電源仿真器預(yù)測數(shù)據(jù)中心動態(tài)性能

數(shù)據(jù)中心是支持不斷增長的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)存儲需求所必需的，如今已成為全球網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和計算設(shè)施的基本組成部分。2018年數(shù)據(jù)中心整體用電量已達(dá)205TWh，幾乎占全球電力供應(yīng)的1%。

數(shù)據(jù)中心由于電力負(fù)荷大、性能非線性等特點(diǎn)，對電網(wǎng)影響較大，短期內(nèi)用電需求波動明顯。2因此，分析數(shù)據(jù)中心負(fù)載特性、評估電網(wǎng)動態(tài)性能和暫態(tài)穩(wěn)定性如何受到影響非常重要。為此，需要一個準(zhǔn)確完整的數(shù)據(jù)中心電源模型，并需要開發(fā)一個反映動態(tài)性能的電源模擬器或仿真器。大多數(shù)仿真和仿真平臺包括 PSCAD 和 Matlab Simulink 等數(shù)字仿真工具、RTDS 和 Opal-RT 等實時數(shù)字仿真器，以及帶有縮小原型或硬件測試臺的基于模擬的仿真工具。盡管模擬仿真器更昂貴、更笨重且更難安裝，但它們提供了更準(zhǔn)確的結(jié)果。3本文提出了一種基于轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)實時功率仿真器。該電源仿真器基于 NSF/DOE 工程研究中心開發(fā)的硬件測試平臺 (HTB) 平臺，旨在克服數(shù)字仿真器和傳統(tǒng)模擬仿真器所帶來的問題。HTB 是基于多個轉(zhuǎn)換器的可重構(gòu)實時電網(wǎng)仿真器，用于執(zhí)行實際功率測試和仿真具有廣泛時間尺度(從微秒到秒)、更高的魯棒性、更少的計算資源以及模擬精確瞬態(tài)的能力的電網(wǎng)回復(fù)。通過對互連的三相電壓源逆變器 (VSI) 進(jìn)行編程，可以模擬發(fā)電機(jī)、電池儲能系統(tǒng)和電力負(fù)載等不同的功率設(shè)備。點(diǎn)擊這里閱讀原文。4

工作原理

一種常見且廣泛使用的數(shù)據(jù)中心交流配電系統(tǒng)如圖 1 所示。5供電系統(tǒng)包括集中式不間斷電源 (UPS)、配電單元 (PDU)、機(jī)架級電源單元 (PSU)、服務(wù)器板和負(fù)載?？諝饫鋮s系統(tǒng)包括冷卻塔、冷卻器、水泵、機(jī)房空氣處理器 (CRAH) 和服務(wù)器機(jī)房風(fēng)扇。

圖 1：數(shù)據(jù)中心的典型交流配電系統(tǒng)

為了提高系統(tǒng)用電效率和保持服務(wù)器可靠運(yùn)行，數(shù)據(jù)中心通常采用多模式運(yùn)行。使用以下三種主要操作模式：

1. 正常生態(tài)模式，當(dāng)市電在可接受的限制范圍內(nèi)時使用，以通過 PDU 和 PSU 直接支持服務(wù)器負(fù)載。在此模式下，UPS 被旁路并在輕負(fù)載下運(yùn)行。

2. 雙轉(zhuǎn)換模式，當(dāng)市電電壓不在允許范圍內(nèi)但仍在 UPS 輸入范圍內(nèi)時使用。在此模式下，UPS 開啟以調(diào)節(jié)電源并為服務(wù)器負(fù)載供電。

3. 電池模式，在發(fā)生電源故障或重要電網(wǎng)中斷時使用。在此模式下，UPS 與電網(wǎng)斷開連接，備用電池為逆變器提供所需的直流電源。服務(wù)器負(fù)載由 UPS 持續(xù)供電，直到市電恢復(fù)。

在電力嚴(yán)重中斷的情況下，冷卻系統(tǒng)與電網(wǎng)斷開，CRAH由UPS備用電源承載，以保持空氣流通，直到交流電源恢復(fù)。

平均模型

數(shù)據(jù)中心可以通過不考慮開關(guān)紋波的非線性平均模型來表示。在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 運(yùn)行中，UPS 的平均模型(如圖 2 所示)包含前端升壓功率因數(shù)校正 (PFC) 整流器、VSI、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和電池用于儲能的包裝。UPS 電池組由 182 節(jié)鋰離子電池的兩個并聯(lián)電池組組成。使用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程來模擬電池的充電和放電過程。

圖 2：UPS 平均模型

在 CCM 操作中，PFC 轉(zhuǎn)換器(PSU 前端)的平均模型如圖 3 所示。其目的是提高功率因數(shù)并提供直流母線電壓調(diào)節(jié)。

圖 3：PFC 平均模型

由于具有寬輸入變化的高效率運(yùn)行，LLC 諧振轉(zhuǎn)換器通常用于隔離式 DC/DC 級。在該模型中，LLC 轉(zhuǎn)換器被簡化為受控電源負(fù)載，具體取決于服務(wù)器負(fù)載。

關(guān)于冷卻系統(tǒng)，使用聚合并網(wǎng)感應(yīng)電機(jī)來表示冷卻塔、冷卻器和水泵，而 CRAH 則由基于兩級變頻驅(qū)動 (VFD) 的電機(jī)建模(圖 4)。

圖 4：基于 VFD 的電機(jī)模型

總服務(wù)器負(fù)載是基于線性模型估計的，服務(wù)器利用率為：

P tot,server = N rack × N server × P server

離散模型

下一步涉及通過數(shù)字化將非線性平均模型轉(zhuǎn)換為離散時間版本。需要一個具有顯式輸入變量和輸出變量的廣義模型，在 HTB 平臺的 VSI 數(shù)字信號處理器上實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)中心模型和控制功能。

首先，整個非線性平均模型以 0.2 毫秒的采樣周期數(shù)字化并轉(zhuǎn)換為離散時間方程。隨后，針對數(shù)據(jù)中心電源仿真器提出了一個具有頂層控制的廣義模型，如圖5所示。已知端電壓(V t)和電網(wǎng)頻率(f)，頂層控制決定運(yùn)行模式根據(jù) V t值。在每一級模型中，輸入變量是前一級的輸出電壓，而輸出變量是計算得到的輸入電流，將傳遞到下一級。最后，頂層控制更新電網(wǎng)終端電流(i t)并開始新的運(yùn)行周期。

圖 5：具有頂層控制的廣義模型

在 HTB 上模擬的數(shù)據(jù)中心如圖 6 所示。

圖 6：HTB 上數(shù)據(jù)中心仿真器的結(jié)構(gòu)

實驗結(jié)果與分析

在 Matlab Simulink 中開發(fā)了數(shù)據(jù)中心的仿真模型，并將其結(jié)果與圖 6 所示的數(shù)據(jù)中心電源仿真器實現(xiàn)進(jìn)行了比較。

實驗結(jié)果如圖 7-9 所示，其中每個圖指的是不同的電壓暫降事件，因為這是最常見的電網(wǎng)干擾之一。比較波形包括端電壓幅值(V t,pu)、端有功功率和無功功率(P t,pu和 Q t,pu)、電源交流輸入電壓(V ac _ PSU,pu)和電源直流母線電壓(V dc _ PSU,pu )。圖 7 顯示了端電壓有 7% 壓降的情況。由于端電壓不超過允許的輸入范圍，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)一直工作在正常模式。然而，當(dāng) V t,pu冷卻系統(tǒng)中感應(yīng)電動機(jī)動態(tài)變化的影響。當(dāng)發(fā)生 26% 的電壓暫降時(圖 8)，數(shù)據(jù)中心模式在t = 2.5 秒的 500 毫秒后從正常經(jīng)濟(jì)模式切換到雙重轉(zhuǎn)換。同時，UPS 從非常輕的服務(wù)器負(fù)載切換到重負(fù)載，導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)和隨之而來的 V t,pu波動。由于突然的電壓變化，數(shù)據(jù)中心在電壓驟降的開始和結(jié)束時都會執(zhí)行瞬態(tài)功率變化。

圖 7：7% 電壓暫降 1 秒的實驗和仿真結(jié)果

圖 8：26% 電壓暫降 1 秒的實驗和仿真結(jié)果

圖 9：電壓暫降 >30% 的實驗和仿真結(jié)果

圖 9 顯示了大于 30% 的更嚴(yán)重的電壓暫降。這里，數(shù)據(jù)中心負(fù)載在暫降后 20 毫秒與電網(wǎng)斷開連接，以保護(hù) PSU 并維持正常的服務(wù)器運(yùn)行。UPS 電池開啟以持續(xù)支持負(fù)載，而 P t,pu和 Q t,pu在減載后降至零。綜上所述，以上結(jié)果表明實驗仿真與仿真模型的一致性，驗證了功率仿真器的準(zhǔn)確性。