綠色數據中心直流供電系統的運行控制

孟明，盧玉舟，陳世超

(華北電力大學電力工程系，河北省保定市 071003)

綠色數據中心直流供電系統的運行控制

孟明，盧玉舟，陳世超

(華北電力大學電力工程系，河北省保定市 071003)

為了節能環保，減少數據中心機房建設成本，將新能源引入供電系統，形成綠色數據中心供電系統。介紹了現有的數據中心供電方式，分析了傳統供電方式的不足。設計了含光伏發電、儲能裝置、交流電網、負荷的數據中心直流供電系統。根據母線電壓穩定控制，將系統的運行劃分為8種工作模式，結合系統運行模式和本地信息對各變換器進行相應控制，針對綠色數據中心直流供電系統提出相應的能量控制策略，協調控制系統的有功功率，保證系統供電可靠性。在Matlab/Simulink軟件中分別對系統在并網和孤島運行狀態下構建了仿真模型，仿真結果驗證了上述控制策略的可行性。

綠色數據中心；直流供電；節能；協調控制；可靠性

0 引 言

隨著網絡和信息技術的快速發展和成熟應用，電信、金融、石化、能源、教育等各行各業對數據處理的要求越來越高，作為海量數據承載和傳輸媒體的數據中心逐漸成為信息中心的樞紐。然而數據中心電力消耗亦呈現爆炸式增長勢頭，依據大型數據中心典型的能耗測試數據，數據中心電源供應系統的能耗大約占整個數據中心能耗的21%，而供給數據中心的電能大約只有1/3用在IT設備上，數據中心的能源利用效率較低[1]。IT設備最終使用的電能為直流，在數據中心設置統一的直流供電系統、直流供電架構有利于節能和綠色能源的接入。從節約數據中心投資、提升能效及減少污染等各個環節皆可取得良好的收益。巨大的用電容量給數據中心的建設和運營都帶來了巨大的壓力，所以數據中心的發展趨勢必然是綠色數據中心，也同樣要求建設合理的綠色數據中心供電系統，需要其保證供電安全可靠性、保證節能環保、保證維護管理方便和降低建設成本。

各個國家展開了針對解決龐大用電量的研究，包括接入新能源電源，改進供電技術和供電方式，研究配電、儲能等的控制策略，采用更節能環保的新產品和新技術等[2]，當然還有對電量檢測和分配的智能化管理系統的研究。文獻[3]從數據中心供電系統上對一種市電和不間斷電源(uninterruptible power system，UPS)雙直供模式進行探討，在考慮安全性的前提下，推薦了一種綠色節能、降低建設和運營成本、可實施的供電模式。文獻[4]對幾種傳統數據中心不間斷電源供電方式在成本和系統穩定性兩方面進行比較，得出結論供企業選擇。文獻[5]提出了適應當前大型數據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，驗證了新型分散式高壓直流供電系統的優越性。文獻[6]介紹了240 V直流供電系統的設計理念，并分析了其系統優勢，一定程度上滿足了當前業界對大功率交流不間斷供電的需求。加入新能源的綠色數據中心供電系統實際上是一個微網系統。目前，國內外對交流微電網的研究比較廣泛，建立了許多示范工程。相比于交流微網，直流微網結構簡單，電力電子裝置少，能源利用率高，同時不存在頻率和相位同步等問題[7]。目前，直流微網的協調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，系統對通信聯系有很強的依賴性。在分散控制系統中，各變換器不需要通信聯系，“即插即用”，各變換器動作需要一定切換判據。文獻[8-9]提出了以直流母線電壓為控制信息的直流微網運行管理策略，討論了孤島模式下的多種工作模態及各變換器參與調節的作用。文獻[10]使用集中控制維持直流微電網能量平衡，選取一個大容量發電單元維持母線電壓，其余發電單元以電流源注入系統中。文獻[11]介紹了一種使用風力發電作為可再生能源的直流微網協調方法，依照直流母線電壓將系統劃分為3種運行模式，有相應發電單元穩定各模式下直流母線電壓。

現有文獻大多研究改進式UPS供電系統以及傳統數據中心交流、直流供電系統，對系統的運行控制研究很少。在此基礎上，本文根據現有的文獻資料，介紹現有的數據中心供電方式，分析傳統供電方式的不足，進而將新能源應用到供電系統中；分析綠色數據中心的供電結構，設計含光伏發電、儲能裝置、交流電網、負荷的數據中心直流供電系統；根據母線電壓穩定控制，將系統的運行劃分為8種工作模式，結合系統運行模式和本地信息對各變換器進行相應控制，協調控制系統的有功功率，保證系統供電可靠性。

1 傳統數據中心供電系統結構

1.1 UPS供電系統解決方案

傳統的數據中心的電源系統是UPS系統，由整流器、逆變器、蓄電池等組成，當電網正常供電時，電網電壓經整流器變換為直流電，再經逆變器變換為交流電供給負載。當電網掉電時，蓄電池經過逆變器變換為交流電供給負載，主要有3種供電方式[12]。

(1)串聯熱備份UPS供電方式。圖1為串聯熱備份UPS供電系統。如圖1所示，串聯熱備份UPS供電方式為2個UPS串聯，但由于旁路開關的控制，其中只有1個UPS對負載供電，2個UPS互為備份，消除了單點故障，但存在超載能力差、備機老化不均等問題。

圖1 串聯熱備份UPS供電系統

(2)冗余并聯UPS供電方式。圖2為冗余并聯UPS供電系統。冗余并聯UPS供電系統可以實現負載均分，其中任意一臺UPS發生故障，均可以進行在線切除，也可以將備份UPS在線投入運行，這種供電方式可以實現容量擴充。

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

1.2 傳統數據中心交流母線供電系統結構

目前傳統的數據中心供電系統結構如圖4所示。電網是系統唯一的電能來源，系統采用交流母線，為了實現不間斷供電，交流UPS連接了電網與母線，電網經過整流器、逆變器連接到交流母線，蓄電池接在逆變器的前端。當電網正常供電時，電網通過整流器、逆變器向負載供電并給蓄電池充電；當電網發生故障時，蓄電池通過逆變器向負載供電。從圖4中可以看出，系統中的大多數設備都是直流供電，直流設備前端需要整流器將交流電壓轉換成直流電壓，從電網到直流負載的電能變換順序為交直交直，電能每一次變換就會產生功率損耗，并且中間環節的增多會降低系統的可靠性。因此，電能變換環節冗余是傳統數據中心交流母線供電系統結構存在的主要問題[13]。

圖3 雙總線UPS供電系統

圖4 傳統數據中心交流母線供電系統結構

1.3 傳統數據中心直流母線供電系統結構

1.3.1 48 V低壓直流母線供電結構

圖5為48 V低壓直流母線分布式供電結構，該供電結構在通信系統得到了廣泛的應用[14]。電網通過功率因數校正器(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、電壓調節模塊給負載供電。通信設備大部分都需要直流供電。但48 V直流母線結構存在的最大缺點是效率不高，因為傳輸相同的功率，電壓越低，相應的電流就會越大。尤其是大功率場合，會導致48 V母線到配電系統的損耗較大，且所需要的電纜線徑粗，數量多，不僅增加了系統成本，還占用了空間。

圖5 48 V低壓直流母線供電結構

1.3.2 380 V高壓直流母線供電結構

圖6為380 V高壓直流母線供電結構。因其高效率、高可靠性等優點，高壓直流母線供電結構在傳統數據中心中已得到了廣泛的應用。美國伯克利實驗室的研究表明，與效率最高的交流供電系統相比，在數據中心中采用380 V直流分布式系統，其能耗將降低7.2%；而與一般的交流系統相比，能耗將降低28.2%[15]。日本學者Akiyoshi Fukui等闡述了400 V直流供電系統在數據中心的應用，將通信的48 V直流供電系統與數據中心中的交流供電系統進行對比，證實了直流電的優勢。但由于數據中心處理的信息量越來越大，采用48 V供配電損耗將會很大，而采用 400 V直流更為高效和可靠。文獻[16]以一個網絡數據中心為模型，將220 V交流供電系統與300 V直流供電系統在相同的負載下進行了效率對比，得出了300 V直流系統效率比220 V交流系統要高出15%的結論。

圖6 380 V高壓直流母線供電結構

2 綠色數據中心直流供電系統結構

圖7為綠色數據中心高壓直流母線供電系統。光伏電池、電網、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變換器變換為負載所需的電壓。光伏電池等新能源發出的電都是直流電，而數據中心的大部分負載都是需要直流供電的，采用交流母線需要先將新能源發出的直流電進行逆變，在經過整流給用電設備供電。在交流母線和直流母線2種情況下，對比光伏電池的輸出給直流負載供電時的損耗，采用直流母線可以減少DC/DC以及AC/DC這2個功率變換器，從而提高了配電效率。從圖7可以看出直流母線在綠色數據中心顯示出的優勢比傳統數據中心更加明顯。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點[17]。

圖7 綠色數據中心直流供電系統結構

圖7中：Ppv表示光伏發電總功率；Pbat表示蓄電池的充放電功率；Pload表示負荷消耗總功率；Pgrid表示直流系統和交流電網交換功率。2組光伏發電單元通過DC/DC變換器將電能輸入直流系統；蓄電池通過雙向DC/DC對直流系統充放電；交流電網通過雙向AC/DC實現與直流系統的能量交換。

3 綠色數據中心供電系統能量管理

3.1 綠色數據中心供電系統工作模式及能量管理

380 V直流母線上接有新能源、電網以及儲能裝置，母線電壓Udc的大小以及變化趨勢可以大致反映系統的能量狀況[18]。若直流母線電壓升高，則系統輸入能量大于輸出能量；反之系統輸入能量小于輸出能量。因此，對系統母線電壓控制來實現系統能量供需平衡。該系統的能量來源有3個獨立微源：交流電網、儲能裝置(蓄電池)和光伏電池。直流母線電壓的穩定需要各微源的協調控制。綜合系統在并網和孤島運行狀態、系統負荷需求和蓄電池狀態，將系統的運行狀態劃分為8種工作模式。

(1)工作模式1：電網發生故障，光伏電池和蓄電池同時工作仍然不足以提供負載所需的能量，按照負載的優先級別，切除部分負載，保留關鍵負載。

(2)工作模式2：電網正常工作，光伏和蓄電池同時運行不足以提供負載所需能量，電網提供不足能量。在該模式下，電網接口變換器工作在整流狀態，穩定直流母線電壓；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。

(3)工作模式3：電網正常工作，光伏和蓄電池同時運行足以提供負載所需能量。在該模式下，電網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，穩定直流母線電壓。

(4)工作模式4：光伏運行足以提供負載所需能量，多余能量給蓄電池充電。在該模式下，電網接口變換器不工作；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，穩定直流母線電壓。

(5)工作模式5：光伏運行足以提供負載所需能量，同時蓄電池已充滿電，剩余能量回饋到電網。在該模式下，電網接口變換器運行在逆變模式，穩定直流母線電壓；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。

(6)工作模式6：電網發生故障，光伏運行足以提供負載所需能量，同時蓄電池已充滿電。在該模式下，電網接口變換器不工作；光伏接口變換器退出MPPT模式，穩定直流母線電壓；蓄電池接口單元不工作。

(7)工作模式7：電網發生故障，光伏電池發電不足以提供負載所需能量，光伏工作在MPPT模式，蓄電池工作在放電穩壓模式。

(8)工作模式8：電網發生故障，光伏電池發電足以提供負載所需能量，光伏工作在MPPT模式，蓄電池工作在充電穩壓模式。

3.2 綠色數據中心供電系統運行控制策略

3.2.1 直流母線與電網接口單元的控制策略

圖8 直流母線與電網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 儲能變換器控制策略

圖10 儲能變換器控制框圖

4 仿真結果及分析

針對綠色數據中心直流供電系統結構，在Matlab/simulink軟件系統構建了仿真模型，對系統運行時的工作模式及模式間的切換進行了仿真驗證。基于分布式電源功率變化，負載功率變換及電網故障等因素，仿真設定直流母線電壓值為380 V，PV1和PV2在標準條件(溫度為25 ℃，光照強度為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(state of charge，SOC)值為90.000 0%，放電下限SOC值為40.000 2%。用L1、L2、L3、L4表示負載，其優先級依次降低。系統的工作方式分為并網和孤島模式。為了清楚直觀地呈現仿真結果，以下分別對并網模式和孤島模式進行仿真。

4.1 并網模式

并網模式下系統的工作模式狀態仿真結果如圖11所示。開始時，PV1光照強度始終為1 kW/m2，PV2光照強度為0.75 kW/m2。光伏電池工作在MPPT模式，L1接入系統，光伏電池發電功率大于負載需要的功率，蓄電池充滿電，系統工作在模式5。在0.3 s時，PV1光照強度由1 kW/m2減少到0.4 kW/m2，此時光伏電池發出的功率等于負載需求功率，系統工作在正常狀態，交流電網變換器不工作。在0.6 s時，PV1光照強度增加到1 kW/m2，同時接入L2、L3，PV的輸出功率小于負載需求功率，電網整流穩壓，系統工作在模式2。在0.9 s時，L4接入系統，電網輸出功率達到上限，網側變換器限流，蓄電池放電穩壓，系統工作在模式3。在1.3 s時，PV2光照強度增加到 1.2 kW/m2，同時切除L2、L4。此時光伏發出的功率大于負載需求的功率，網側變換器工作在逆變穩壓狀態，蓄電池恒流充電，系統工作在模式5。

4.2 孤島模式

孤島模式下系統的工作模式狀態仿真結果如圖12所示。開始時，PV1光照強度始終為1 kW/m2，PV2光照強度為0.75 kW/m2，L1、L2接入系統，光伏電池發電功率正好滿足負載需要的功率，此時系統平衡，蓄電池處于待機狀態，光伏電池處于MPPT模式。在0.4 s時，L3、L4接入系統，同時切除L1、L2，此時光伏電池發出的功率大于負載需求功率，蓄電池充電穩壓，系統工作在模式8。在0.6 s時，PV2光照強度由0.75 kW/m2增加到1 kW/m2，PV的輸出功率增加，蓄電池仍然充電穩壓，系統工作在模式8。在0.9 s時，蓄電池充電達到上限，避免過度充電，蓄電池停止工作，此時PV2由MPPT模式轉換到穩壓控制模式，系統工作在模式6。在1.2 s時，L1接入系統，此時光伏發出的功率小于負載需求的功率，蓄電池放電穩壓，同時PV2切換到MPPT模式，系統工作在模式7。在1.5 s時，L2接入系統，蓄電池繼續放電，系統仍然工作在模式7。

圖11 并網模式仿真結果

圖12 孤島模式仿真結果

圖13對系統工作模式1進行仿真驗證。蓄電池初始限SOC值為40.001 5%，開始時，負載L1、L2和L4接入系統，此時，光伏電池發電功率小于負載需求功率，系統工作在模式7，蓄電池放電穩壓。當SOC下降到放電下限時，蓄電池停止工作，為了維持系統母線電壓穩定，切除負載L4。此時，光伏發電功率大于負載需求，直流母線電壓升高，一段時間后系統切換到工作模式8，蓄電池充電穩壓，維持母線電壓穩定。

圖13 切負荷運行仿真結果

5 結 論

本文介紹了傳統的數據中心供電方式，將新能源引入供電系統，形成綠色數據中心供電系統，設計了含光伏發電、儲能裝置、交流電網、負荷的數據中心直流供電系統。根據母線電壓穩定控制，將系統的運行劃分為8種工作模式。在Matlab/simulink軟件系統構建了仿真模型，給出了光伏電池、儲能裝置和網側接口的控制方法，對系統在并網和孤島模式下的運行情況進行了合理分析，得出了以下結論。

(1)設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，同時保證系統供電可靠性。

(2)光伏發電單元在MPPT和穩壓控制模式，網側變流器應用穩壓和限流控制，蓄電池在穩壓、恒流、待機模式下，數據中心直流供電系統能夠協調控制，系統可在2種運行方式和8種工作模式下，實現平滑切換，從而保證直流母線電壓在允許范圍內穩定運行，保證直流供電系統的可靠性，能量得到最優利用，將新能源引入數據中心供電系統中，實現了節能，減少了數據中心機房的建設成本。

[1]尹忠東.數據中心直流供電系統[J].電氣時代，2014(4)：36-39.

[2]李紅軍，姜世公，王云飛，等.柔性直流配電網電壓等級選擇與數據中心工程設計實踐[J].電力建設，2016，37(5)：138-145. LI Hongjun，JIANG Shiyun，WANG Yunfei，et al.Voltage selection of VSC-DC distribution network and project design application on data center[J].Electric Power Construction，2016，37(5)：138-145.

[3]陳月琴，鮑寧遠，斯利.數據中心的市電和不間斷電源雙直供模式探析[J].電信快報，2013(10)：28-30.

[4]陳建東.數據中心供配電系統的冗余設計與分析[J].電子技術與軟件工程，2013(15)：114-115.

[5]魏華，衣斌，柳蕊.數據中心高壓直流供電架構的優化研究[J].通信電源技術，2014，31(3)：78-82. WEI Hua，YI Bin，LIU Rui.Research on the optimization of the high voltage DC power supply architecture in data center[J].Telecom Power Technology，2014，31(3)：78-82.

[6]趙廣超，潘立福，吳向陽，等.240 V直流供電系統在數據中心的應用研究[J].通信電源技術，2013，30(4)：19-21. ZHAO Guangchao，PAN Lifu，WU Xiangyang，et al.Research on the application of 240 V DC power supply system in data center[J].Telecom Power Technology，2013，30(4)：19-21.

[7]張碧涵，尹忠東，趙海森.低壓直流供電系統的電能質量綜合評估[J].電力建設，2016，37(5)：125-131. ZHANG Bihan，YIN Zhongdong，ZHAO Haisen. Power quality comprehensive evaluation for low-voltage DC power distribution system[J].Electric Power Construction，2016，37(5)：125-131.

[8]BRYAN J，DUKE R，ROUND S.Decentralized generator scheduling in a nanogrid using DC bus signaling[C]//2004 IEEE Power Engineering Society General Meeting.IEEE，2004：977-982.

[9]SCHONBERGERSCHONBERGER J，DUKE R，ROUND S D.DC-bus signaling：a distributed control strategy for a hybrid renewable nangrid[J].IEEE Transactionson Industrial Electronics，2006，53(5)：1453-1460.

[10]MARTINO M，QUINONES Y F，RABONI P，et al.Intelligentcontrol for a DC micro-grid system[C]//2012 47th International Universities Power Engineering Conference(UPEC).London：IEEE，2012：1-5.

[11]王毅，張麗榮，李和明，等.風電直流微網的電壓分層協調控制[J].中國電機工程學報，2013，33(4)：16-24. WANG Yi，ZHANG Lirong，LI Heming，et al.Hierarchical coordinated control of wind turbine-based DC microgrid[J].Proceedings of the CSEE，2013，33(4)：16-24.

[12]周志敏，紀愛華.數據中心UPS供電系統設計與故障處理[M].北京：電子工業出版社，2012：46-74.

[13]朱雄世.國外數據通信設備高壓直流供電新系統(下)[J].郵電設計技術，2009(5)：66-70. ZHU Xiongshi.New high voltage direct current power supply system for data communication equipment abroad(part two)[J].Designing Techniques of Posts and Telecommunications，2009(5)：66-70.

[14]朱雄世.國外數據通信設備高壓直流供電新系統(上)[J].郵電設計技術，2009(4)：67-70. ZHU Xiongshi.New high voltage direct current power supply system for data communication equipment abroad(part one)[J].Designing Techniques of Posts and Telecommunications，2009(4)：67-70.

[15]PRATT A，KUMAR P，ALDRIDGE T.Evaiuation of 400 V DC distribution in telco and data centers to improve energy efficiency[C]//INTELEC 07-29th International Telecommunications Energy Conference. Rome，Italy：IEEE，2007：32-39.

[16]KIM D H，YU T,KIM H，et al.300 V DC feed system for Internet data center[C]//2011 IEEE 8th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia(ICPE&ECCE). IEEE，2011：2352-2358.

[17]AKERLUND J，AF GENNAS C B，OHLSSON G, et al. One year operationof a 9 kW HVDC UPS 350 V at Gnesta Municipality data center[C]//INTELEC07-29th International Telecommunications Energy Conference. Rome，Italy：IEEE，2007：40-45.

[18]劉家贏，韓肖清，王磊，等.直流微電網運行控制策略[J].電網技術，2014，38(9)：2356-2362. LIU Jiayin，HAN Xiaoqing，WANG Lei，et al.Operation and control strategy of DC microgrid[J].Power System Technology，2014，38(9)：2356-2362.

[19]王皓界，韓民曉，孔啟祥.交直流混合微電網儲能DC/DC及接口換流器協調控制[J].電力建設，2016，37(5)：50-56. WANG Haojie，HAN Minxiao，KONG Qixiang.Coordinated control of energy storage DC/DC and interface converter in AC/DC hybrid microgrid[J].Electric Power Construction，2016，37(5)：50-56.

(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，主要研究方向為新能源發電、智能微電網、電機與控制等；

盧玉舟(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源發電、智能微電網；

陳世超(1991)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源發電、智能微電網。