978-1-5386-6705-7/18/$31.00 ©2018 IEEE
Управление потоком питания постоянного
Дата
Юэ Ю Токийский Токио, Япония
yu-yue1@ed.tmu.ac.jp
Кейджи Вада
активного мостового преобразователя (TAB), который может быть и будет показано управление потоком мощности между тремя
системами распределения электроэнергии постоянного тока. Язычковый трех преобразователей постоянного/переменного тока, соединенных возможность передавать мощность в произвольных направлениях. В предложены системы распределения мощности постоянного тока для TAB-преобразователя для балансировки мощности от источников Особенностью этой системы является отсутствие батареек
. Затем
объясняются управление потоком мощности с обратной связью по нагрузки для регулировки состояния несбалансированной нагрузки в центрах обработки данных. В результате моделирования была
системы распределения электроэнергии постоянного тока с использованием центре обработки данных и управление потоком мощности для системы распределения электроэнергии. Из этих результатов подтверждается мощности , а также доказывается функциональное поведение предлагаемых
трех систем распределения мощности постоянного тока с использованием
.
Ключевые слова—Система распределения электроэнергии постоянного управление, управление потоком энергии, Тройной активный мостовой
И.
Я
NTPRODUCTION
В течение последнего десятилетия потребление электроэнергии коммерческими энергосистемами было ускорено в связи с развитием глобальных облачных вычислений, больших данных и
крупных технологических компаний, что привело к быстрому росту спроса на центры обработки данных[1]. Расширенные центры обработки данных требуют высокого
спроса на энергию[2], серверы и инфраструктура центров обработки данных истощили, по оценкам, 7% мировой электроэнергии. Кроме того, электроэнергия, потребляемая американскими дата-центрами
,по оценкам, ежегодно увеличивается примерно на 10% [3] [4]. С другой стороны, эти исследования и отчеты выявили жестокую реальность того факта, что традиционные центры обработки данных все еще полагаются на
ископаемые источники энергии для энергоснабжения, такие как нефть и природный газ, что вызвало сосредоточенную озабоченность в области экологических проблем и предотвращения загрязнения. При этом условии
создается эффективная и высоконадежная система распределения электроэнергии, способная повысить производительность и экономить энергию
,крайне необходимую.
Рис.1. Обычная система распределения электроэнергии в дата-центре.
В большинстве центров обработки данных, используемых в последнее время, традиционная система распределения электроэнергии представлена на рис.1, где источник входного напряжения должен проходить через несколько
ступеней преобразования от источника входного переменного тока. Блоки распределения питания (AC/DC и DC/DC) преобразуются в источник постоянного напряжения, который может быть использован оборудованием ИКТ (Информационно-коммуникационные технологии) и серверами в центре обработки данных. Преобразование переменного тока в постоянный необходимо, поскольку нагрузки центра обработки данных используются только в постоянном напряжении. Эти процедуры преобразования энергии приводят к потере энергии не только при преобразовании энергии, но и при охлаждении. Развертывание
системы распределения электроэнергии постоянного тока в ЦОД взамен традиционного переменного тока является эффективным способом сокращения ненужных преобразований, потерь энергии и снижения энергозатрат [5]-[7]. В традиционной системе распределения электроэнергии необходима резервная система, такая как батареи, чтобы центр обработки данных не пострадал от перебоев[8]. Однако объем и стоимость
обычных аккумуляторов слишком велики, поэтому реализация высокоэффективных систем распределения электроэнергии постоянного тока, не использующих аккумулятор , не требуется.
Среди многих уровней напряжения шины в системах распределения постоянного тока [9] [10] было введено преимущество выбора напряжения постоянного тока 380
В в качестве напряжения шины передачи в системе распределения электроэнергии
. Сравните с традиционной системой распределения электроэнергии переменного тока, 380V DC обеспечивает очевидные преимущества, такие как более высокая надежность, более высокая эффективность, более низкая стоимость и объем, делают систему распределения постоянного тока 380V наиболее потенциальным выбором.
Большое количество научно-исследовательских институтов и компаний в настоящее время пытаются разработать продукты, которые могут быть применены в распределительных системах постоянного тока напряжением 380 В[11][12]. Кроме того,
были опубликованы промышленные стандарты для развертывания уровня 380В систем питания постоянного тока , которые обозначали напряжение шины между
260 и 400В[13].
Исследователи и инженеры исследовали тройной активный мостовой (TAB) DC-DC преобразователь с
конфигурацией функции изоляции, который может быть использован для распределения мощности [14][15]. Язычковый преобразователь состоит из трех независимых активных Н-мостовых ячеек с внешними индуктивностями, соединенных через трехобмоточный высокочастотный трансформатор.
Была введена система распределения мощности постоянного тока, использующая TAB-преобразователь , и описаны ее преимущества [16]. Кроме того, мощность постоянного тока можно регулировать в трех направлениях.
В данной работе предлагаются системы распределения электроэнергии постоянного тока с использованием TAB-преобразователя для центра обработки данных без каких-либо батарей, как показано
на рис. 2. Управление потоком мощности, которое может решить ситуацию
непостоянного спроса на мощность нагрузки в центрах обработки данных и достичь функции балансировки нагрузки. Используя язычковый преобразователь, когда мощность одной нагрузки распределительных систем постоянного тока уменьшается,
язычковый преобразователь может реагировать на балансировку мощности в каждом источнике питания постоянного тока. Обсуждается управление обратной связью управления балансировкой нагрузки и балансировкой входной мощности. Приведены результаты моделирования распределения мощности в центрах обработки данных с полной нагрузкой и
в режиме половинной нагрузки с использованием преобразователей с регулируемым потоком мощности TAB. Результаты моделирования показывают работу системы управления потоком мощности для систем распределения электроэнергии постоянного тока с непостоянными
требованиями к мощности в центре обработки данных и поведение предложенной структуры.
.
II.
М
ОДЕЛИНГ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
В
ВКЛАДКА
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
.
А.
Топология TAB - конвертера
Топология TAB-конвертера состоит из трех активных H-
мостовые преобразовательные ячейки, которые соединены через трехобмоточный трансформатор, как видно из рис.3. На вкладке
преобразователь, f
sw
представляет собой частоту переключения, в то время как индуктивности, Л
е1
, Л
е2
, и L
e3
являются ли внешние индукторы подключенными к стороне переменного тока в каждом порту. Каждая форма сигнала напряжения на стороне переменного
тока имеет квадратную форму, а коэффициент заполнения устанавливается равным 50%. Первичная, вторичная и третичная стороны язычкового преобразователя могут быть подключены к источнику постоянного напряжения, а передача мощности между тремя сторонами через трансформатор может быть достигнута
только управлением сдвигом фазы. Предполагается, что каждое постоянное напряжение является постоянным, и это то же самое, что и распределение постоянного тока. Разность фазовых сдвигов сигналов затвора между первичной и вторичной сторонами представлена δ
2
[рад], в то время как сигнал между первичной стороной и третичной стороной представлен
δ
3
[рад], как показано на рис. 4.
В.
Управление фазовым сдвигом для табуляционного преобразователя
После определения фазового сдвига табуляционного преобразователя, фаза управление переключением используется в системе распределения электроэнергии. На рис.4 показана схема фазового сдвига и работа под управлением фазового сдвига. Вот, С
1
к S
3
являются ли сигналы затвора каждого активного мостовой преобразователь и u
1
к вам
3
являются ли каждый из них боковым напряжением переменного тока. В закладке преобразователя суммарный расход энергии в системе
через трансформатор получается следующая формула: = 0 (1)
Рис. 2. Схема системы распределения электроэнергии постоянного тока с использованием TAB-преобразователя в дата-центре.
Рис. 3. Топология конвертера вкладок.
Рис. 4. Фазосдвигающие формы сигналов табуляционного преобразователя.
Реляционное выражение потока мощности P
1
, П
2
, П
3
, а также фазовый сдвиг δ
2
, и δ
3
можно вывести и следующие уравнения при условии одинакового входного напряжения постоянного тока и внешней индуктивности:
Рис.5.Замкнутый контур управления обратной связью регулятора мощности табуляционного преобразователя.
Когда
0 ≤
≤
:
=
(
)
(
)
=
(
) ( )(
)
=
(
) ( )(
)
(2)
Когда
0 ≤
≤
:
=
(
)
(
)
=
(
) ( )(
)
=
(
) ( )(
)
(3)
Как показано из (2) и (3), когда параметры схемы
фиксированы, потоками мощности TAB-преобразователя можно управлять с помощью регулятора фазового сдвига.
Система распределения мощности с использованием язычкового преобразователя.
Основываясь на характеристике язычкового преобразователя, система распределения мощности с использованием вкладки и примененного
источника питания постоянного тока была построена для трех систем распределения постоянного тока , как показано на рис.2. В системе распределения электроэнергии резистивные нагрузки в терминале силовых стоек представляют собой серверы и
другое ИКТ-оборудование центра обработки данных, в то время как источники постоянного тока V
DC
подается входная мощность на каждую нагрузку в дата-центре [17]. При нормальной работе дата-центра входные источники постоянного тока, В
DC1
,
V
DC2
, и V
DC3
непосредственно обеспечивают питание, которое будет использоваться нагрузками, без применения конвертера вкладок.
В системе распределения электроэнергии язычковый преобразователь используется в качестве силового маршрутизатора. В ситуациях увеличения
и уменьшения спроса на резистивные нагрузки, а также полной нагрузки и половинной нагрузки, которые могут возникнуть в центре обработки данных,
необходимо требование передачи постоянного тока между силовыми стойками
. С помощью TAB-преобразователя и
регулятора потока мощности можно добиться балансировки мощности каждого источника постоянного тока
.
III.
П
ЦВЕТОК
F
НИЗКИЙ
С
ONTROL ДЛЯ
DC
П
ЦВЕТОК
D
ИСТРИБУЦИЯ
S
ИСТЕМ
А.
Замкнутый контур управления обратной
связью При работе регулятора расхода мощности для управления мощностью система распределения с помощью TAB преобразователя, точный контроль метод необходим для контроля амплитуды мощности
, передаваемой на резистивную нагрузку, в условиях полной и половинной нагрузки
. В этом разделе демонстрируется управление с обратной связью по замкнутому контуру, основанное на управлении фазовым сдвигом для системы распределения мощности постоянного тока.
Процедура управления фазовым сдвигом замкнутого контура показана на рис. Рис. 5, где P
2
*, и P
3
* представьте опорную мощность для язычкового преобразователя во вторичной и третичной сторонах. Когда передача мощности системы распределения мощности изменяется,
язычковый преобразователь действует как функция силового маршрутизатора, чтобы доставить изменяющееся значение мощности через трансформатор. Когда
опорные значения P
2
*, и P
3
* изменяются, используя обратную связь управления фазовым сдвигом и обратную связь напряжения реального времени, выходная мощность Р
2
, и П
3
может регулироваться в перспективе опорного значения.
Согласно (2) и (3) ясно, что при изменении фазы сдвиг δ
2
и δ
3
, мощность, передаваемая в трех сторонах вкладки преобразователь Р
1
, П
2
и П
3
будет управляться и так, как постоянный ток ток I
2
и я
3
о вторичной и третичной сторонах. При непосредственном изменении передаваемой мощности вторичной стороны амплитуда мощности на третичной стороне также будет нарушена , как и точность управления.