绿色数据中心的供电运行控制和能量管理分析

摘要：把可再生能源引进数据中心HVDC UPS供电网，产生直流微网供电形式，由此规划了一种分层结构运行控制与能量控制措施，目的在于實现系统稳定运转及能量合理使用。微网通过电力系统、光伏发电系统、储能电板与数据中心计算荷载构成，设备级管理考量并网与孤岛两种运转形式分成四种运行模式。系统级管理经从上至下的调度决策完善运转，在供电网控制措施中根据数据中心能耗控制方法尽量完善能源管理。

关键词：绿色数据中心;供电系统;运行管理;能源管控

近几年，全球性生态问题越来越严峻，能源短缺、气温变暖等情况十分紧迫，积极采用大型数据库的供电系统探究，提升数据中心运转可靠性及节能降耗性能是提高经济利润、节省社会资源的根本需求，创建“绿色数据中心”是数据中心未来的发展方向。HVDC UPS供电网相较于交流UPS供电网在电能稳定性及能效层面有更显著的性能优点，受到国内外相关学者及互联网信息经营商的认可，在通讯行业的使用越来越普遍。数据中心选择HVDC UPS 供电网，也给分布式新能源的引入带来了方便。

绿色能源HVDC UPS供电网分层控制及能量控制分析

1.1设备级管理功能

光伏能和数据中心负荷均是在白日出现峰值，存在良好的匹配性;同时，光伏电板传出直流电基于DC/DC转换器，能够直接接入HVDC UPS供电网直流母线上。所以，文章选择光伏发电给数据中心带来干净的新能源。光伏列阵通过boost直流转换器把光伏电能增压并接入直流母线，为加大可再生能源使用效率，通常运行在MPPT系统下，在光伏模块管理母线电压的运行状态实现稳压操控。LiFePO4电池是储能设施通过双向boost-buck直流转换器和直流母线连接，能调整母线电压即平抑能量变化。而且，直流母线经双向AC/DC转换器并入配电系统，完成和大电力系统的功能转换，市电稳定运转时转换器按照系统运转需要运行于整流和逆变形式下，由此稳固直流母线供电压力。

1.2系统级管理功能

处在上层的系统级管理措施主要功能在于解决直流供电网的能量完善工作，经互联通讯统一管控系统每个控制结构，在最大时间尺度方面提升可再生能源使用效率、储能设施状态控制、计算负载管理并和电力系统转换功率的灵活调节，得到系统用电费用、能源应用及碳排放的改善。

系统级管理在符合数据中心QoS或SLA的制约下，规划以安全可靠与能量优化应用为核心的负载形式及任务运转方式，促进绿色数据中心繁荣发展。

设备级运转管理对策

2.1供电网的运行模式与转换介绍

（1）运行模式1：供电网并网运转，并网换流器运转于整流和逆变模式下，把直流母线电压控制在额定系数，光伏列阵运行于MPPT模式下。储能电板SOC<90%就为其恒流充电，充电结束后转变到待机状态。当光伏发电功率PBat+PL>PpV时，并网换流器整流工作;否则，并网换流器逆变把多余能量回馈到电力系统。

（2）运行模式2：供电网孤岛工作，并网换流器阻断，光伏列阵运行于MPPT模式下。为防止LiFePO4电池反复运行，当直流母线压力于额定值周围变化时，储能电板待机。如果光伏发电功率PL

（3）运行模式3：供电网孤岛运转，并网换流器阻断，光伏列阵运行于MPPT模式下，这时PL>PpV直流母线压力下降[1]。供电网功率缺额通过储能电板供应，LiFePO4电池运行于稳压放电状态下把电压固定在0.95Uden。

（4）运行模式4：供电网孤岛运转，并网换流器阻断，光伏发电功率PL

2.2转换器管理

光伏boost转换器

光伏列阵转换器包含MPPT与降功率稳压两个运行模式。MPPT管理的实现选择在光伏列阵和数据中心HVDC UPS母线上添加具备MPPT性能boost转换器的形式，根据相关的MPPT算法实现最大功率点追踪。MPPT算法计算出的最大功率点位置对应的光伏电板输出电压借鉴值，和光伏列阵的具体输出电压相减，获得的差值信号从P1调整器补偿后实现PWM转换，转变成占空比信号管理boost线路开关阀的开断。

储能双向Boost-buck直流转换器

储能电板经过双向Boost-buck转换器起到充放电作用，分成Boost稳压放电模式于buck恒流充电模式[2]。稳压放电模式采取电流内环与电压外环的双向管理，其直流母线基本电压和储能电板稳压管理参考电压对比，获得的电压差值通过P1调整器补偿后用作电流内环的借鉴值，相较于电感电流数值，获得的电流偏差通过电流P1调整，输出值调整为PWM波管理变流器内开关阀开断。

双向直流变流器Boost模式与buck模式的小信号模型不一样，要分别创模规划P1参数。在Boost稳压放电管理时要实现电感电流限幅，设置放电电流极限值。此外，考量储能锂电池的负载状态，防止过充放电时损坏电池，SOC超过90%或SOC低于30%时，直流双向转换器闭合，锂电池运行在待机模式下。

系统级管理及能量管理

系统级管理对系统展开整体监控与统一控制，按照数据中心计算工作种类和量的改变、可再生能量发电预计、储能结构荷电状态等数据，经过和电力系统交互、应用储能装置以及IT装置能耗需求控制等途径完善供电网绿色能源应用状况。要求在符合各种内外部制约状态下建立HVDC UPS供电网运转调度措施，科学的运行控制及能量管理措施是得到数据中心供电网安全可靠运转、绿色新能源合理使用的关键保证。

在分布式供电系统方面，绿色新能源的使用模式分成变流上网与直接应用。把可再生能源发电衔接电力系统的形式，方便能源的重新配置与使用，提升了新能源发电效果。直接应用能够降低供电中间过程的能耗、能源应用高效，但是要配置大型的储能设施协同使用以平抑新能源的变化[3]。针对数据中心这一特殊的使用场景，更高效使用可再生新能源的措施是加强IT设施能耗需求控制，按照新能源的预计发电量来科学调度工作任务、搭配能耗需求以改善新能源提供的可变性。绿色数据中心IT设施的能耗控制方法涉及能量感知的能源配置与任务调节、节点状态管理、虚拟机移动整合等，根据计算负荷种类的不同规划能耗控制措施尽可能削减新能源供电逆变上网与运行模式4的现象，提升新能源使用率。

结束语

采取HVDC UPS供电网的数据中心接入可再生能源产生直流微网供电网，文章基于现有微网管理研究根据绿色数据中心计量负载特征，规划了分层管理的供电网运行及能量控制措施，根据不同时间尺度及控制目标窗宽了设备级与系统级两类管理结构。设备级运行管理中按照直流母线电压和并网状况，分类四种运行模式且确定每个微源接口转换器的运行状态。

参考文献：

[1]柏晨，王念春，卓青.绿色数据中心的供电运行控制和能量管理[J/OL].电源学报：1-13[2020-04-07].

[2]孙心佩. 基于模型预测控制的绿色数据中心能量管理研究[D].国防科技大学，2017.

[3]卢玉舟. 数据中心直流供电系统研究[D].华北电力大学，2017.

作者简介：

刘庆文，（1985-），男，广西南宁人，壮族，本科，工程师，主要从事变电一次设计、数据中心供配电系统设计工作。