使用基于转换器的实时电源仿真器分析数据中心负载特性

2018 年，数据中心整体用电量达到 205 TWh，几乎占全球电力供应的 1%，1巩固了其在全球网络基础设施和计算设施中的基础性作用。由于数据中心的大电力负载和非线性性能在短时间内对电力需求波动很大的电网产生了显着影响，2分析数据中心负载特性，评估对电网动态性能和暂态稳定性的影响非常重要。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，以及具有缩小原型或硬件测试台的基于模拟的仿真工具。虽然模拟仿真器更昂贵、更笨重且更难安装，但它们提供更准确的结果。

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并以广泛的时间尺度（从微秒到秒）模拟电网，具有更高的鲁棒性、减少的计算资源以及模拟精确瞬态的能力回复。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。

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电源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：

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。

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。

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。

审核编辑：郭婷