2018 年，數據中心整體用電量達到 205 TWh，幾乎占全球電力供應的 1%，1鞏固了其在全球網絡基礎設施和計算設施中的基礎性作用。由于數據中心的大電力負載和非線性性能在短時間內對電力需求波動很大的電網產生了顯著影響，2分析數據中心負載特性，評估對電網動態(tài)性能和暫態(tài)穩(wěn)定性的影響非常重要。為此，需要一個準確完整的數據中心電源模型，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。

大多數仿真和仿真平臺包括 PSCAD 和 Matlab Simulink 等數字仿真工具、RTDS 和 Opal-RT 等實時數字仿真器，以及具有縮小原型或硬件測試臺的基于模擬的仿真工具。雖然模擬仿真器更昂貴、更笨重且更難安裝，但它們提供更準確的結果。

本文提出了一種基于轉換器的數據中心配電系統(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 是基于多個轉換器的可重構實時電網仿真器，用于執(zhí)行實際功率測試并以廣泛的時間尺度（從微秒到秒）模擬電網，具有更高的魯棒性、減少的計算資源以及模擬精確瞬態(tài)的能力回復。通過對互連的三相電壓源逆變器 (VSI) 進行編程，可以模擬發(fā)電機、電池儲能系統(tǒng)和電力負載等不同的功率設備。點擊這里閱讀原文。

工作原理

一種常見且廣泛使用的數據中心交流配電系統(tǒng)如圖 1 所示。5電源系統(tǒng)包括集中式不間斷電源 (UPS)、配電單元 (PDU)、機架級電源單元 (PSU)、服務器板和負載?？諝饫鋮s系統(tǒng)包括冷卻塔、冷卻器、水泵、機房空氣處理器 (CRAH) 和服務器機房風扇。

圖 1：數據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器可靠運行，數據中心通常采用多模式運行。使用以下三種主要操作模式：

正常生態(tài)模式，當市電在可接受的限制范圍內時使用，以通過 PDU 和 PSU 直接支持服務器負載。在此模式下，UPS 被旁路并在輕負載下運行。

雙轉換模式，當市電電壓不在允許范圍內但仍在 UPS 輸入范圍內時使用。在此模式下，UPS 開啟以調節(jié)電源并為服務器負載供電。

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

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

平均模型

數據中心可以通過不考慮開關紋波的非線性平均模型來表示。在連續(xù)導通模式 (CCM) 運行中，UPS 的平均模型（如圖 2 所示）包含前端升壓功率因數校正 (PFC) 整流器、VSI、DC/DC 轉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。使用適當的數學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并提供直流母線電壓調節(jié)。

圖 3：PFC 平均模型

由于具有寬輸入變化的高效率運行，LLC 諧振轉換器通常用于隔離式 DC/DC 級。在該模型中，LLC 轉換器被簡化為受控電源負載，具體取決于服務器負載。

關于冷卻系統(tǒng)，使用聚合并網感應電機來表示冷卻塔、冷卻器和水泵，而 CRAH 則由基于兩級變頻驅動 (VFD) 的電機建模（圖 4）。

圖 4：基于 VFD 的電機模型

總服務器負載是基于線性模型估計的，服務器利用率為：

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

離散模型

下一步涉及通過數字化將非線性平均模型轉換為離散時間版本。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 數字信號處理器上實現所有數據中心模型和控制功能。

首先，整個非線性平均模型以 0.2 毫秒的采樣周期數字化并轉換為離散時間方程。隨后，針對數據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）和電網頻率（f），頂層控制決定運行模式根據 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，頂層控制更新電網終端電流（i t）并開始新的運行周期。

圖 5：具有頂層控制的廣義模型

在 HTB 上模擬的數據中心如圖 6 所示。

圖 6：HTB 上數據中心仿真器的結構

實驗結果與分析

在 Matlab Simulink 中開發(fā)了數據中心的仿真模型，并將其結果與圖 6 所示的數據中心電源仿真器實現進行了比較。

實驗結果如圖 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，數據中心系統(tǒng)一直工作在正常模式。然而，當 V t,pu冷卻系統(tǒng)中感應電動機動態(tài)變化的影響。當發(fā)生 26% 的電壓暫降時（圖 8），數據中心模式在t = 2.5 秒的 500 毫秒后從正常經濟模式切換到雙重轉換。同時，UPS 從非常輕的服務器負載切換到重負載，導致瞬態(tài)響應和隨之而來的 V t,pu波動。由于突然的電壓變化，數據中心在電壓驟降的開始和結束時都會執(zhí)行瞬態(tài)功率變化。

圖 7：7% 電壓暫降 1 秒的實驗和仿真結果

圖 8：26% 電壓暫降 1 秒的實驗和仿真結果

圖 9：電壓暫降 >30% 的實驗和仿真結果

圖 9 顯示了大于 30% 的更嚴重的電壓暫降。這里，數據中心負載在暫降后 20 毫秒與電網斷開連接，以保護 PSU 并維持正常的服務器運行。UPS 電池開啟以持續(xù)支持負載，而 P t,pu和 Q t,pu在減載后降至零。綜上所述，以上結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確性。

審核編輯：郭婷