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数据中心储能型不间断电源系统及其控制技术

作者:彭鹏 赵宇鑫 等 来源:储能科学与技术 发布时间:2024-07-09 浏览:

数字储能网讯: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。

  我国新能源发展正处于快速上升期。国家能源局的数据显示,2023年,我国可再生能源发电新增装机超过全球的一半,累计装机规模占全球比重接近40%。不过随着高比例新能源的发展、新型电力系统的建设,新能源在开发、利用、经济性等多方面面临的挑战也不容忽近年来,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。

  数据中心作为一种体量庞大、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。视,需在基础设施建设、支持政策等多方面持续发力,进一步确保新能源“立得稳、靠得住”。

 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。

  图片

  图1 EUPS交流架构

  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。

  数据中心负荷的功耗影响了储能型UPS的可调度容量,数据中心负荷的功耗越大,储能型UPS的可调度容量越小。结合提出的储能型UPS交流架构,数据中心负荷在0~t时段内的功耗模型为:

  图片(1)

  式中,Ploh为数据中心负荷的功耗,Pload表示t时刻的数据中心负荷功率,η1和η2分别为负荷与储能型UPS交流输出端的DC/DC和AC/DC变换器的转换效率,η3为锂电池与UPS交流输出之间的DC/AC变换器的转换效率。

  此时,储能型UPS的可调度容量可表示为:

  图片(2)

  式中,Qdis为储能型UPS可调度容量,Qlis为锂电池的可用容量。

  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。

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  图2 EUPS直流系统架构

  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。

  图片

  图3 EUPS控制架构图

 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。图片

  图4 EUPS一次调频控制策略

  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:

  图片(3)

  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:

  图片(4)

  式中,Spcs为储能变流器的额定容量。考虑到变流器无功容量限制,最终下达给EUPS的无功指令Qref为:

  图片(5)

  式中,QB(t)为分析计算所得的储能期望无功出力。

  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。

  在以上控制过程中,基本的前提是电池系统的SOC应满足备电时长需求,如不满足,则EUPS网侧变流器在任何电价下都应首先给电池系统充电,以尽快恢复EUPS的备电功能。

  各电价时段内EUPS的充放电模型可表示为:

  图片(6)

  其中,PPRI为EUPS网侧变流器的充放电功率,a为某时刻的实际电价,avalley为谷时电价,acom为平段电价,apeak为峰段电价,Pbat为EUPS最大充电功率,Pload为不间断负荷功率。

  2.4 EUPS参与电网多场景调节协调控制策略

  由于EUPS具备常规储能系统响应快速、控制灵活的优势,可以同时参与电网的多场景调节,以获取更大的运行效益,本工作提出EUPS同时参与电网多场景调节的协调控制策略,如图5所示。

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  图5 EUPS多场景电网调节的协调控制策略

  由图5所示,当EUPS接收到同时需要参与一次调频、AGC/AVC和峰谷调节指令时,首先判断是否满足UPS的备电需求,数据中心EUPS备电功能是指EUPS留有一定时间的备电容量,避免因为市电中断后备电时长不够导致负荷供电时间不足问题,保证负荷供电可靠性。EUPS的备电容量是通过设置电池系统SOC下限值实现的,如不满足数据中心备电功能,则不参与电网调节。如满足备电所设定的电池系统SOC和备电时长需求,EUPS将参与多场景电网调节。然后由一次调频控制策略、AGC/AVC和峰谷调节控制策略确定需要EUPS参与调节量PFRE、PAGC、PPRI和Qval;再判断PFRE、PAGC、PPRI指令是否为同一方向,如同为电池充电指令或同为放电指令,则将有功功率指令叠加下发到调节控制器;如出现矛盾指令,指令的方向相反,或者指令值超过EUPS功率限额时,则通过优先级约束不同指令执行的先后顺序。

  按照储能参与电力系统运行的安全稳定与经济高效的逻辑,优先级设定的顺序为:①一次调频;②AGC;③峰谷调节。按照优先级顺序下发指令到调节控制器;系统接收到无功调节指令时,即AVC,在确定Qval时,需满足功率三角形约束,即:图片。同时设定的优先级指令之间是互锁关系,如根据优先级顺序执行指令①,其他指令将被锁住,不再被执行。同理如按照优先级顺序执行其他指令,剩余的指令将被锁住,不会再执行。

  3、实验及结果分析

  3.1 示范系统

  基于上述研究,本工作建立了EUPS示范系统,验证提出的EUPS系统架构及控制技术。EUPS示范现场如图6所示,EUPS示范系统包含电池系统和控制系统。其中,控制系统中额定功率为150 kVA的EUPS设备是基于本工作提出的EUPS交流架构研发的,采用模块并联技术、EUPS网侧变流器由3个50 kVA变流器模块并联组成、负荷侧变流器由3个50 kVA变流器模块并联组成,EUPS网侧AC/DC变换器的交流侧额定电压为380 V、直流侧电压变化范围为600~900 V。控制系统中选用倍福PLC工控机作为调节控制器,并配置显示屏。调节控制器对上实现与电网调度的通信,对下采用EtherCat协议实现与EUPS系统的通信和控制;同时通过modulbus TCP协议实现与电池管理系统通信,完成单体电池信息的直接采集。EUPS系统的变流器部分通过RS485协议实现与EUPS电池系统的通信和控制,EUPS设备配置容量为115 kWh的磷酸铁锂电池系统,电池单体容量为40 Ah,电池采用3簇并联,簇电压为716.8 V,支持0.25 C~2 C的功率实验。图片

  图6 EUPS参与电网调节示范现场(左边集装箱为控制系统,右边集装箱为电池系统)

  3.2 结果与分析

  3.2.1 一次调频实验

  预先编制电网频率模拟表,设置实验负荷为30 kVA。当控制系统检测到电网频率发生变化并超出频率调节死区时,执行一次调频策略,按照图4计算功率PFRE并将PFRE指令下发到EUPS,实现电网频率的快速调节。电网频率模拟变化曲线如图7所示,图8为系统网侧有功功率跟随曲线。

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  图7 预先编制的电网频率变化曲线

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  图8 一次调频网侧有功功率跟随曲线

  对比图7和8可知,EUPS可及时响应电网的频率变化。当电网频率高于额定频率时,EUPS通过充电的方式降低电网频率。如图7所示,在120 s之前出现了多段电网频率高于额定频率的情况,对应图8可以清晰看出,网侧变流器的有功功率输出一方面保证30 kVA负荷供电,另一方面给电池系统充电,以响应电网频率的变化;同样如图7所示,在130 s之后出现多段电网频率低于额定频率的情况,对应图8可清晰看出,网侧变流器的有功功率输出多次响应电网频率变化,此时电池系统放电,实现了参与电网频率调节的目的。

  3.2.2 AGC调节实验

  通过上位机模拟调度,向PLC控制器下达有功功率调节指令,PLC控制器接收到上位机指令后将有功调节指令下发到EUPS。上位机下发的功率指令依次为:-30 kW,+15 kW,-30 kW,-60 kW,-30 kW。EUPS参与AGC实验结果如图9和10所示。

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  图9 AGC有功功率跟随曲线

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  图10 AGC电流曲线

  图9为EUPS参与AGC调节过程中网侧有功功率与下发的AGC调节指令之间的跟随关系,分析可知,网侧变流器的有功功率响应AGC功率指令快速且及时;图10为EUPS AGC调节过程中网侧电流和电池系统电流的变化曲线。

  3.2.3 AVC调节实验

  EUPS参与AVC调节实验与EUPS参与AGC调节实验原理相同,利用上位机模拟调度,向PLC下达无功功率调节指令,PLC调节控制器接收到无功调节指令后将指令下发到EUPS,测试无功功率的指令响应情况。上位机下发AVC无功功率指令依次为:0 kVar、-45 kVar、0 kVar、+45 kVar、0 kVar,实验结果如图11和12所示。

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  图11 AVC无功功率跟随曲线

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  图12 AVC电流曲线

  图11为EUPS参与AVC调节过程中网侧无功功率与下发的AVC调节指令之间的跟随关系,分析可知,网侧变流器的无功功率响应AVC无功指令快速及时;图12为EUPS AVC调节过程中电池电流和网侧电流变化曲线。

  3.2.4 峰谷调节实验

  实验中EUPS的峰谷调节是由PLC调节控制器根据分时电价引导,控制EUPS充放电实现的。实验以一分钟模拟实际一小时,即24分钟模拟一天完整的峰谷调节过程。实验过程中,基于示范实际情况,电价选取广东省粤北区电价。详细的电价信息如表1所示,该电价全天高峰时段共计7小时,平时段共计9小时,低谷时段共计8小时。基于电价信息,PLC调节控制器给EUPS下发控制指令,下发的功率指令如表1所示,峰谷调节的实验结果如图13和14所示。

  表1 电价和功率指令信息图片

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  图13 峰谷调节有功功率跟随曲线

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  图14 峰谷调节电流曲线

  图13为EUPS参与峰谷调节过程中网侧有功功率与调节指令之间的跟随关系,从图13可知网侧有功功率对调节控制器下发的峰谷调节指令快速响应;同时可以看出,当电价处于谷时段(0~480 s时段内),PLC下发功率指令为-60 kW,此时由电网为30 kVA负荷供电,并以30 kW功率给EUPS充电;当电价处于平时段(480~600 s、720~840 s和1140~1400 s时段内),PLC下达功率指令为-30 kW,此时由电网给负荷供电,EUPS处于不充不放状态;当电价处于峰时段(600~720 s时段内和840~1140 s时段内),PLC下达功率指令为0 kW,此时EUPS放电给负荷供电。图14为EUPS参与峰谷调节过程中网侧电流和电池电流的变化,可以发现在电价峰值时段,PLC下发到网侧功率指令为0 kW,而图中网侧电流并不为0,这是因为网侧存在无功功率电流。

  3.2.5 多场景电网调节仿真验证

  EUPS参与电网多场景调节的仿真实验场景构造系统正常运行,负荷为30 kVA。需要EUPS同时参与一次调频、AGC、峰谷调节和AVC多场景的电网调节,各功能的下发功率指令如图15所示。根据本工作所提的协调控制策略,网侧和电池的实际有功功率如图16所示,网侧与电池侧电流如图17所示。

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  图15 多场景下功率指令曲线

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  图16 多场景下网侧和电池侧有功功率

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  图17 多场景下网侧与电池侧电流

  对比图15、16可知,本工作提出的EUPS参与电网多场景调节的协调控制策略有效解决EUPS在参与电网多场景调节时的协调控制问题。在图15中18~30 s时段内,多场景功率调节指令出现矛盾、相反的情况,此时一次调频功率指令为-34.2 kW、AGC调节指令为15 kW、峰谷调节功率指令为-30 kW。此时对应图16中的结果表明该时段内只是按照设定的优先级顺序执行一次调频策略,其他调节指令被锁住,并未执行。分析可知:网侧有功功率为-34.2 kW,其中30 kW为负荷供电,另外4.2 kW给电池充电。在图15中140~185 s时段内,PLC下发的调节指令之间并未出现矛盾的情况,此时一次调频功率指令为0 kW,AGC调节功率指令为-60 kW,峰谷调节功率指令为-60 kW,对应图16中结果表明该时段各功率指令按照本工作所提的协调控制策略被叠加后执行。通过分析可知:EUPS网侧接收到的功率指令为-60 kW,其中30 kW给负荷供电,剩余的30 kW给电池充电。

  4、结 论

  本工作基于数据中心常规不间断电源系统UPS的供电模式,提出储能型不间断电源系统EUPS系统典型架构,以及“备电+储能”控制方法及参与电网多场景调节的控制策略,为数据中心闲置资源盘活、储能发展提供了新思路和新方法。本工作的主要结论如下:

  (1)提出的EUPS交流供电架构和直流供电架构盘活了数据中心闲置的电池资源,且不影响数据中心原有供电可靠性。

  (2)基于提出的EUPS架构,在控制策略上以备电需求为强约束,通过调节网侧变流器,实现EUPS的一次调频、AGC/AVC和峰谷调节等储能功能。

  (3)所提出的EUPS参与多场景电网调节的协调控制策略,可以有效解决电网对储能的并发需求,实现对电网的高效、主动支撑。


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