中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心IDC的快速發(fā)展，為其配備的不間斷電源系統(tǒng)UPS規(guī)模越來(lái)越大，由于UPS的電池系統(tǒng)只有在少數(shù)的停電時(shí)段應(yīng)用，造成了大量的資源閑置。在保證備電的前提下，充分挖掘UPS中電池系統(tǒng)的儲(chǔ)能功能，是一種經(jīng)濟(jì)高效的儲(chǔ)能形式。在常規(guī)UPS的基礎(chǔ)上，提出了儲(chǔ)能型不間斷電源系統(tǒng)（energy storage type of UPS， EUPS）的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，EUPS多種“備電+儲(chǔ)能”應(yīng)用功能的控制策略，以及EUPS參與電網(wǎng)多場(chǎng)景調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控制策略。最后，基于建成的EUPS示范系統(tǒng)，驗(yàn)證了所提的EUPS系統(tǒng)架構(gòu)和控制策略的有效性。
關(guān)鍵詞 儲(chǔ)能型不間斷電源系統(tǒng)；數(shù)據(jù)中心；一次調(diào)頻；峰谷調(diào)節(jié)；協(xié)調(diào)控制
近年來(lái)，隨著5G、云計(jì)算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等數(shù)字技術(shù)的快速普及與應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(internet data center, IDC)行業(yè)規(guī)模增長(zhǎng)迅猛，數(shù)據(jù)顯示，截至2022年底，中國(guó)在用IDC規(guī)模達(dá)到650萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)架，近5年年均復(fù)合增速超30%。與此同時(shí)，IDC已經(jīng)成為電力系統(tǒng)主要電力負(fù)荷之一，2022年IDC總用電量達(dá)2700億千瓦時(shí)，已占社會(huì)總用電量的3%，并呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。
作為一種體量龐大、增長(zhǎng)迅猛的新興負(fù)荷，如何挖掘其可調(diào)節(jié)能力，對(duì)于支撐未來(lái)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展非常有意義。通過對(duì)IDC負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)可以參與電力系統(tǒng)需求響應(yīng)，文獻(xiàn)[7]提出計(jì)及IDC負(fù)荷優(yōu)化運(yùn)行的電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行方法，以及時(shí)空耦合需求響應(yīng)定價(jià)與聚合方法，實(shí)現(xiàn)IDC負(fù)荷按系統(tǒng)需求調(diào)整用電行為的目標(biāo)。文獻(xiàn)[8]分析了IDC電力負(fù)荷在時(shí)間靈活性、空間靈活性和多能轉(zhuǎn)換靈活性方面的潛力。文獻(xiàn)[9]在考慮未來(lái)云服務(wù)任務(wù)不確定性的基礎(chǔ)上，利用基于場(chǎng)景的隨機(jī)優(yōu)化方法將工作負(fù)載分配給不同時(shí)區(qū)的IDC，研究了單個(gè)IDC的最優(yōu)需求響應(yīng)能力。
為保證可靠供電，IDC需要配置不間斷電源系統(tǒng)(uninterruptible power supply, UPS)，UPS含容量可觀的電池系統(tǒng)，但電池僅僅在少數(shù)的停電時(shí)段放電運(yùn)行，大部分時(shí)間為閑置和冗余狀態(tài)。在保證備電功能的前提下，挖掘UPS的儲(chǔ)能功能，參與電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、需求響應(yīng)等，可以提高UPS的資產(chǎn)利用率，以較少的邊際成本實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的靈活性調(diào)節(jié)。
IDC中增加儲(chǔ)能功能的技術(shù)途徑可以包括常規(guī)UPS電池增容、獨(dú)立儲(chǔ)能系統(tǒng)和PCS/UPS融合三種方式。其中，常規(guī)UPS電池增容方式根據(jù)電網(wǎng)電價(jià)和自身負(fù)荷情況單方向調(diào)節(jié)，靈活性較差。獨(dú)立儲(chǔ)能系統(tǒng)方案與常規(guī)的用戶側(cè)儲(chǔ)能電站基本無(wú)異，由于要單獨(dú)配置儲(chǔ)能及其接入系統(tǒng)，成本較高，投資收益性難以保證。PCS/UPS融合技術(shù)集成方案的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)現(xiàn)有IDC的設(shè)計(jì)與建設(shè)方案改動(dòng)大。
基于此，本工作從挖掘數(shù)據(jù)中心UPS電池系統(tǒng)的儲(chǔ)能功能的思路出發(fā)，基于已有的在線雙變換式UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不對(duì)其做出本質(zhì)改動(dòng)，提出EUPS的交流和直流兩種實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。然后，圍繞實(shí)現(xiàn)EUPS系統(tǒng)的備電與儲(chǔ)能控制功能的實(shí)現(xiàn)，本工作進(jìn)一步提出EUPS多種儲(chǔ)能應(yīng)用功能的控制策略，以及EUPS參與電網(wǎng)多場(chǎng)景調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心UPS“備電+儲(chǔ)能”功能，并基于示范系統(tǒng)驗(yàn)證了該技術(shù)架構(gòu)和控制策略的有效性。
1 儲(chǔ)能型不間斷電源系統(tǒng)架構(gòu)
數(shù)據(jù)中心的UPS一般采用在線雙變換式結(jié)構(gòu)，根據(jù)負(fù)荷供電制式可以分為交流型和直流型，配置高功率鉛酸電池，電池容量滿足特定的備電時(shí)長(zhǎng)需求，電池系統(tǒng)在運(yùn)行中長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)。為了充分挖掘UPS的儲(chǔ)能功能，本工作在此基礎(chǔ)上，提出EUPS交流架構(gòu)和EUPS直流架構(gòu)，其實(shí)現(xiàn)的基本思路以目前的在線雙變換式結(jié)構(gòu)UPS為基礎(chǔ)。這種方式對(duì)常規(guī)UPS的系統(tǒng)架構(gòu)不進(jìn)行本質(zhì)調(diào)整，而是對(duì)UPS網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行功能升級(jí)、使其輸出直流電壓值可在線調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)能量雙向流動(dòng)。根據(jù)備電和儲(chǔ)能的時(shí)長(zhǎng)需求，可靈活配置電池系統(tǒng)的容量，隨著鋰電池系統(tǒng)安全性能的提升，也可以應(yīng)用于EUPS系統(tǒng)。在該架構(gòu)下，EUPS實(shí)質(zhì)上是與常規(guī)儲(chǔ)能系統(tǒng)共用變流控制和管理設(shè)備的，所以增加的邊際成本相對(duì)較小，而且不會(huì)降低ICT負(fù)荷的供電可靠性。另外，由于數(shù)據(jù)中心供電的冗余性較大，通過該EUPS架構(gòu)可有效盤活電池系統(tǒng)資源，是一種低成本的儲(chǔ)能系統(tǒng)方案。
1.1 EUPS交流架構(gòu)
EUPS交流系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括UPS交流輸入側(cè)雙向AC/DC變流器、單相DC/AC逆變器EUPS交流輸出至服務(wù)器負(fù)荷之間的AC/DC和DC/DC變流器以及電池系統(tǒng)。
圖1中的EUPS交流架構(gòu)通過調(diào)整網(wǎng)側(cè)變流器，使其具有雙向能量流動(dòng)、直流側(cè)電壓可調(diào)的能力。通過控制網(wǎng)側(cè)變流器的直流電壓輸出值，可以控制服務(wù)器負(fù)荷的能量來(lái)自市電或電池系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)荷用電的峰谷調(diào)節(jié)。通過控制網(wǎng)側(cè)變流器的功率輸出，可以實(shí)現(xiàn)參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓、需求響應(yīng)等儲(chǔ)能功能。
在該架構(gòu)下，EUPS具備了“備電＋儲(chǔ)能”功能，一方面EUPS的供電可靠性與常規(guī)UPS相同，而通過對(duì)電池系統(tǒng)設(shè)置最小荷電狀態(tài)(state of charge, SOC)可以滿足市電故障時(shí)負(fù)荷的持續(xù)工作時(shí)間；另一方面，電池系統(tǒng)多余的電量，又可稱為儲(chǔ)能型UPS的可調(diào)度容量，可以通過EUPS網(wǎng)側(cè)變流器的控制，發(fā)揮儲(chǔ)能功能，如一次調(diào)頻、AGC/AVC和峰谷調(diào)節(jié)等。
1.2 EUPS直流架構(gòu)
EUPS直流系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，包括雙向網(wǎng)側(cè)AC/DC變換器、全橋整流AC/DC變換器、鋰電池系統(tǒng)，以及UPS直流輸出至服務(wù)器的DC/DC變換器。
圖2中的EUPS直流架構(gòu)通過調(diào)整網(wǎng)側(cè)雙向變流器，實(shí)現(xiàn)鋰電池系統(tǒng)的充放電和服務(wù)器負(fù)荷的供電控制。EUPS直流系統(tǒng)架構(gòu)同樣通過控制網(wǎng)側(cè)變流器的功率雙向流動(dòng)，在保證備電功能的前提下，實(shí)現(xiàn)EUPS參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻、AGC/AVC等儲(chǔ)能功能。
1.3 EUPS控制架構(gòu)
EUPS的控制采用電流內(nèi)環(huán)和功率外環(huán)相結(jié)合的雙環(huán)控制方式，如圖3所示。首先功率外環(huán)依據(jù)電網(wǎng)頻率f，電價(jià)信息Pprice及峰谷調(diào)節(jié)功率PPRI，AGC調(diào)節(jié)的有功功率指令值PAGC和AVC調(diào)節(jié)的無(wú)功功率指令值Qref等，通過調(diào)節(jié)控制器執(zhí)行相應(yīng)的控制策略，從而產(chǎn)生外環(huán)的有功功率和無(wú)功功率參考值Pref、Qref。將參考值Pref、Qref與實(shí)際值作比較，經(jīng)過PI控制器產(chǎn)生內(nèi)環(huán)電流參考值Idref和Iqref，然后與內(nèi)環(huán)電流實(shí)際值Id和Iq比較，經(jīng)PI控制器、dq反變換及空間矢量調(diào)制，生成控制EUPS網(wǎng)側(cè)AC/DC變換器開關(guān)管的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)EUPS的控制。
2 EUPS的儲(chǔ)能控制策略
2.1 EUPS一次調(diào)頻策略
EUPS的一次調(diào)頻可充分發(fā)揮EUPS響應(yīng)速度快、可精確控制優(yōu)勢(shì)。EUPS一次調(diào)頻采用虛擬慣性控制和下垂控制結(jié)合的控制方式，控制策略如圖4所示。
如圖4所示，EUPS的一次調(diào)頻控制策略主要包含以下環(huán)節(jié)：①當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)頻率變化后，通過微分控制器得到頻率變化率，將頻率變化率乘以增益系數(shù)KD，得到功率差值P1；②同時(shí)將檢測(cè)到的電網(wǎng)頻率與額定頻率fN比較，求出頻率偏差，根據(jù)設(shè)定的下垂曲線特性和增益系數(shù)Kx，得到功率差值P2；③將以上兩個(gè)環(huán)節(jié)的功率差值求和PFRE=P1+P2；④將PFRE作為功率指令下發(fā)到EUPS，在電池系統(tǒng)的SOC滿足備電需求前提下，實(shí)現(xiàn)功率輸出和一次調(diào)頻功能。一次調(diào)頻功能的控制方程為：
2.2 EUPS的AGC/AVC策略
EUPS的AGC/AVC調(diào)節(jié)是根據(jù)調(diào)度下發(fā)AGC或AVC功率指令到調(diào)節(jié)控制器，調(diào)節(jié)控制器接收到功率指令后，判斷EUPS的電池是否滿足備電需求、以及是否大于可參與AGC和AVC的可調(diào)節(jié)容量，如同時(shí)滿足備電需求和不大于可調(diào)節(jié)容量，此時(shí)調(diào)節(jié)控制器下發(fā)控制指令，通過控制EUPS網(wǎng)側(cè)變流器的直流電壓實(shí)現(xiàn)AGC/AVC調(diào)節(jié)。如不滿足EUPS電池的備電需求或大于可調(diào)節(jié)容量，則調(diào)節(jié)控制器不下發(fā)控制指令到EUPS，EUPS不參與AGC/AVC調(diào)節(jié)。同時(shí)，考慮到儲(chǔ)能的AVC無(wú)功調(diào)節(jié)屬?gòu)膶賵?chǎng)景，故在計(jì)算其可用無(wú)功裕度Qavl時(shí)，應(yīng)首先考慮主應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)節(jié)的有功功率需求Pr，每時(shí)刻的可用無(wú)功裕度約束為：
2.3 EUPS的峰谷調(diào)節(jié)策略
峰谷調(diào)節(jié)是根據(jù)用電電價(jià)的變化，控制負(fù)荷的用電或儲(chǔ)能的充放電行為，從而降低用電成本的一種方法。本工作提出EUPS的峰谷調(diào)節(jié)控制策略，根據(jù)峰-平-谷電價(jià)或?qū)崟r(shí)電價(jià)信息，調(diào)節(jié)EUPS網(wǎng)側(cè)變流器的直流輸出電壓值，控制ICT負(fù)荷的用電電量來(lái)自市電或電池系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)用電的峰谷調(diào)節(jié)。
當(dāng)電價(jià)處于低谷時(shí)段，電網(wǎng)為負(fù)荷提供電能的同時(shí)給EUPS的電池系統(tǒng)充電，直至電池系統(tǒng)的SOC達(dá)到上限值，不再對(duì)電池充電，從而實(shí)現(xiàn)低谷時(shí)段充電。當(dāng)電價(jià)處于平時(shí)段，EUPS網(wǎng)側(cè)變流器直接給負(fù)荷供電，電池系統(tǒng)一般處于浮充狀態(tài)或小電流補(bǔ)電狀態(tài)。當(dāng)電價(jià)處于高峰時(shí)段，首先判斷EUPS是否滿足系統(tǒng)備電時(shí)長(zhǎng)需求，如滿足備電時(shí)長(zhǎng)需求，EUPS網(wǎng)側(cè)變流器通過調(diào)節(jié)直流輸出電壓低于電池系統(tǒng)電壓，從而由電池系統(tǒng)通過負(fù)荷側(cè)逆變器為負(fù)荷供電。
在以上控制過程中，基本的前提是電池系統(tǒng)的SOC應(yīng)滿足備電時(shí)長(zhǎng)需求，如不滿足，則EUPS網(wǎng)側(cè)變流器在任何電價(jià)下都應(yīng)首先給電池系統(tǒng)充電，以盡快恢復(fù)EUPS的備電功能。
2.4 EUPS參與電網(wǎng)多場(chǎng)景調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)控制策略
由于EUPS具備常規(guī)儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)快速、控制靈活的優(yōu)勢(shì)，可以同時(shí)參與電網(wǎng)的多場(chǎng)景調(diào)節(jié)，以獲取更大的運(yùn)行效益，本工作提出EUPS同時(shí)參與電網(wǎng)多場(chǎng)景調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控制策略，如圖5所示。
由圖5所示，當(dāng)EUPS接收到同時(shí)需要參與一次調(diào)頻、AGC/AVC和峰谷調(diào)節(jié)指令時(shí)，首先判斷是否滿足UPS的備電需求，數(shù)據(jù)中心EUPS備電功能是指EUPS留有一定時(shí)間的備電容量，避免因?yàn)槭须娭袛嗪髠潆姇r(shí)長(zhǎng)不夠?qū)е仑?fù)荷供電時(shí)間不足問題，保證負(fù)荷供電可靠性。EUPS的備電容量是通過設(shè)置電池系統(tǒng)SOC下限值實(shí)現(xiàn)的，如不滿足數(shù)據(jù)中心備電功能，則不參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。如滿足備電所設(shè)定的電池系統(tǒng)SOC和備電時(shí)長(zhǎng)需求，EUPS將參與多場(chǎng)景電網(wǎng)調(diào)節(jié)。然后由一次調(diào)頻控制策略、AGC/AVC和峰谷調(diào)節(jié)控制策略確定需要EUPS參與調(diào)節(jié)量PFRE、PAGC、PPRI和Qval；再判斷PFRE、PAGC、PPRI指令是否為同一方向，如同為電池充電指令或同為放電指令，則將有功功率指令疊加下發(fā)到調(diào)節(jié)控制器；如出現(xiàn)矛盾指令，指令的方向相反，或者指令值超過EUPS功率限額時(shí)，則通過優(yōu)先級(jí)約束不同指令執(zhí)行的先后順序。
按照儲(chǔ)能參與電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)高效的邏輯，優(yōu)先級(jí)設(shè)定的順序?yàn)椋孩僖淮握{(diào)頻；②AGC；③峰谷調(diào)節(jié)。按照優(yōu)先級(jí)順序下發(fā)指令到調(diào)節(jié)控制器；系統(tǒng)接收到無(wú)功調(diào)節(jié)指令時(shí)，即AVC，在確定Qval時(shí)，需滿足功率三角形約束，即：圖片。同時(shí)設(shè)定的優(yōu)先級(jí)指令之間是互鎖關(guān)系，如根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序執(zhí)行指令①，其他指令將被鎖住，不再被執(zhí)行。同理如按照優(yōu)先級(jí)順序執(zhí)行其他指令，剩余的指令將被鎖住，不會(huì)再執(zhí)行。
3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
3.1 示范系統(tǒng)
基于上述研究，本工作建立了EUPS示范系統(tǒng)，驗(yàn)證提出的EUPS系統(tǒng)架構(gòu)及控制技術(shù)。EUPS示范現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示，EUPS示范系統(tǒng)包含電池系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中，控制系統(tǒng)中額定功率為150 kVA的EUPS設(shè)備是基于本工作提出的EUPS交流架構(gòu)研發(fā)的，采用模塊并聯(lián)技術(shù)、EUPS網(wǎng)側(cè)變流器由3個(gè)50 kVA變流器模塊并聯(lián)組成、負(fù)荷側(cè)變流器由3個(gè)50 kVA變流器模塊并聯(lián)組成，EUPS網(wǎng)側(cè)AC/DC變換器的交流側(cè)額定電壓為380 V、直流側(cè)電壓變化范圍為600～900 V?？刂葡到y(tǒng)中選用倍福PLC工控機(jī)作為調(diào)節(jié)控制器，并配置顯示屏。調(diào)節(jié)控制器對(duì)上實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)調(diào)度的通信，對(duì)下采用EtherCat協(xié)議實(shí)現(xiàn)與EUPS系統(tǒng)的通信和控制；同時(shí)通過modulbus TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與電池管理系統(tǒng)通信，完成單體電池信息的直接采集。EUPS系統(tǒng)的變流器部分通過RS485協(xié)議實(shí)現(xiàn)與EUPS電池系統(tǒng)的通信和控制，EUPS設(shè)備配置容量為115 kWh的磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)，電池單體容量為40 Ah，電池采用3簇并聯(lián)，簇電壓為716.8 V，支持0.25 C～2 C的功率實(shí)驗(yàn)。
3.2 結(jié)果與分析
3.2.1 一次調(diào)頻實(shí)驗(yàn)
預(yù)先編制電網(wǎng)頻率模擬表，設(shè)置實(shí)驗(yàn)負(fù)荷為30 kVA。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到電網(wǎng)頻率發(fā)生變化并超出頻率調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)，執(zhí)行一次調(diào)頻策略，按照?qǐng)D4計(jì)算功率PFRE并將PFRE指令下發(fā)到EUPS，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率的快速調(diào)節(jié)。電網(wǎng)頻率模擬變化曲線如圖7所示，圖8為系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)有功功率跟隨曲線。
對(duì)比圖7和8可知，EUPS可及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)的頻率變化。當(dāng)電網(wǎng)頻率高于額定頻率時(shí)，EUPS通過充電的方式降低電網(wǎng)頻率。如圖7所示，在120 s之前出現(xiàn)了多段電網(wǎng)頻率高于額定頻率的情況，對(duì)應(yīng)圖8可以清晰看出，網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率輸出一方面保證30 kVA負(fù)荷供電，另一方面給電池系統(tǒng)充電，以響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化；同樣如圖7所示，在130 s之后出現(xiàn)多段電網(wǎng)頻率低于額定頻率的情況，對(duì)應(yīng)圖8可清晰看出，網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率輸出多次響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，此時(shí)電池系統(tǒng)放電，實(shí)現(xiàn)了參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的目的。
3.2.2 AGC調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)
通過上位機(jī)模擬調(diào)度，向PLC控制器下達(dá)有功功率調(diào)節(jié)指令，PLC控制器接收到上位機(jī)指令后將有功調(diào)節(jié)指令下發(fā)到EUPS。上位機(jī)下發(fā)的功率指令依次為：-30 kW，+15 kW，-30 kW，-60 kW，-30 kW。EUPS參與AGC實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9和10所示。
圖9為EUPS參與AGC調(diào)節(jié)過程中網(wǎng)側(cè)有功功率與下發(fā)的AGC調(diào)節(jié)指令之間的跟隨關(guān)系，分析可知，網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率響應(yīng)AGC功率指令快速且及時(shí)；圖10為EUPS AGC調(diào)節(jié)過程中網(wǎng)側(cè)電流和電池系統(tǒng)電流的變化曲線。
3.2.3 AVC調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)
EUPS參與AVC調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)與EUPS參與AGC調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)原理相同，利用上位機(jī)模擬調(diào)度，向PLC下達(dá)無(wú)功功率調(diào)節(jié)指令，PLC調(diào)節(jié)控制器接收到無(wú)功調(diào)節(jié)指令后將指令下發(fā)到EUPS，測(cè)試無(wú)功功率的指令響應(yīng)情況。上位機(jī)下發(fā)AVC無(wú)功功率指令依次為：0 kVar、-45 kVar、0 kVar、+45 kVar、0 kVar，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11和12所示。
圖11為EUPS參與AVC調(diào)節(jié)過程中網(wǎng)側(cè)無(wú)功功率與下發(fā)的AVC調(diào)節(jié)指令之間的跟隨關(guān)系，分析可知，網(wǎng)側(cè)變流器的無(wú)功功率響應(yīng)AVC無(wú)功指令快速及時(shí)；圖12為EUPS AVC調(diào)節(jié)過程中電池電流和網(wǎng)側(cè)電流變化曲線。
3.2.4 峰谷調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)中EUPS的峰谷調(diào)節(jié)是由PLC調(diào)節(jié)控制器根據(jù)分時(shí)電價(jià)引導(dǎo)，控制EUPS充放電實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)以一分鐘模擬實(shí)際一小時(shí)，即24分鐘模擬一天完整的峰谷調(diào)節(jié)過程。實(shí)驗(yàn)過程中，基于示范實(shí)際情況，電價(jià)選取廣東省粵北區(qū)電價(jià)。詳細(xì)的電價(jià)信息如表1所示，該電價(jià)全天高峰時(shí)段共計(jì)7小時(shí)，平時(shí)段共計(jì)9小時(shí)，低谷時(shí)段共計(jì)8小時(shí)?；陔妰r(jià)信息，PLC調(diào)節(jié)控制器給EUPS下發(fā)控制指令，下發(fā)的功率指令如表1所示，峰谷調(diào)節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13和14所示。
圖13為EUPS參與峰谷調(diào)節(jié)過程中網(wǎng)側(cè)有功功率與調(diào)節(jié)指令之間的跟隨關(guān)系，從圖13可知網(wǎng)側(cè)有功功率對(duì)調(diào)節(jié)控制器下發(fā)的峰谷調(diào)節(jié)指令快速響應(yīng)；同時(shí)可以看出，當(dāng)電價(jià)處于谷時(shí)段(0～480 s時(shí)段內(nèi))，PLC下發(fā)功率指令為-60 kW，此時(shí)由電網(wǎng)為30 kVA負(fù)荷供電，并以30 kW功率給EUPS充電；當(dāng)電價(jià)處于平時(shí)段(480～600 s、720～840 s和1140～1400 s時(shí)段內(nèi))，PLC下達(dá)功率指令為-30 kW，此時(shí)由電網(wǎng)給負(fù)荷供電，EUPS處于不充不放狀態(tài)；當(dāng)電價(jià)處于峰時(shí)段(600～720 s時(shí)段內(nèi)和840～1140 s時(shí)段內(nèi))，PLC下達(dá)功率指令為0 kW，此時(shí)EUPS放電給負(fù)荷供電。圖14為EUPS參與峰谷調(diào)節(jié)過程中網(wǎng)側(cè)電流和電池電流的變化，可以發(fā)現(xiàn)在電價(jià)峰值時(shí)段，PLC下發(fā)到網(wǎng)側(cè)功率指令為0 kW，而圖中網(wǎng)側(cè)電流并不為0，這是因?yàn)榫W(wǎng)側(cè)存在無(wú)功功率電流。
3.2.5 多場(chǎng)景電網(wǎng)調(diào)節(jié)仿真驗(yàn)證
EUPS參與電網(wǎng)多場(chǎng)景調(diào)節(jié)的仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景構(gòu)造系統(tǒng)正常運(yùn)行，負(fù)荷為30 kVA。需要EUPS同時(shí)參與一次調(diào)頻、AGC、峰谷調(diào)節(jié)和AVC多場(chǎng)景的電網(wǎng)調(diào)節(jié)，各功能的下發(fā)功率指令如圖15所示。根據(jù)本工作所提的協(xié)調(diào)控制策略，網(wǎng)側(cè)和電池的實(shí)際有功功率如圖16所示，網(wǎng)側(cè)與電池側(cè)電流如圖17所示。
對(duì)比圖15、16可知，本工作提出的EUPS參與電網(wǎng)多場(chǎng)景調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控制策略有效解決EUPS在參與電網(wǎng)多場(chǎng)景調(diào)節(jié)時(shí)的協(xié)調(diào)控制問題。在圖15中18～30 s時(shí)段內(nèi)，多場(chǎng)景功率調(diào)節(jié)指令出現(xiàn)矛盾、相反的情況，此時(shí)一次調(diào)頻功率指令為-34.2 kW、AGC調(diào)節(jié)指令為15 kW、峰谷調(diào)節(jié)功率指令為-30 kW。此時(shí)對(duì)應(yīng)圖16中的結(jié)果表明該時(shí)段內(nèi)只是按照設(shè)定的優(yōu)先級(jí)順序執(zhí)行一次調(diào)頻策略，其他調(diào)節(jié)指令被鎖住，并未執(zhí)行。分析可知：網(wǎng)側(cè)有功功率為-34.2 kW，其中30 kW為負(fù)荷供電，另外4.2 kW給電池充電。在圖15中140～185 s時(shí)段內(nèi)，PLC下發(fā)的調(diào)節(jié)指令之間并未出現(xiàn)矛盾的情況，此時(shí)一次調(diào)頻功率指令為0 kW，AGC調(diào)節(jié)功率指令為-60 kW，峰谷調(diào)節(jié)功率指令為-60 kW，對(duì)應(yīng)圖16中結(jié)果表明該時(shí)段各功率指令按照本工作所提的協(xié)調(diào)控制策略被疊加后執(zhí)行。通過分析可知：EUPS網(wǎng)側(cè)接收到的功率指令為-60 kW，其中30 kW給負(fù)荷供電，剩余的30 kW給電池充電。
4 結(jié) 論
本工作基于數(shù)據(jù)中心常規(guī)不間斷電源系統(tǒng)UPS的供電模式，提出儲(chǔ)能型不間斷電源系統(tǒng)EUPS系統(tǒng)典型架構(gòu)，以及“備電+儲(chǔ)能”控制方法及參與電網(wǎng)多場(chǎng)景調(diào)節(jié)的控制策略，為數(shù)據(jù)中心閑置資源盤活、儲(chǔ)能發(fā)展提供了新思路和新方法。本工作的主要結(jié)論如下：
（1）提出的EUPS交流供電架構(gòu)和直流供電架構(gòu)盤活了數(shù)據(jù)中心閑置的電池資源，且不影響數(shù)據(jù)中心原有供電可靠性。
（2）基于提出的EUPS架構(gòu)，在控制策略上以備電需求為強(qiáng)約束，通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)變流器，實(shí)現(xiàn)EUPS的一次調(diào)頻、AGC/AVC和峰谷調(diào)節(jié)等儲(chǔ)能功能。
（3）所提出的EUPS參與多場(chǎng)景電網(wǎng)調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控制策略，可以有效解決電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能的并發(fā)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的高效、主動(dòng)支撐。
