綠色數(shù)據(jù)中心的供電運(yùn)行控制和能量管理

柏 晨 ，王念春 ，卓 青

（1.東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210096；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京 210096；3.蘇州西門子電器有限公司，蘇州 215129）

近年來全球性環(huán)境愈發(fā)惡化，能源緊張、氣候變暖等問題迫在眉睫，深入適用大型數(shù)據(jù)中心的供電技術(shù)研究，提高數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行穩(wěn)定性和節(jié)能減排能力是改善經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)約社會資源的迫切需要，建設(shè)“綠色數(shù)據(jù)中心”成為數(shù)據(jù)中心發(fā)展的必然趨勢。高壓直流HVDC（high voltage direct current）不間斷供電源 UPS（uninterruptible power supply）供電技術(shù)相比交流UPS供電技術(shù)在電能可靠性和能效方面具有更卓越的性能優(yōu)勢，受到國內(nèi)外專家學(xué)者和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)運(yùn)營商的青睞，在通信領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸廣泛。數(shù)據(jù)中心采用高壓直流UPS供電系統(tǒng)，也為分布式新能源的接入提供了便利[2]。

數(shù)據(jù)中心直流UPS供電系統(tǒng)加入可再生能源后相當(dāng)于一個(gè)直流微網(wǎng)，其重要特點(diǎn)是直流母線電壓的變化反映功率的波動(dòng)，控制母線電壓即可維持系統(tǒng)的功率平衡，不存在頻率和相位同步等問題，控制策略更加靈活可靠[3～4]。直流微網(wǎng)的運(yùn)行控制技術(shù)主要有分散控制、集中控制以及結(jié)合2種控制的分層控制架構(gòu)[5～6]。在分散控制系統(tǒng)中，各變換器間不需要通信，僅依照一定切換判據(jù)對各變換器控制模式作切換。通過中央控制器可實(shí)現(xiàn)集中控制，系統(tǒng)運(yùn)行完全依賴互聯(lián)通信。文獻(xiàn)[7]提出一種層次控制架構(gòu)，在母線控制層，各模塊的變流器根據(jù)母線電壓自適應(yīng)模式切換，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)功率平衡，并在調(diào)度管理層對系統(tǒng)整體優(yōu)化。

本文針對數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，對其運(yùn)行控制和能量管理策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)中心能耗在MW級，不可能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)高碳電能，需要以電網(wǎng)配給為主，配合負(fù)載調(diào)度分配策略可對綠色能源最大化利用來降低碳排放量[1]?？刂撇呗约骖櫹到y(tǒng)并網(wǎng)和孤島2種運(yùn)行方式，依據(jù)直流母線電壓決定系統(tǒng)工作模式和模態(tài)切換，并仿真驗(yàn)證了其運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性。

1 綠色能源直流供電系統(tǒng)分層控制和能量管理

使用清潔新能源以減少碳排放實(shí)現(xiàn) “綠色計(jì)算”，需研究數(shù)據(jù)中心高壓直流UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略。分析系統(tǒng)運(yùn)行的各種工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)中綠色能源發(fā)電、儲能系統(tǒng)、負(fù)荷和電網(wǎng)等環(huán)節(jié)控制機(jī)制，協(xié)調(diào)各個(gè)換流器并對系統(tǒng)能量進(jìn)行管理，以保證運(yùn)行穩(wěn)定性和優(yōu)化能源利用[8]?；诓煌臅r(shí)間尺度和控制目標(biāo)，將高壓直流UPS系統(tǒng)的運(yùn)行控制劃分為設(shè)備級控制和系統(tǒng)級控制策略，如圖1所示。

圖1 新能源數(shù)據(jù)中心高壓直流UPS供電系統(tǒng)Fig.1 HVDC UPS system used in new energy data center

1.1 設(shè)備級控制功能

太陽能與數(shù)據(jù)中心負(fù)載都是在白天達(dá)到峰值，具有較佳的匹配性；且光伏電池發(fā)出直流電通過DC/DC變換器，可直接接在高壓直流UPS供電系統(tǒng)的直流母線上。故本文采用光伏發(fā)電為數(shù)據(jù)中心提供清潔新能源，新能源數(shù)據(jù)中心高壓直流UPS供電系統(tǒng)如圖1所示[14]。光伏陣列經(jīng)boost直流變換器將光伏電能升壓并注入直流母線，為提高可再生能源利用率，一般工作在最大功率跟蹤MPPT（maximum power point tracking）模式，在光伏模塊控制母線電壓的工作狀態(tài)下進(jìn)行穩(wěn)壓控制。磷酸鐵鋰電池作為儲能設(shè)備經(jīng)雙向Boost-Buck直流變換器與直流母線相連，可調(diào)節(jié)母線電壓和平抑能量波動(dòng)。同時(shí)，直流母線通過雙向AC/DC變換器并入配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)的功率交換，市電正常運(yùn)行時(shí)變換器根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行要求工作在整流或逆變模式下，以穩(wěn)定直流母線電壓。

設(shè)備級控制需實(shí)現(xiàn)2個(gè)控制目標(biāo)[9～10]。首先，各換流器自身的控制器根據(jù)其輸入/輸出的電氣量，完成相應(yīng)功率源（光伏陣列、儲能電池和電網(wǎng)）的不同工作狀態(tài)功能，使其可局部自律。在此基礎(chǔ)上實(shí)施直流母線電壓控制，協(xié)調(diào)控制各換流器的工作狀態(tài)切換，確保直流供電系統(tǒng)電壓在一定的范圍內(nèi)，維持系統(tǒng)功率平衡。數(shù)據(jù)中心計(jì)算負(fù)荷的變化以及光伏新能源的發(fā)電量波動(dòng)都會破壞功率平衡情況，造成直流母線電壓的振蕩，影響IT設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行和壽命。作為基礎(chǔ)控制的設(shè)備級控制策略需解決綠色能源可靠接入和靈活發(fā)電的問題。

1.2 系統(tǒng)級控制功能

位于上層的系統(tǒng)級控制策略主要功能是處理直流供電系統(tǒng)的能量優(yōu)化任務(wù)，通過互聯(lián)通信對系統(tǒng)各控制單元集中管理，在較大時(shí)間尺度上提高可再生能源利用率、儲能設(shè)備狀態(tài)管理、計(jì)算負(fù)荷控制及與電網(wǎng)交換功率的靈活調(diào)度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用電成本、能源利用和碳排放的優(yōu)化[11]。

系統(tǒng)級控制在滿足數(shù)據(jù)中心服務(wù)性能質(zhì)量QoS（quality of service）或服務(wù)等級協(xié)議 SLA（service-level agreement）的約束下[12]，設(shè)計(jì)以安全穩(wěn)定和能源優(yōu)化利用為中心的負(fù)荷分配方式和任務(wù)運(yùn)行模式，推動(dòng)綠色數(shù)據(jù)中心快速發(fā)展。

2 設(shè)備級運(yùn)行控制策略

2.1 供電系統(tǒng)的工作模式及切換分析

數(shù)據(jù)中心服務(wù)器等IT設(shè)備要求7×24 h不間斷運(yùn)行，電網(wǎng)正常供電時(shí)高壓直流UPS供電系統(tǒng)處于并網(wǎng)運(yùn)行方式，電網(wǎng)供電故障系統(tǒng)切換到孤島運(yùn)行方式[13]。孤島運(yùn)行方式下，光伏發(fā)電作為供電系統(tǒng)的主要功率支撐，依據(jù)直流母線電壓分為3種工作模式：儲能電池放電穩(wěn)壓、光伏陣列降功率恒壓控制和儲能電池恒流充電。

供電系統(tǒng)運(yùn)行中，PPV為光伏陣列發(fā)電功率，PBat為儲能電池充放電功率，PL為計(jì)算負(fù)荷功率，PG為電網(wǎng)與直流供電系統(tǒng)交換功率。Udc和Udcn分別表示供電直流母線的實(shí)際電壓和額定工作電壓，系統(tǒng)運(yùn)行控制考慮儲能電池的容量裕度參數(shù)SOC。2種運(yùn)行方式4種工作模式具體如下。

（1）工作模式1。供電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，并網(wǎng)換流器工作在整流或逆變模式將直流母線電壓維持在額定值Udcn，光伏陣列工作在MPPT狀態(tài)。儲能電池SOC＜90%則為其恒流充電，充電完畢后切換至待機(jī)模式。當(dāng)光伏發(fā)電功率PPV＜PL+PBat，并網(wǎng)換流器整流運(yùn)行；否則，并網(wǎng)換流器逆變將多余電能回饋至電網(wǎng)。

（2）工作模式2。供電系統(tǒng)孤島運(yùn)行，并網(wǎng)換流器斷開，光伏陣列工作在MPPT狀態(tài)。為避免鋰電池頻繁動(dòng)作，當(dāng)直流母線電壓在額定值Udcn附近波動(dòng)時(shí)，儲能電池待機(jī)。當(dāng)光伏發(fā)電功率PPV＞PL直流母線電壓上升到1.02 Udcn時(shí)，儲能電池恒流充電，調(diào)整母線電壓。

（3）工作模式3。供電系統(tǒng)孤島運(yùn)行，并網(wǎng)換流器斷開，光伏陣列工作在MPPT狀態(tài)，此時(shí)PPV＜PL直流母線電壓降低。系統(tǒng)功率缺額由儲能電池提供，鋰電池工作在穩(wěn)壓放電模式將電壓穩(wěn)定在0.95 Udcn。

（4)工作模式4。供電系統(tǒng)孤島運(yùn)行，并網(wǎng)換流器斷開，當(dāng)光伏發(fā)電功率PPV＞PL時(shí)出現(xiàn)功率剩余，當(dāng)直流母線電壓持續(xù)升高至1.05 Udcn，光伏陣列工作于降功率狀態(tài)，控制系統(tǒng)電壓恒定于1.05 Udcn。磷酸鋰電池未充滿，則繼續(xù)充電。

電網(wǎng)故障切換到孤島運(yùn)行方式后，立即啟動(dòng)后備柴油機(jī)或其他后備電源，此間由儲能鋰電池提供不間斷電源，系統(tǒng)建設(shè)時(shí)會考慮儲能設(shè)備的容量裕度，不考慮切負(fù)荷運(yùn)行模式。各變換器在4種工作模式下的工作狀態(tài)如表1所示。

表1 各變換器的工作狀態(tài)Tab.1 Working states of each converter

根據(jù)數(shù)據(jù)中心直流UPS供電系統(tǒng)母線電壓控制功率源的不同，將其分為了上述4種運(yùn)行模式，圖2描述了各模式間的切換關(guān)系。

系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行一般情況在工作模式1；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)切換至工作模式2；當(dāng)模式2下電網(wǎng)或其他交流電源恢復(fù)供應(yīng)，系統(tǒng)切回模式1轉(zhuǎn)由并網(wǎng)變流器穩(wěn)定母線電壓。

孤島運(yùn)行方式下，通過設(shè)置供電系統(tǒng)直流母線臨界電壓劃分為3種工作模式。并網(wǎng)轉(zhuǎn)換至孤島運(yùn)行的瞬間系統(tǒng)工作在模式2，若此時(shí)PPV與PL基本平衡，系統(tǒng)會持續(xù)工作在該模式2下；當(dāng)PPV＞PL且電壓上升到1.02Udcn時(shí)，鋰電池恒流充電調(diào)節(jié)母線電壓，當(dāng)電壓繼續(xù)上升到1.05Udcn時(shí)轉(zhuǎn)入工作模式4，光伏陣列降功率穩(wěn)壓運(yùn)行，儲能電池達(dá)充電極限則停止待機(jī)；當(dāng)PPV＜PL且電壓下降到0.95Udcn時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到工作模式3，光伏陣列仍工作在MPPT狀態(tài)，儲能電池切換到穩(wěn)壓放電狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)工作模式轉(zhuǎn)換Fig.2 Conversion between system working modes

孤島運(yùn)行在工作模式3和工作模式4時(shí)，電網(wǎng)或其他交流電源恢復(fù)供應(yīng)，系統(tǒng)切回工作模式1，轉(zhuǎn)由并網(wǎng)變流器穩(wěn)定母線電壓。

2.2 變換器控制

2.2.1 光伏Boost變換器

光伏陣列變換器有MPPT和降功率穩(wěn)壓2種工作狀態(tài)，光伏變換器控制框圖如圖3所示。MPPT控制的實(shí)現(xiàn)采用在光伏陣列與數(shù)據(jù)中心供電直流母線間加上具有MPPT功能Boost變換器的方式，結(jié)合相應(yīng)的MPPT算法完成最大功率點(diǎn)跟蹤，跟蹤過程如圖3（a）所示，MPPT算法得到的最大功率點(diǎn)處對應(yīng)的光伏電池輸出電壓參考值，與光伏陣列的實(shí)際輸出電壓Upv相減得到的差值信號由PI調(diào)節(jié)器補(bǔ)償后進(jìn)行PWM變換，轉(zhuǎn)換為占空比信號，控制Boost電路開關(guān)管的開斷。圖中Upv和Ipv分別為光伏陣列輸出的電壓和電流。

圖3 光伏變換器控制框圖Fig.3 Control block diagram of photovoltaic converter

光伏換流器降功率穩(wěn)壓工作的控制流程如圖3（b）所示，直流母線實(shí)際電壓Udc與光伏穩(wěn)壓控制參考電壓1.05Udcn比較，其差值經(jīng)PI控制器補(bǔ)償，調(diào)節(jié)Boost變換器開關(guān)管控制信號的占空比，形成負(fù)反饋，將直流母線電壓穩(wěn)定在1.05Udcn。

2.2.2 儲能雙向Boost-Buck直流變換器

儲能電池通過雙向Boost-Buck變換器實(shí)現(xiàn)充放電功能，分為Boost穩(wěn)壓放電狀態(tài)和Buck恒流充電狀態(tài)。穩(wěn)壓放電控制流程如圖4（a）所示，采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的雙環(huán)控制器[18]。直流母線實(shí)際電壓Udc與儲能電池穩(wěn)壓控制參考電壓0.95Udcn比較，得到的電壓差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器補(bǔ)償后作為電流內(nèi)環(huán)的參考值，與電感電流實(shí)際值iBat比較，得到的電流誤差經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)，輸出值調(diào)制成PWM波控制變流器中開關(guān)管通斷。恒流充電控制流程如圖4（b）所示，采用單電流環(huán)PI控制將充電電流穩(wěn)定在設(shè)定值。

圖4 儲能變換器控制框圖Fig.4 Control block diagram of energy storage converter

因雙向直流變流器Boost狀態(tài)和Buck狀態(tài)的小信號模型不同，需分別建模并設(shè)計(jì)PI參數(shù)。在Boost穩(wěn)壓放電控制時(shí)需對電感電流iBat限幅，設(shè)定放電電流極限值。另外，考慮儲能鋰電池的荷電狀態(tài)，避免過充放電對電池造成損害，當(dāng)SOC＞90%或SOC＜30%時(shí)直流雙向變換器閉鎖，鋰電池處于待機(jī)狀態(tài)。

2.2.3 網(wǎng)側(cè)DC/AC雙向變換器

雙向DC/AC變換器連接電網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心直流供電系統(tǒng)，通過基于電流前饋解耦的雙環(huán)控制工作在整流和逆變2種狀態(tài)，以維持系統(tǒng)功率平衡，控制流程如圖5所示。其中，ig和ug分別為交流側(cè)相電流和相電壓，ud、uq和 id、iq分別表示相電壓和相電流的d軸、q軸分量。

圖5 網(wǎng)側(cè)雙向變換器控制框圖Fig.5 Control block diagram of grid-side bidirectional converter

2個(gè)電流量分別與對方發(fā)生耦合，引入電流前饋控制將其解耦。電壓外環(huán)起穩(wěn)定直流母線電壓作用，其輸出為電流環(huán)的輸入?yún)⒖夹盘?；電流?nèi)環(huán)借助鎖相環(huán)PLL控制可以調(diào)節(jié)功率流動(dòng)方向以及功率因數(shù)大小。

3 系統(tǒng)級控制和能量管理

系統(tǒng)級控制對系統(tǒng)進(jìn)行綜合監(jiān)控和集中管理，根據(jù)數(shù)據(jù)中心計(jì)算任務(wù)類型（如交互式任務(wù)和批處理任務(wù)）以及量的變化、可再生能源發(fā)電預(yù)測和儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)等信息，通過與電網(wǎng)交互、使用儲能設(shè)備和IT設(shè)備能耗需求管理等方法優(yōu)化供電系統(tǒng)綠色能源使用情況[15-16]。需要在滿足各種內(nèi)外部約束條件下制定高壓直流UPS供電系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度策略，合理的運(yùn)行控制和能量管理策略是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及綠色新能源有效利用的重要保障。

在分布式電力供應(yīng)體系中，綠色新能源的利用方式分為變流上網(wǎng)和直接利用。將可再生能源發(fā)電接入電網(wǎng)的方式，便于能源的二次分配和利用，提高了新能源發(fā)電的質(zhì)量。直接利用可以減少供電的中間環(huán)節(jié)的能量損失，能源使用更高效，但需配備大量的儲能裝置協(xié)同應(yīng)用，以平抑新能源的波動(dòng)。對于數(shù)據(jù)中心這個(gè)特定的應(yīng)用場合，更高效利用可再生新能源的辦法是進(jìn)行IT設(shè)備能耗需求管理，根據(jù)新能源的預(yù)測發(fā)電量來合理調(diào)度作業(yè)任務(wù)，匹配能耗需求以緩和新能源供電的可變性。數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備的能耗管理方法包括能量感知的資源分配和任務(wù)調(diào)度、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制和虛擬機(jī)遷移整合等[17]，依據(jù)計(jì)算負(fù)載類型的不同設(shè)計(jì)能耗管理策略盡量減少新能源發(fā)電逆變上網(wǎng)和工作模式4運(yùn)行的情況，提高新能源利用率。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

本文在Matlab/Simulink仿真平臺中搭建如圖1所示的新能源數(shù)據(jù)中心高壓直流UPS供電系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證系統(tǒng)不同運(yùn)行方式下不同工作模式之間的轉(zhuǎn)換。各功率單元參數(shù)如下：光伏陣列在溫度25℃、日照強(qiáng)度1 000 W/m2下最大發(fā)電功率為4 048 W，最大功率點(diǎn)輸出電壓為105 V；儲能鋰電池額定電壓為200 V，標(biāo)稱容量為6.5 A·h。直流供電系統(tǒng)額定工作電壓為320 V，孤島運(yùn)行工作模式切換的臨界電壓分別是304 V和336 V。

4種工作模式的具體仿真結(jié)果分別如圖6～圖9所示，仿真中儲能電池模塊電流為正時(shí)表示其處于放電狀態(tài)。

4.1 工作模式1

高壓直流UPS供電系統(tǒng)在工作模式1下的運(yùn)行情況如圖6所示。系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行網(wǎng)側(cè)變換器整流運(yùn)行，向直流母線輸出功率，控制母線電壓穩(wěn)定在320 V。

圖6 工作模式1下系統(tǒng)運(yùn)行仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of system operation in working mode 1

光伏變換器處于MPPT工作狀態(tài)，當(dāng)儲能電池的SOC＜90%時(shí)，變換器工作在Buck恒流充電狀態(tài)。光伏發(fā)電和電網(wǎng)電能共同為鋰電池和負(fù)荷提供能量，維持向母線注入電流和從母線抽取電流的平衡。

4.2 工作模式2

并網(wǎng)運(yùn)行下市電突然發(fā)生故障，供電系統(tǒng)切換到孤島運(yùn)行方式，進(jìn)入工作模式2，IT設(shè)備能耗管理系統(tǒng)及時(shí)減小負(fù)載量，可延時(shí)批處理型任務(wù)的掛起，使之與光伏陣列MPPT輸出平衡。當(dāng)直流母線電壓隨負(fù)荷的輕微變化在額定值320 V附近波動(dòng)時(shí)，儲能變換器待機(jī)，若即時(shí)交互型負(fù)載增加，光伏MPPT輸出不足以支撐負(fù)載功率，即PPV＜PL，直流母線電壓下降至304 V，供電系統(tǒng)切換到工作模式3。儲能變換器轉(zhuǎn)入Boost穩(wěn)壓放電狀態(tài)，補(bǔ)償系統(tǒng)功率缺額，將母線電壓穩(wěn)定在0.95Udcn，即304 V附近。系統(tǒng)由工作模式2切換到模式3的仿真波形如圖7所示，圖中UBat表示儲能電池輸出電壓。

圖7 工作模式2切換到模式3的系統(tǒng)運(yùn)行仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of system operation when switching from working mode 2 to 3

供電系統(tǒng)運(yùn)行在工作模式2下，服務(wù)器計(jì)算負(fù)載量減少，PPV＞PL，直流母線電壓上升到336 V，系統(tǒng)自然切換至工作模式4。鋰電池由待機(jī)轉(zhuǎn)入恒流充電狀態(tài)調(diào)節(jié)母線電壓，充電電流恒定在6 A。光伏變換器由MPPT狀態(tài)轉(zhuǎn)入降功率穩(wěn)壓運(yùn)行，維持母線電壓于0.95Udcn，即304 V附近。系統(tǒng)由工作模式2切換到模式4的仿真波形如圖8所示，圖中IBat表示儲能電池輸出電流。

4.3 工作模式3

圖8 工作模式2切換到模式4的系統(tǒng)運(yùn)行仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of system operation when switching from working mode 2 to 4

供電系統(tǒng)運(yùn)行于工作模式3時(shí)，儲能鋰電池放電荷電量SOC減小，數(shù)據(jù)中心啟動(dòng)后備柴油機(jī)保障系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。柴油機(jī)啟動(dòng)完成或電網(wǎng)故障解除后，高壓直流UPS供電系統(tǒng)由工作模式3切換至工作模式1，恢復(fù)孤島運(yùn)行階段因能耗管理而被延遲的批處理型任務(wù)，系統(tǒng)模式切換的仿真波形如圖9所示。光伏陣列依然運(yùn)行于MPPT狀態(tài)，鋰電池由穩(wěn)壓放電轉(zhuǎn)入恒流充電狀態(tài)，恢復(fù)故障備用能力。網(wǎng)側(cè)變流器整流輸出電能，起供電系統(tǒng)功率支撐作用。

圖9 工作模式3切換到模式1的系統(tǒng)運(yùn)行仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of system operation when switching from working mode 3 to 1

4.4 工作模式4

工作模式4是在數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)避免或少量出現(xiàn)的工作狀態(tài)，該狀態(tài)下會造成光伏新能源的浪費(fèi)，此時(shí)IT設(shè)備能耗管理系統(tǒng)應(yīng)增加服務(wù)器負(fù)載量，若仍處于孤島運(yùn)行方式則轉(zhuǎn)入工作模式2。若電網(wǎng)恢復(fù)工作則轉(zhuǎn)入工作模式1，系統(tǒng)模式切換的仿真波形如圖10所示。供電系統(tǒng)負(fù)荷量由2 600 W增加至7 400 W，光伏變換器也由降功率穩(wěn)壓狀態(tài)轉(zhuǎn)入MPPT模式，提高新能源利用。系統(tǒng)功率缺額由電網(wǎng)提供，將直流母線電壓維持在額定值 Udcn，即 320 V。

圖10 工作模式4切換到模式1的系統(tǒng)運(yùn)行仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of system operation when switching from working mode 4 to 1

5 結(jié)語

采用高壓直流UPS供電技術(shù)的數(shù)據(jù)中心引入可再生能源形成直流微網(wǎng)供電系統(tǒng)。本文借鑒了已有微網(wǎng)控制的研究，結(jié)合數(shù)據(jù)中心計(jì)算負(fù)荷的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了分層控制的系統(tǒng)運(yùn)行和能量管理策略，依照不同的時(shí)間尺度和控制目標(biāo)建立了設(shè)備級和系統(tǒng)級兩層控制結(jié)構(gòu)。設(shè)備級運(yùn)行控制中根據(jù)直流母線電壓以及并網(wǎng)情況，劃分4種工作模式并決定各微源接口變換器的工作狀態(tài)。給出了各變換器控制方法，在Matlab/Simulink平臺建模仿真驗(yàn)證控制策略有效性。

通過仿真結(jié)果和理論分析可得：在設(shè)備級控制層，外部環(huán)境或負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)可以在不同工作模式下平滑切換，保證了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性；在系統(tǒng)級控制層，結(jié)合IT設(shè)備的負(fù)載管理方法實(shí)現(xiàn)“綠色計(jì)算”，達(dá)到整體優(yōu)化。