电源仿真器预测数据中心动态性能

数据中心是支持不断增长的数据交换和数据存储需求所必需的，如今已成为全球网络基础设施和计算设施的基本组成部分。2018年数据中心整体用电量已达205TWh，几乎占全球电力供应的1%。

数据中心由于电力负荷大、性能非线性等特点，对电网影响较大，短期内用电需求波动明显。2因此，分析数据中心负载特性、评估电网动态性能和暂态稳定性如何受到影响非常重要。为此，需要一个准确完整的数据中心电源模型，并需要开发一个反映动态性能的电源模拟器或仿真器。大多数仿真和仿真平台包括 PSCAD 和 Matlab Simulink 等数字仿真工具、RTDS 和 Opal-RT 等实时数字仿真器，以及带有缩小原型或硬件测试台的基于模拟的仿真工具。尽管模拟仿真器更昂贵、更笨重且更难安装，但它们提供了更准确的结果。3本文提出了一种基于转换器的数据中心配电系统实时功率仿真器。该电源仿真器基于 NSF/DOE 工程研究中心开发的硬件测试平台 (HTB) 平台，旨在克服数字仿真器和传统模拟仿真器所带来的问题。HTB 是基于多个转换器的可重构实时电网仿真器，用于执行实际功率测试和仿真具有广泛时间尺度(从微秒到秒)、更高的鲁棒性、更少的计算资源以及模拟精确瞬态的能力的电网回复。通过对互连的三相电压源逆变器 (VSI) 进行编程，可以模拟发电机、电池储能系统和电力负载等不同的功率设备。点击这里阅读原文。4

工作原理

一种常见且广泛使用的数据中心交流配电系统如图 1 所示。5供电系统包括集中式不间断电源 (UPS)、配电单元 (PDU)、机架级电源单元 (PSU)、服务器板和负载。空气冷却系统包括冷却塔、冷却器、水泵、机房空气处理器 (CRAH) 和服务器机房风扇。

图 1：数据中心的典型交流配电系统

为了提高系统用电效率和保持服务器可靠运行，数据中心通常采用多模式运行。使用以下三种主要操作模式：

1. 正常生态模式，当市电在可接受的限制范围内时使用，以通过 PDU 和 PSU 直接支持服务器负载。在此模式下，UPS 被旁路并在轻负载下运行。

2. 双转换模式，当市电电压不在允许范围内但仍在 UPS 输入范围内时使用。在此模式下，UPS 开启以调节电源并为服务器负载供电。

3. 电池模式，在发生电源故障或重要电网中断时使用。在此模式下，UPS 与电网断开连接，备用电池为逆变器提供所需的直流电源。服务器负载由 UPS 持续供电，直到市电恢复。

在电力严重中断的情况下，冷却系统与电网断开，CRAH由UPS备用电源承载，以保持空气流通，直到交流电源恢复。

平均模型

数据中心可以通过不考虑开关纹波的非线性平均模型来表示。在连续导通模式 (CCM) 运行中，UPS 的平均模型(如图 2 所示)包含前端升压功率因数校正 (PFC) 整流器、VSI、DC/DC 转换器和电池用于储能的包装。UPS 电池组由 182 节锂离子电池的两个并联电池组组成。使用适当的数学方程来模拟电池的充电和放电过程。

图 2：UPS 平均模型

在 CCM 操作中，PFC 转换器(PSU 前端)的平均模型如图 3 所示。其目的是提高功率因数并提供直流母线电压调节。

图 3：PFC 平均模型

由于具有宽输入变化的高效率运行，LLC 谐振转换器通常用于隔离式 DC/DC 级。在该模型中，LLC 转换器被简化为受控电源负载，具体取决于服务器负载。

关于冷却系统，使用聚合并网感应电机来表示冷却塔、冷却器和水泵，而 CRAH 则由基于两级变频驱动 (VFD) 的电机建模(图 4)。

图 4：基于 VFD 的电机模型

总服务器负载是基于线性模型估计的，服务器利用率为：

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

离散模型

下一步涉及通过数字化将非线性平均模型转换为离散时间版本。需要一个具有显式输入变量和输出变量的广义模型，在 HTB 平台的 VSI 数字信号处理器上实现所有数据中心模型和控制功能。

首先，整个非线性平均模型以 0.2 毫秒的采样周期数字化并转换为离散时间方程。随后，针对数据中心电源仿真器提出了一个具有顶层控制的广义模型，如图5所示。已知端电压(V t)和电网频率(f)，顶层控制决定运行模式根据 V t值。在每一级模型中，输入变量是前一级的输出电压，而输出变量是计算得到的输入电流，将传递到下一级。最后，顶层控制更新电网终端电流(i t)并开始新的运行周期。

图 5：具有顶层控制的广义模型

在 HTB 上模拟的数据中心如图 6 所示。

图 6：HTB 上数据中心仿真器的结构

实验结果与分析

在 Matlab Simulink 中开发了数据中心的仿真模型，并将其结果与图 6 所示的数据中心电源仿真器实现进行了比较。

实验结果如图 7-9 所示，其中每个图指的是不同的电压暂降事件，因为这是最常见的电网干扰之一。比较波形包括端电压幅值(V t,pu)、端有功功率和无功功率(P t,pu和 Q t,pu)、电源交流输入电压(V ac _ PSU,pu)和电源直流母线电压(V dc _ PSU,pu )。图 7 显示了端电压有 7% 压降的情况。由于端电压不超过允许的输入范围，数据中心系统一直工作在正常模式。然而，当 V t,pu冷却系统中感应电动机动态变化的影响。当发生 26% 的电压暂降时(图 8)，数据中心模式在t = 2.5 秒的 500 毫秒后从正常经济模式切换到双重转换。同时，UPS 从非常轻的服务器负载切换到重负载，导致瞬态响应和随之而来的 V t,pu波动。由于突然的电压变化，数据中心在电压骤降的开始和结束时都会执行瞬态功率变化。

图 7：7% 电压暂降 1 秒的实验和仿真结果

图 8：26% 电压暂降 1 秒的实验和仿真结果

图 9：电压暂降 >30% 的实验和仿真结果

图 9 显示了大于 30% 的更严重的电压暂降。这里，数据中心负载在暂降后 20 毫秒与电网断开连接，以保护 PSU 并维持正常的服务器运行。UPS 电池开启以持续支持负载，而 P t,pu和 Q t,pu在减载后降至零。综上所述，以上结果表明实验仿真与仿真模型的一致性，验证了功率仿真器的准确性。