数据中心储能型不间断电源系统及其控制技术

  浩博电池网讯：随着互联网数据中心IDC的快速发展，为其配备的不间断电源系统UPS规模越来越大，由于UPS的电池系统只有在少数的停电时段应用，造成了大量的资源闲置。在保证备电的前提下，充分挖掘UPS中电池系统的储能功能，是一种经济高效的储能形式。在常规UPS的基础上，提出了储能型不间断电源系统（energy storage type of UPS， EUPS）的实现架构，EUPS多种“备电+储能”应用功能的控制策略，以及EUPS参与电网多场景调节的协调控制策略。最后，基于建成的EUPS示范系统，验证了所提的EUPS系统架构和控制策略的有效性。

  关键词 储能型不间断电源系统；数据中心；一次调频；峰谷调节；协调控制

  近年来，随着5G、云计算、工业互联网、人工智能等数字技术的快速普及与应用，互联网数据中心(internet data center, IDC)行业规模增长迅猛，数据显示，截至2022年底，中国在用IDC规模达到650万标准机架，近5年年均复合增速超30%。与此同时，IDC已经成为电力系统主要电力负荷之一，2022年IDC总用电量达2700亿千瓦时，已占社会总用电量的3%，并呈现逐年增加的趋势。

  作为一种体量庞大、增长迅猛的新兴负荷，如何挖掘其可调节能力，对于支撑未来新型电力系统的发展非常有意义。通过对IDC负荷进行动态调节可以参与电力系统需求响应，文献[7]提出计及IDC负荷优化运行的电网规划与运行方法，以及时空耦合需求响应定价与聚合方法，实现IDC负荷按系统需求调整用电行为的目标。文献[8]分析了IDC电力负荷在时间灵活性、空间灵活性和多能转换灵活性方面的潜力。文献[9]在考虑未来云服务任务不确定性的基础上，利用基于场景的随机优化方法将工作负载分配给不同时区的IDC，研究了单个IDC的最优需求响应能力。

  为保证可靠供电，IDC需要配置不间断电源系统(uninterruptible power supply, UPS)，UPS含容量可观的电池系统，但电池仅仅在少数的停电时段放电运行，大部分时间为闲置和冗余状态。在保证备电功能的前提下，挖掘UPS的储能功能，参与电力系统调峰、调频、需求响应等，可以提高UPS的资产利用率，以较少的边际成本实现新型电力系统的灵活性调节。

  IDC中增加储能功能的技术途径可以包括常规UPS电池增容、独立储能系统和PCS/UPS融合三种方式。其中，常规UPS电池增容方式根据电网电价和自身负荷情况单方向调节，灵活性较差。独立储能系统方案与常规的用户侧储能电站基本无异，由于要单独配置储能及其接入系统，成本较高，投资收益性难以保证。PCS/UPS融合技术集成方案的结构较为复杂，对现有IDC的设计与建设方案改动大。

  基于此，本工作从挖掘数据中心UPS电池系统的储能功能的思路出发，基于已有的在线双变换式UPS系统结构，不对其做出本质改动，提出EUPS的交流和直流两种实现架构。然后，围绕实现EUPS系统的备电与储能控制功能的实现，本工作进一步提出EUPS多种储能应用功能的控制策略，以及EUPS参与电网多场景调节的协调控制策略，实现数据中心UPS“备电+储能”功能，并基于示范系统验证了该技术架构和控制策略的有效性。

1 储能型不间断电源系统架构

  数据中心的UPS一般采用在线双变换式结构，根据负荷供电制式可以分为交流型和直流型，配置高功率铅酸电池，电池容量满足特定的备电时长需求，电池系统在运行中长期处于浮充状态。为了充分挖掘UPS的储能功能，本工作在此基础上，提出EUPS交流架构和EUPS直流架构，其实现的基本思路以目前的在线双变换式结构UPS为基础。这种方式对常规UPS的系统架构不进行本质调整，而是对UPS网侧变流器进行功能升级、使其输出直流电压值可在线调节，实现网侧能量双向流动。根据备电和储能的时长需求，可灵活配置电池系统的容量，随着锂电池系统安全性能的提升，也可以应用于EUPS系统。在该架构下，EUPS实质上是与常规储能系统共用变流控制和管理设备的，所以增加的边际成本相对较小，而且不会降低ICT负荷的供电可靠性。另外，由于数据中心供电的冗余性较大，通过该EUPS架构可有效盘活电池系统资源，是一种低成本的储能系统方案。

  1.1　EUPS交流架构

  EUPS交流系统架构如图1所示，包括UPS交流输入侧双向AC/DC变流器、单相DC/AC逆变器EUPS交流输出至服务器负荷之间的AC/DC和DC/DC变流器以及电池系统。

  图1中的EUPS交流架构通过调整网侧变流器，使其具有双向能量流动、直流侧电压可调的能力。通过控制网侧变流器的直流电压输出值，可以控制服务器负荷的能量来自市电或电池系统，进而实现负荷用电的峰谷调节。通过控制网侧变流器的功率输出，可以实现参与电网调频、调压、需求响应等储能功能。

  在该架构下，EUPS具备了“备电＋储能”功能，一方面EUPS的供电可靠性与常规UPS相同，而通过对电池系统设置最小荷电状态(state of charge, SOC)可以满足市电故障时负荷的持续工作时间；另一方面，电池系统多余的电量，又可称为储能型UPS的可调度容量，可以通过EUPS网侧变流器的控制，发挥储能功能，如一次调频、AGC/AVC和峰谷调节等。

  1.2　EUPS直流架构

  EUPS直流系统架构如图2所示，包括双向网侧AC/DC变换器、全桥整流AC/DC变换器、锂电池系统，以及UPS直流输出至服务器的DC/DC变换器。

  图2中的EUPS直流架构通过调整网侧双向变流器，实现锂电池系统的充放电和服务器负荷的供电控制。EUPS直流系统架构同样通过控制网侧变流器的功率双向流动，在保证备电功能的前提下，实现EUPS参与电网的一次调频、AGC/AVC等储能功能。

  1.3　EUPS控制架构

  EUPS的控制采用电流内环和功率外环相结合的双环控制方式，如图3所示。首先功率外环依据电网频率f，电价信息Pprice及峰谷调节功率PPRI，AGC调节的有功功率指令值PAGC和AVC调节的无功功率指令值Qref等，通过调节控制器执行相应的控制策略，从而产生外环的有功功率和无功功率参考值Pref、Qref。将参考值Pref、Qref与实际值作比较，经过PI控制器产生内环电流参考值Idref和Iqref，然后与内环电流实际值Id和Iq比较，经PI控制器、dq反变换及空间矢量调制，生成控制EUPS网侧AC/DC变换器开关管的PWM信号，实现EUPS的控制。

2 EUPS的储能控制策略

  2.1　EUPS一次调频策略

  EUPS的一次调频可充分发挥EUPS响应速度快、可精确控制优势。EUPS一次调频采用虚拟惯性控制和下垂控制结合的控制方式，控制策略如图4所示。

  如图4所示，EUPS的一次调频控制策略主要包含以下环节：①当检测到电网频率变化后，通过微分控制器得到频率变化率，将频率变化率乘以增益系数KD，得到功率差值P1；②同时将检测到的电网频率与额定频率fN比较，求出频率偏差，根据设定的下垂曲线特性和增益系数Kx，得到功率差值P2；③将以上两个环节的功率差值求和PFRE=P1+P2；④将PFRE作为功率指令下发到EUPS，在电池系统的SOC满足备电需求前提下，实现功率输出和一次调频功能。一次调频功能的控制方程为：

  2.2　EUPS的AGC/AVC策略

  EUPS的AGC/AVC调节是根据调度下发AGC或AVC功率指令到调节控制器，调节控制器接收到功率指令后，判断EUPS的电池是否满足备电需求、以及是否大于可参与AGC和AVC的可调节容量，如同时满足备电需求和不大于可调节容量，此时调节控制器下发控制指令，通过控制EUPS网侧变流器的直流电压实现AGC/AVC调节。如不满足EUPS电池的备电需求或大于可调节容量，则调节控制器不下发控制指令到EUPS，EUPS不参与AGC/AVC调节。同时，考虑到储能的AVC无功调节属从属场景，故在计算其可用无功裕度Qavl时，应首先考虑主应用场景调节的有功功率需求Pr，每时刻的可用无功裕度约束为：

  2.3　EUPS的峰谷调节策略

  峰谷调节是根据用电电价的变化，控制负荷的用电或储能的充放电行为，从而降低用电成本的一种方法。本工作提出EUPS的峰谷调节控制策略，根据峰-平-谷电价或实时电价信息，调节EUPS网侧变流器的直流输出电压值，控制ICT负荷的用电电量来自市电或电池系统，从而实现用电的峰谷调节。

  当电价处于低谷时段，电网为负荷提供电能的同时给EUPS的电池系统充电，直至电池系统的SOC达到上限值，不再对电池充电，从而实现低谷时段充电。当电价处于平时段，EUPS网侧变流器直接给负荷供电，电池系统一般处于浮充状态或小电流补电状态。当电价处于高峰时段，首先判断EUPS是否满足系统备电时长需求，如满足备电时长需求，EUPS网侧变流器通过调节直流输出电压低于电池系统电压，从而由电池系统通过负荷侧逆变器为负荷供电。

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