綠色數(shù)據(jù)中心的供電運(yùn)行控制和能量管理分析

摘要：把可再生能源引進(jìn)數(shù)據(jù)中心HVDC UPS供電網(wǎng)，產(chǎn)生直流微網(wǎng)供電形式，由此規(guī)劃了一種分層結(jié)構(gòu)運(yùn)行控制與能量控制措施，目的在于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)及能量合理使用。微網(wǎng)通過電力系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能電板與數(shù)據(jù)中心計(jì)算荷載構(gòu)成，設(shè)備級(jí)管理考量并網(wǎng)與孤島兩種運(yùn)轉(zhuǎn)形式分成四種運(yùn)行模式。系統(tǒng)級(jí)管理經(jīng)從上至下的調(diào)度決策完善運(yùn)轉(zhuǎn)，在供電網(wǎng)控制措施中根據(jù)數(shù)據(jù)中心能耗控制方法盡量完善能源管理。

關(guān)鍵詞：綠色數(shù)據(jù)中心;供電系統(tǒng);運(yùn)行管理;能源管控

近幾年，全球性生態(tài)問題越來越嚴(yán)峻，能源短缺、氣溫變暖等情況十分緊迫，積極采用大型數(shù)據(jù)庫的供電系統(tǒng)探究，提升數(shù)據(jù)中心運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性及節(jié)能降耗性能是提高經(jīng)濟(jì)利潤、節(jié)省社會(huì)資源的根本需求，創(chuàng)建“綠色數(shù)據(jù)中心”是數(shù)據(jù)中心未來的發(fā)展方向。HVDC UPS供電網(wǎng)相較于交流UPS供電網(wǎng)在電能穩(wěn)定性及能效層面有更顯著的性能優(yōu)點(diǎn)，受到國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者及互聯(lián)網(wǎng)信息經(jīng)營商的認(rèn)可，在通訊行業(yè)的使用越來越普遍。數(shù)據(jù)中心選擇HVDC UPS 供電網(wǎng)，也給分布式新能源的引入帶來了方便。

綠色能源HVDC UPS供電網(wǎng)分層控制及能量控制分析

1.1設(shè)備級(jí)管理功能

光伏能和數(shù)據(jù)中心負(fù)荷均是在白日出現(xiàn)峰值，存在良好的匹配性;同時(shí)，光伏電板傳出直流電基于DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠直接接入HVDC UPS供電網(wǎng)直流母線上。所以，文章選擇光伏發(fā)電給數(shù)據(jù)中心帶來干凈的新能源。光伏列陣通過boost直流轉(zhuǎn)換器把光伏電能增壓并接入直流母線，為加大可再生能源使用效率，通常運(yùn)行在MPPT系統(tǒng)下，在光伏模塊管理母線電壓的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓操控。LiFePO4電池是儲(chǔ)能設(shè)施通過雙向boost-buck直流轉(zhuǎn)換器和直流母線連接，能調(diào)整母線電壓即平抑能量變化。而且，直流母線經(jīng)雙向AC/DC轉(zhuǎn)換器并入配電系統(tǒng)，完成和大電力系統(tǒng)的功能轉(zhuǎn)換，市電穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)換器按照系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)需要運(yùn)行于整流和逆變形式下，由此穩(wěn)固直流母線供電壓力。

1.2系統(tǒng)級(jí)管理功能

處在上層的系統(tǒng)級(jí)管理措施主要功能在于解決直流供電網(wǎng)的能量完善工作，經(jīng)互聯(lián)通訊統(tǒng)一管控系統(tǒng)每個(gè)控制結(jié)構(gòu)，在最大時(shí)間尺度方面提升可再生能源使用效率、儲(chǔ)能設(shè)施狀態(tài)控制、計(jì)算負(fù)載管理并和電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)換功率的靈活調(diào)節(jié)，得到系統(tǒng)用電費(fèi)用、能源應(yīng)用及碳排放的改善。

系統(tǒng)級(jí)管理在符合數(shù)據(jù)中心QoS或SLA的制約下，規(guī)劃以安全可靠與能量優(yōu)化應(yīng)用為核心的負(fù)載形式及任務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)方式，促進(jìn)綠色數(shù)據(jù)中心繁榮發(fā)展。

設(shè)備級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)管理對(duì)策

2.1供電網(wǎng)的運(yùn)行模式與轉(zhuǎn)換介紹

（1）運(yùn)行模式1：供電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并網(wǎng)換流器運(yùn)轉(zhuǎn)于整流和逆變模式下，把直流母線電壓控制在額定系數(shù)，光伏列陣運(yùn)行于MPPT模式下。儲(chǔ)能電板SOC<90%就為其恒流充電，充電結(jié)束后轉(zhuǎn)變到待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)光伏發(fā)電功率PBat+PL>PpV時(shí)，并網(wǎng)換流器整流工作;否則，并網(wǎng)換流器逆變把多余能量回饋到電力系統(tǒng)。

（2）運(yùn)行模式2：供電網(wǎng)孤島工作，并網(wǎng)換流器阻斷，光伏列陣運(yùn)行于MPPT模式下。為防止LiFePO4電池反復(fù)運(yùn)行，當(dāng)直流母線壓力于額定值周圍變化時(shí)，儲(chǔ)能電板待機(jī)。如果光伏發(fā)電功率PL

（3）運(yùn)行模式3：供電網(wǎng)孤島運(yùn)轉(zhuǎn)，并網(wǎng)換流器阻斷，光伏列陣運(yùn)行于MPPT模式下，這時(shí)PL>PpV直流母線壓力下降[1]。供電網(wǎng)功率缺額通過儲(chǔ)能電板供應(yīng)，LiFePO4電池運(yùn)行于穩(wěn)壓放電狀態(tài)下把電壓固定在0.95Uden。

（4）運(yùn)行模式4：供電網(wǎng)孤島運(yùn)轉(zhuǎn)，并網(wǎng)換流器阻斷，光伏發(fā)電功率PL

2.2轉(zhuǎn)換器管理

光伏boost轉(zhuǎn)換器

光伏列陣轉(zhuǎn)換器包含MPPT與降功率穩(wěn)壓兩個(gè)運(yùn)行模式。MPPT管理的實(shí)現(xiàn)選擇在光伏列陣和數(shù)據(jù)中心HVDC UPS母線上添加具備MPPT性能boost轉(zhuǎn)換器的形式，根據(jù)相關(guān)的MPPT算法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤。MPPT算法計(jì)算出的最大功率點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的光伏電板輸出電壓借鑒值，和光伏列陣的具體輸出電壓相減，獲得的差值信號(hào)從P1調(diào)整器補(bǔ)償后實(shí)現(xiàn)PWM轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成占空比信號(hào)管理boost線路開關(guān)閥的開斷。

儲(chǔ)能雙向Boost-buck直流轉(zhuǎn)換器

儲(chǔ)能電板經(jīng)過雙向Boost-buck轉(zhuǎn)換器起到充放電作用，分成Boost穩(wěn)壓放電模式于buck恒流充電模式[2]。穩(wěn)壓放電模式采取電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的雙向管理，其直流母線基本電壓和儲(chǔ)能電板穩(wěn)壓管理參考電壓對(duì)比，獲得的電壓差值通過P1調(diào)整器補(bǔ)償后用作電流內(nèi)環(huán)的借鑒值，相較于電感電流數(shù)值，獲得的電流偏差通過電流P1調(diào)整，輸出值調(diào)整為PWM波管理變流器內(nèi)開關(guān)閥開斷。

雙向直流變流器Boost模式與buck模式的小信號(hào)模型不一樣，要分別創(chuàng)模規(guī)劃P1參數(shù)。在Boost穩(wěn)壓放電管理時(shí)要實(shí)現(xiàn)電感電流限幅，設(shè)置放電電流極限值。此外，考量儲(chǔ)能鋰電池的負(fù)載狀態(tài)，防止過充放電時(shí)損壞電池，SOC超過90%或SOC低于30%時(shí)，直流雙向轉(zhuǎn)換器閉合，鋰電池運(yùn)行在待機(jī)模式下。

系統(tǒng)級(jí)管理及能量管理

系統(tǒng)級(jí)管理對(duì)系統(tǒng)展開整體監(jiān)控與統(tǒng)一控制，按照數(shù)據(jù)中心計(jì)算工作種類和量的改變、可再生能量發(fā)電預(yù)計(jì)、儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)荷電狀態(tài)等數(shù)據(jù)，經(jīng)過和電力系統(tǒng)交互、應(yīng)用儲(chǔ)能裝置以及IT裝置能耗需求控制等途徑完善供電網(wǎng)綠色能源應(yīng)用狀況。要求在符合各種內(nèi)外部制約狀態(tài)下建立HVDC UPS供電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)度措施，科學(xué)的運(yùn)行控制及能量管理措施是得到數(shù)據(jù)中心供電網(wǎng)安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)、綠色新能源合理使用的關(guān)鍵保證。

在分布式供電系統(tǒng)方面，綠色新能源的使用模式分成變流上網(wǎng)與直接應(yīng)用。把可再生能源發(fā)電銜接電力系統(tǒng)的形式，方便能源的重新配置與使用，提升了新能源發(fā)電效果。直接應(yīng)用能夠降低供電中間過程的能耗、能源應(yīng)用高效，但是要配置大型的儲(chǔ)能設(shè)施協(xié)同使用以平抑新能源的變化[3]。針對(duì)數(shù)據(jù)中心這一特殊的使用場景，更高效使用可再生新能源的措施是加強(qiáng)IT設(shè)施能耗需求控制，按照新能源的預(yù)計(jì)發(fā)電量來科學(xué)調(diào)度工作任務(wù)、搭配能耗需求以改善新能源提供的可變性。綠色數(shù)據(jù)中心IT設(shè)施的能耗控制方法涉及能量感知的能源配置與任務(wù)調(diào)節(jié)、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)管理、虛擬機(jī)移動(dòng)整合等，根據(jù)計(jì)算負(fù)荷種類的不同規(guī)劃能耗控制措施盡可能削減新能源供電逆變上網(wǎng)與運(yùn)行模式4的現(xiàn)象，提升新能源使用率。

結(jié)束語

采取HVDC UPS供電網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心接入可再生能源產(chǎn)生直流微網(wǎng)供電網(wǎng)，文章基于現(xiàn)有微網(wǎng)管理研究根據(jù)綠色數(shù)據(jù)中心計(jì)量負(fù)載特征，規(guī)劃了分層管理的供電網(wǎng)運(yùn)行及能量控制措施，根據(jù)不同時(shí)間尺度及控制目標(biāo)窗寬了設(shè)備級(jí)與系統(tǒng)級(jí)兩類管理結(jié)構(gòu)。設(shè)備級(jí)運(yùn)行管理中按照直流母線電壓和并網(wǎng)狀況，分類四種運(yùn)行模式且確定每個(gè)微源接口轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]柏晨，王念春，卓青.綠色數(shù)據(jù)中心的供電運(yùn)行控制和能量管理[J/OL].電源學(xué)報(bào)：1-13[2020-04-07].

[2]孫心佩. 基于模型預(yù)測控制的綠色數(shù)據(jù)中心能量管理研究[D].國防科技大學(xué)，2017.

[3]盧玉舟. 數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)研究[D].華北電力大學(xué)，2017.

作者簡介：

劉慶文，（1985-），男，廣西南寧人，壯族，本科，工程師，主要從事變電一次設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。