绿色数据中心的供电运行控制和能量管理

柏 晨 ，王念春 ，卓 青

（1.东南大学建筑设计研究院有限公司，南京 210096；2.东南大学电气工程学院，南京 210096；3.苏州西门子电器有限公司，苏州 215129）

近年来全球性环境愈发恶化，能源紧张、气候变暖等问题迫在眉睫，深入适用大型数据中心的供电技术研究，提高数据中心的运行稳定性和节能减排能力是改善经济效益、节约社会资源的迫切需要，建设“绿色数据中心”成为数据中心发展的必然趋势。高压直流HVDC（high voltage direct current）不间断供电源 UPS（uninterruptible power supply）供电技术相比交流UPS供电技术在电能可靠性和能效方面具有更卓越的性能优势，受到国内外专家学者和互联网数据运营商的青睐，在通信领域的应用逐渐广泛。数据中心采用高压直流UPS供电系统，也为分布式新能源的接入提供了便利[2]。

数据中心直流UPS供电系统加入可再生能源后相当于一个直流微网，其重要特点是直流母线电压的变化反映功率的波动，控制母线电压即可维持系统的功率平衡，不存在频率和相位同步等问题，控制策略更加灵活可靠[3～4]。直流微网的运行控制技术主要有分散控制、集中控制以及结合2种控制的分层控制架构[5～6]。在分散控制系统中，各变换器间不需要通信，仅依照一定切换判据对各变换器控制模式作切换。通过中央控制器可实现集中控制，系统运行完全依赖互联通信。文献[7]提出一种层次控制架构，在母线控制层，各模块的变流器根据母线电压自适应模式切换，协调控制系统功率平衡，并在调度管理层对系统整体优化。

本文针对数据中心供电系统的特点，对其运行控制和能量管理策略进行了设计。数据中心能耗在MW级，不可能完全代替传统高碳电能，需要以电网配给为主，配合负载调度分配策略可对绿色能源最大化利用来降低碳排放量[1]。控制策略兼顾系统并网和孤岛2种运行方式，依据直流母线电压决定系统工作模式和模态切换，并仿真验证了其运行的稳定可靠性。

1 绿色能源直流供电系统分层控制和能量管理

使用清洁新能源以减少碳排放实现 “绿色计算”，需研究数据中心高压直流UPS供电系统的运行控制策略。分析系统运行的各种工作状态，设计供电系统中绿色能源发电、储能系统、负荷和电网等环节控制机制，协调各个换流器并对系统能量进行管理，以保证运行稳定性和优化能源利用[8]。基于不同的时间尺度和控制目标，将高压直流UPS系统的运行控制划分为设备级控制和系统级控制策略，如图1所示。

图1 新能源数据中心高压直流UPS供电系统Fig.1 HVDC UPS system used in new energy data center

1.1 设备级控制功能

太阳能与数据中心负载都是在白天达到峰值，具有较佳的匹配性；且光伏电池发出直流电通过DC/DC变换器，可直接接在高压直流UPS供电系统的直流母线上。故本文采用光伏发电为数据中心提供清洁新能源，新能源数据中心高压直流UPS供电系统如图1所示[14]。光伏阵列经boost直流变换器将光伏电能升压并注入直流母线，为提高可再生能源利用率，一般工作在最大功率跟踪MPPT（maximum power point tracking）模式，在光伏模块控制母线电压的工作状态下进行稳压控制。磷酸铁锂电池作为储能设备经双向Boost-Buck直流变换器与直流母线相连，可调节母线电压和平抑能量波动。同时，直流母线通过双向AC/DC变换器并入配电网，实现与大电网的功率交换，市电正常运行时变换器根据系统运行要求工作在整流或逆变模式下，以稳定直流母线电压。

设备级控制需实现2个控制目标[9～10]。首先，各换流器自身的控制器根据其输入/输出的电气量，完成相应功率源（光伏阵列、储能电池和电网）的不同工作状态功能，使其可局部自律。在此基础上实施直流母线电压控制，协调控制各换流器的工作状态切换，确保直流供电系统电压在一定的范围内，维持系统功率平衡。数据中心计算负荷的变化以及光伏新能源的发电量波动都会破坏功率平衡情况，造成直流母线电压的振荡，影响IT设备的平稳运行和寿命。作为基础控制的设备级控制策略需解决绿色能源可靠接入和灵活发电的问题。

1.2 系统级控制功能

位于上层的系统级控制策略主要功能是处理直流供电系统的能量优化任务，通过互联通信对系统各控制单元集中管理，在较大时间尺度上提高可再生能源利用率、储能设备状态管理、计算负荷控制及与电网交换功率的灵活调度，实现系统用电成本、能源利用和碳排放的优化[11]。

系统级控制在满足数据中心服务性能质量QoS（quality of service）或服务等级协议 SLA（service-level agreement）的约束下[12]，设计以安全稳定和能源优化利用为中心的负荷分配方式和任务运行模式，推动绿色数据中心快速发展。

2 设备级运行控制策略

2.1 供电系统的工作模式及切换分析

数据中心服务器等IT设备要求7×24 h不间断运行，电网正常供电时高压直流UPS供电系统处于并网运行方式，电网供电故障系统切换到孤岛运行方式[13]。孤岛运行方式下，光伏发电作为供电系统的主要功率支撑，依据直流母线电压分为3种工作模式：储能电池放电稳压、光伏阵列降功率恒压控制和储能电池恒流充电。

供电系统运行中，PPV为光伏阵列发电功率，PBat为储能电池充放电功率，PL为计算负荷功率，PG为电网与直流供电系统交换功率。Udc和Udcn分别表示供电直流母线的实际电压和额定工作电压，系统运行控制考虑储能电池的容量裕度参数SOC。2种运行方式4种工作模式具体如下。

（1）工作模式1。供电系统并网运行，并网换流器工作在整流或逆变模式将直流母线电压维持在额定值Udcn，光伏阵列工作在MPPT状态。储能电池SOC＜90%则为其恒流充电，充电完毕后切换至待机模式。当光伏发电功率PPV＜PL+PBat，并网换流器整流运行；否则，并网换流器逆变将多余电能回馈至电网。

（2）工作模式2。供电系统孤岛运行，并网换流器断开，光伏阵列工作在MPPT状态。为避免锂电池频繁动作，当直流母线电压在额定值Udcn附近波动时，储能电池待机。当光伏发电功率PPV＞PL直流母线电压上升到1.02 Udcn时，储能电池恒流充电，调整母线电压。

（3）工作模式3。供电系统孤岛运行，并网换流器断开，光伏阵列工作在MPPT状态，此时PPV＜PL直流母线电压降低。系统功率缺额由储能电池提供，锂电池工作在稳压放电模式将电压稳定在0.95 Udcn。

（4)工作模式4。供电系统孤岛运行，并网换流器断开，当光伏发电功率PPV＞PL时出现功率剩余，当直流母线电压持续升高至1.05 Udcn，光伏阵列工作于降功率状态，控制系统电压恒定于1.05 Udcn。磷酸锂电池未充满，则继续充电。

电网故障切换到孤岛运行方式后，立即启动后备柴油机或其他后备电源，此间由储能锂电池提供不间断电源，系统建设时会考虑储能设备的容量裕度，不考虑切负荷运行模式。各变换器在4种工作模式下的工作状态如表1所示。

表1 各变换器的工作状态Tab.1 Working states of each converter

根据数据中心直流UPS供电系统母线电压控制功率源的不同，将其分为了上述4种运行模式，图2描述了各模式间的切换关系。

系统并网运行一般情况在工作模式1；当电网发生故障时系统切换至工作模式2；当模式2下电网或其他交流电源恢复供应，系统切回模式1转由并网变流器稳定母线电压。

孤岛运行方式下，通过设置供电系统直流母线临界电压划分为3种工作模式。并网转换至孤岛运行的瞬间系统工作在模式2，若此时PPV与PL基本平衡，系统会持续工作在该模式2下；当PPV＞PL且电压上升到1.02Udcn时，锂电池恒流充电调节母线电压，当电压继续上升到1.05Udcn时转入工作模式4，光伏阵列降功率稳压运行，储能电池达充电极限则停止待机；当PPV＜PL且电压下降到0.95Udcn时，系统转换到工作模式3，光伏阵列仍工作在MPPT状态，储能电池切换到稳压放电状态。

图2 系统工作模式转换Fig.2 Conversion between system working modes

孤岛运行在工作模式3和工作模式4时，电网或其他交流电源恢复供应，系统切回工作模式1，转由并网变流器稳定母线电压。

2.2 变换器控制

2.2.1 光伏Boost变换器

光伏阵列变换器有MPPT和降功率稳压2种工作状态，光伏变换器控制框图如图3所示。MPPT控制的实现采用在光伏阵列与数据中心供电直流母线间加上具有MPPT功能Boost变换器的方式，结合相应的MPPT算法完成最大功率点跟踪，跟踪过程如图3（a）所示，MPPT算法得到的最大功率点处对应的光伏电池输出电压参考值，与光伏阵列的实际输出电压Upv相减得到的差值信号由PI调节器补偿后进行PWM变换，转换为占空比信号，控制Boost电路开关管的开断。图中Upv和Ipv分别为光伏阵列输出的电压和电流。

图3 光伏变换器控制框图Fig.3 Control block diagram of photovoltaic converter

光伏换流器降功率稳压工作的控制流程如图3（b）所示，直流母线实际电压Udc与光伏稳压控制参考电压1.05Udcn比较，其差值经PI控制器补偿，调节Boost变换器开关管控制信号的占空比，形成负反馈，将直流母线电压稳定在1.05Udcn。

2.2.2 储能双向Boost-Buck直流变换器

储能电池通过双向Boost-Buck变换器实现充放电功能，分为Boost稳压放电状态和Buck恒流充电状态。稳压放电控制流程如图4（a）所示，采用电流内环和电压外环的双环控制器[18]。直流母线实际电压Udc与储能电池稳压控制参考电压0.95Udcn比较，得到的电压差值经PI调节器补偿后作为电流内环的参考值，与电感电流实际值iBat比较，得到的电流误差经电流PI调节，输出值调制成PWM波控制变流器中开关管通断。恒流充电控制流程如图4（b）所示，采用单电流环PI控制将充电电流稳定在设定值。

图4 储能变换器控制框图Fig.4 Control block diagram of energy storage converter

因双向直流变流器Boost状态和Buck状态的小信号模型不同，需分别建模并设计PI参数。在Boost稳压放电控制时需对电感电流iBat限幅，设定放电电流极限值。另外，考虑储能锂电池的荷电状态，避免过充放电对电池造成损害，当SOC＞90%或SOC＜30%时直流双向变换器闭锁，锂电池处于待机状态。

2.2.3 网侧DC/AC双向变换器

双向DC/AC变换器连接电网与数据中心直流供电系统，通过基于电流前馈解耦的双环控制工作在整流和逆变2种状态，以维持系统功率平衡，控制流程如图5所示。其中，ig和ug分别为交流侧相电流和相电压，ud、uq和 id、iq分别表示相电压和相电流的d轴、q轴分量。

图5 网侧双向变换器控制框图Fig.5 Control block diagram of grid-side bidirectional converter

2个电流量分别与对方发生耦合，引入电流前馈控制将其解耦。电压外环起稳定直流母线电压作用，其输出为电流环的输入参考信号；电流内环借助锁相环PLL控制可以调节功率流动方向以及功率因数大小。

3 系统级控制和能量管理

系统级控制对系统进行综合监控和集中管理，根据数据中心计算任务类型（如交互式任务和批处理任务）以及量的变化、可再生能源发电预测和储能系统荷电状态等信息，通过与电网交互、使用储能设备和IT设备能耗需求管理等方法优化供电系统绿色能源使用情况[15-16]。需要在满足各种内外部约束条件下制定高压直流UPS供电系统运行调度策略，合理的运行控制和能量管理策略是实现数据中心供电系统安全稳定运行及绿色新能源有效利用的重要保障。

在分布式电力供应体系中，绿色新能源的利用方式分为变流上网和直接利用。将可再生能源发电接入电网的方式，便于能源的二次分配和利用，提高了新能源发电的质量。直接利用可以减少供电的中间环节的能量损失，能源使用更高效，但需配备大量的储能装置协同应用，以平抑新能源的波动。对于数据中心这个特定的应用场合，更高效利用可再生新能源的办法是进行IT设备能耗需求管理，根据新能源的预测发电量来合理调度作业任务，匹配能耗需求以缓和新能源供电的可变性。数据中心IT设备的能耗管理方法包括能量感知的资源分配和任务调度、节点状态控制和虚拟机迁移整合等[17]，依据计算负载类型的不同设计能耗管理策略尽量减少新能源发电逆变上网和工作模式4运行的情况，提高新能源利用率。

4 仿真实验及分析

本文在Matlab/Simulink仿真平台中搭建如图1所示的新能源数据中心高压直流UPS供电系统仿真模型，验证系统不同运行方式下不同工作模式之间的转换。各功率单元参数如下：光伏阵列在温度25℃、日照强度1 000 W/m2下最大发电功率为4 048 W，最大功率点输出电压为105 V；储能锂电池额定电压为200 V，标称容量为6.5 A·h。直流供电系统额定工作电压为320 V，孤岛运行工作模式切换的临界电压分别是304 V和336 V。

4种工作模式的具体仿真结果分别如图6～图9所示，仿真中储能电池模块电流为正时表示其处于放电状态。

4.1 工作模式1

高压直流UPS供电系统在工作模式1下的运行情况如图6所示。系统并网运行网侧变换器整流运行，向直流母线输出功率，控制母线电压稳定在320 V。

图6 工作模式1下系统运行仿真结果Fig.6 Simulation results of system operation in working mode 1

光伏变换器处于MPPT工作状态，当储能电池的SOC＜90%时，变换器工作在Buck恒流充电状态。光伏发电和电网电能共同为锂电池和负荷提供能量，维持向母线注入电流和从母线抽取电流的平衡。

4.2 工作模式2

并网运行下市电突然发生故障，供电系统切换到孤岛运行方式，进入工作模式2，IT设备能耗管理系统及时减小负载量，可延时批处理型任务的挂起，使之与光伏阵列MPPT输出平衡。当直流母线电压随负荷的轻微变化在额定值320 V附近波动时，储能变换器待机，若即时交互型负载增加，光伏MPPT输出不足以支撑负载功率，即PPV＜PL，直流母线电压下降至304 V，供电系统切换到工作模式3。储能变换器转入Boost稳压放电状态，补偿系统功率缺额，将母线电压稳定在0.95Udcn，即304 V附近。系统由工作模式2切换到模式3的仿真波形如图7所示，图中UBat表示储能电池输出电压。

图7 工作模式2切换到模式3的系统运行仿真结果Fig.7 Simulation results of system operation when switching from working mode 2 to 3

供电系统运行在工作模式2下，服务器计算负载量减少，PPV＞PL，直流母线电压上升到336 V，系统自然切换至工作模式4。锂电池由待机转入恒流充电状态调节母线电压，充电电流恒定在6 A。光伏变换器由MPPT状态转入降功率稳压运行，维持母线电压于0.95Udcn，即304 V附近。系统由工作模式2切换到模式4的仿真波形如图8所示，图中IBat表示储能电池输出电流。

4.3 工作模式3

图8 工作模式2切换到模式4的系统运行仿真结果Fig.8 Simulation results of system operation when switching from working mode 2 to 4

供电系统运行于工作模式3时，储能锂电池放电荷电量SOC减小，数据中心启动后备柴油机保障系统稳定可靠运行。柴油机启动完成或电网故障解除后，高压直流UPS供电系统由工作模式3切换至工作模式1，恢复孤岛运行阶段因能耗管理而被延迟的批处理型任务，系统模式切换的仿真波形如图9所示。光伏阵列依然运行于MPPT状态，锂电池由稳压放电转入恒流充电状态，恢复故障备用能力。网侧变流器整流输出电能，起供电系统功率支撑作用。

图9 工作模式3切换到模式1的系统运行仿真结果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是在数据中心供电系统运行中应避免或少量出现的工作状态，该状态下会造成光伏新能源的浪费，此时IT设备能耗管理系统应增加服务器负载量，若仍处于孤岛运行方式则转入工作模式2。若电网恢复工作则转入工作模式1，系统模式切换的仿真波形如图10所示。供电系统负荷量由2 600 W增加至7 400 W，光伏变换器也由降功率稳压状态转入MPPT模式，提高新能源利用。系统功率缺额由电网提供，将直流母线电压维持在额定值 Udcn，即 320 V。

图10 工作模式4切换到模式1的系统运行仿真结果Fig.10 Simulation results of system operation when switching from working mode 4 to 1

5 结语

采用高压直流UPS供电技术的数据中心引入可再生能源形成直流微网供电系统。本文借鉴了已有微网控制的研究，结合数据中心计算负荷的特点，设计了分层控制的系统运行和能量管理策略，依照不同的时间尺度和控制目标建立了设备级和系统级两层控制结构。设备级运行控制中根据直流母线电压以及并网情况，划分4种工作模式并决定各微源接口变换器的工作状态。给出了各变换器控制方法，在Matlab/Simulink平台建模仿真验证控制策略有效性。

通过仿真结果和理论分析可得：在设备级控制层，外部环境或负荷发生变化时系统可以在不同工作模式下平滑切换，保证了系统运行稳定性；在系统级控制层，结合IT设备的负载管理方法实现“绿色计算”，达到整体优化。