入系統(tǒng)，光伏電池發(fā)電功率大于負(fù)載需要的功率，蓄電池充滿電，系統(tǒng)工作在模式5。在0.3 s時(shí)，PV1光照強(qiáng)度由1 kW/m2減少到0.4 kW/m2，此時(shí)光伏電池發(fā)出的功率等于負(fù)載需求功率，系統(tǒng)工作在正常狀態(tài)，交流電網(wǎng)變換器不工作。在0.6 s時(shí)，PV1光照強(qiáng)度增加到1 kW/m2，同時(shí)接入L2、L3，PV的輸出功率小于負(fù)載需求功率，電網(wǎng)整流穩(wěn)壓，系統(tǒng)工作在模式2。在0.9 s時(shí)，L4接入系統(tǒng)，電網(wǎng)輸出功率達(dá)到上限，網(wǎng)側(cè)變換器限流，蓄電池放電穩(wěn)壓，系統(tǒng)工作在模式3。在1.3 s時(shí)，PV2光照強(qiáng)度增加到 1.2 kW/m2，同時(shí)切除L2、L4。此時(shí)光伏發(fā)出的功率大于負(fù)載需求的功率，網(wǎng)側(cè)變換器工作在逆變穩(wěn)壓狀態(tài)，蓄電池恒流充電，系統(tǒng)工作在模式5。

4.2 孤島模式

孤島模式下系統(tǒng)的工作模式狀態(tài)仿真結(jié)果如圖12所示。開始時(shí)，PV1光照強(qiáng)度始終為1 kW/m2，PV2光照強(qiáng)度為0.75 kW/m2，L1、L2接入系統(tǒng)，光伏電池發(fā)電功率正好滿足負(fù)載需要的功率，此時(shí)系統(tǒng)平衡，蓄電池處于待機(jī)狀態(tài)，光伏電池處于MPPT模式。在0.4 s時(shí)，L3、L4接入系統(tǒng)，同時(shí)切除L1、L2，此時(shí)光伏電池發(fā)出的功率大于負(fù)載需求功率，蓄電池充電穩(wěn)壓，系統(tǒng)工作在模式8。在0.6 s時(shí)，PV2光照強(qiáng)度由0.75 kW/m2增加到1 kW/m2，PV的輸出功率增加，蓄電池仍然充電穩(wěn)壓，系統(tǒng)工作在模式8。在0.9 s時(shí)，蓄電池充電達(dá)到上限，避免過度充電，蓄電池停止工作，此時(shí)PV2由MPPT模式轉(zhuǎn)換到穩(wěn)壓控制模式，系統(tǒng)工作在模式6。在1.2 s時(shí)，L1接入系統(tǒng)，此時(shí)光伏發(fā)出的功率小于負(fù)載需求的功率，蓄電池放電穩(wěn)壓，同時(shí)PV2切換到MPPT模式，系統(tǒng)工作在模式7。在1.5 s時(shí)，L2接入系統(tǒng)，蓄電池繼續(xù)放電，系統(tǒng)仍然工作在模式7。

圖11 并網(wǎng)模式仿真結(jié)果

圖12 孤島模式仿真結(jié)果

圖13對(duì)系統(tǒng)工作模式1進(jìn)行仿真驗(yàn)證。蓄電池初始限SOC值為40.001 5%，開始時(shí)，負(fù)載L1、L2和L4接入系統(tǒng)，此時(shí)，光伏電池發(fā)電功率小于負(fù)載需求功率，系統(tǒng)工作在模式7，蓄電池放電穩(wěn)壓。當(dāng)SOC下降到放電下限時(shí)，蓄電池停止工作，為了維持系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定，切除負(fù)載L4。此時(shí)，光伏發(fā)電功率大于負(fù)載需求，直流母線電壓升高，一段時(shí)間后系統(tǒng)切換到工作模式8，蓄電池充電穩(wěn)壓，維持母線電壓穩(wěn)定。

圖13 切負(fù)荷運(yùn)行仿真結(jié)果

5 結(jié) 論

本文介紹了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供電方式，將新能源引入供電系統(tǒng)，形成綠色數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了含光伏發(fā)電、儲(chǔ)能裝置、交流電網(wǎng)、負(fù)荷的數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)。根據(jù)母線電壓穩(wěn)定控制，將系統(tǒng)的運(yùn)行劃分為8種工作模式。在Matlab/simulink軟件系統(tǒng)構(gòu)建了仿真模型，給出了光伏電池、儲(chǔ)能裝置和網(wǎng)側(cè)接口的控制方法，對(duì)系統(tǒng)在并網(wǎng)和孤島模式下的運(yùn)行情況進(jìn)行了合理分析，得出了以下結(jié)論。

(1)設(shè)置蓄電池充放電上下限，避免蓄電池過度充放電，延長蓄電池使用壽命，同時(shí)保證系統(tǒng)供電可靠性。

(2)光伏發(fā)電單元在MPPT和穩(wěn)壓控制模式，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)用穩(wěn)壓和限流控制，蓄電池在穩(wěn)壓、恒流、待機(jī)模式下，數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)可在2種運(yùn)行方式和8種工作模式下，實(shí)現(xiàn)平滑切換，從而保證直流母線電壓在允許范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，保證直流供電系統(tǒng)的可靠性，能量得到最優(yōu)利用，將新能源引入數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，減少了數(shù)據(jù)中心機(jī)房的建設(shè)成本。

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(編輯 景賀峰)

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?yàn)樾履茉窗l(fā)電、智能微電網(wǎng)、電機(jī)與控制等；

盧玉舟(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電、智能微電網(wǎng)；

陳世超(1991)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電、智能微電網(wǎng)。