本文是一篇电气自动化论文，本文提出的新型数据中心供电系统，从结构上和理论分析中可以得出其相较传统数据中心供电系统，具有更加高效，控制更加简易的特点。
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
近年来，随着互联网、云计算、5G技术以及区块链等技术的蓬勃发展，对于数据的存储空间、交换速率和计算力等需求也在不断的增加[1]。数据处理的方式开始变得越来越集约化，为了应对不断增加的数据存储和数据处理任务，全球数据中心的规模在不断扩大[2]。数字经济规模从2005年的2.6万亿增长到了2019年的35.8万亿[3]。2019年，国家发改委在《产业调整指导目录（2019年本）》中，新增的鼓励类产业中包括了大数据、云计算和数据中心[4]。。到2022年，我国数据中心装机规模已经超过590万台标准机架，服务器规模大约2000万台，算力总规模已经达到了全球第二的水平[5]。数据中心这一新兴的时代产物，已经在我国广泛运用于通讯、互联网、能源、制造、政府、金融等各行各业[6]。预计在2025年，我国将成为全球数据量最多，数据资源最丰富的国家之一[7]。
数据中心的可靠运行，离不开一个稳定的供电系统。美国电信行业协会在2010年制定的《数据中心的通信基础设施标准（TIA-942）》[8]，以及我国2018年开始实施的GB50174-2017《数据中心设计规范》中都提到了，数据中心的等级划分中一个重要的参考因素就是数据中心供电系统的分配路径和年平均故障时间[9]。
数据中心往往都是需要全年全天候工作，现代化的数据中心功率甚至可以超过一百兆瓦[10]，因此其耗电量非常大。2020年，我国数据中心的总耗电量约为107.6×10 Kwh，约占全年全国总耗电量的1%[11]。对于数据中心的供电及用电而言，电力使用效率（Power Usage Effectiveness, PUE）就显得尤为重要。PUE可以用式(1-1)来进行计算[12]。
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1.2 国内外研究现状
目前国内外常见的数据中心供电系统结构包括交流交流不间断电源（Alternating Current Uninterruptible Power Supply, AC UPS）、高压直流供电（High Voltage Direct Current, HVDC）、低压直流供电（Low Voltage Direct Current, LVDC）以及分布式供电系统等[17]。
1.2.1 AC UPS不间断供电技术
AC UPS是目前市场上占有率最高，使用最普遍的一种数据中心供电技术。其结构如图1-2所示。AC UPS能够提供高质量且无时间中断的交流电[18]。在为数据中心供电中主要有两个作用，一是改善电能质量，当网侧电压出现电压突增突降，或是有干扰的情况下，AC UPS对负载起到一定的保护缓冲作用。二是起到一个后备电源的作用，当网侧断电后，由AC UPS为负载供电[19]。
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如图1-2所示，AC UPS内部包含整流电路，蓄电池及为其充放电的电路，逆变电路和旁路开关几个部分[20]。当电网正常运行时，电网通过AC UPS给蓄电池充电并通过旁路开关给数据中心供电，当电网出现电能质量下降，或者断电的情况，则由蓄电池通过为其充放电的装置及一级逆变电路，给交流母线供电。
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第2章 数据中心供电电源系统拓扑结构设计
2.2 移相变压器整流输出电压分析
三相变压器输出经三相不控整流后，输出为一个交流分量为一个6脉波的直流电压。，如图2-1所示。单个脉冲的导通角为60º，从而6脉波构成一个周期。
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当n值较大时，实际上单个绕组输出的导通角是比较小的，而变压器在绕制的过程中，杂散参数和线圈匝数的整定会影响线圈的输出电压，出现输出电压比额定值偏大或偏小的问题。如果将所有绕组经整流后并联，可能会出现部分绕组始终没有电流的情况，绕组数量越多，导通角越小，该情况就会越严重。因此实际运用中，并不能将所有绕组进行简单的整流后并联，虽然这样做可以有效减小输出电压纹波。根据波形分析可以知道，导通角即为移相变压器两个相邻绕组间的移相角度。
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2.3 电源系统结构
根据第一章和本章2.2.1小节的分析，本文提出的巴拿马电源系统结构如图2-3所示。
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如图2-3所示，根据上一节分析可知，由两个相角相差30º的绕组经整流后并联接一路直流变换器，因此移相变压器副边需要偶数个移相绕组，即2n个绕组，且第x（x≤n）个绕组和第n+x个绕组的相位需要相差30º，后级所接的直流变换器形成交错并联，以减小电源输出电压的波动。同时各变换器进行均流控制，使各绕组均匀输出电流，以提升系统使用寿命，并减小因不均流造成的变压器原边电流THD的影响。在整个系统中，移相变压器起到隔离和减小网侧输入电流THD的作用，直流变换器主要负责输出电压的调整及均流，保护等作用。
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第3章 多相移相变压器的原理分析和设计 ............................ 16
3.1 引言 .................................... 16
3.2 移相变压器的分类 ............................ 16
第4章 交错并联buck电路特性分析和均流策略 ..................... 29
4.1 引言 ................................... 29
4.2 单个Buck变换器电流纹波分析 ............................ 29
第5章 交错并联降压变换器控制策略研究 ....................... 44
5.1 引言 .................................. 44
5.2 小信号模型分析 .............................. 44
第6章 电路搭建与实验验证
6.1 引言
为了验证本文所设计的数据中心供电电源拓扑结构及控制方法，搭建了一套供电系统样机，输入输出参数如表6-1所示。并对系统进行闭环控制，本章将给出包括移相变压器和交错并联buck变换器在内的主电路设计，以及包括采样和驱动电路在内的其他硬件电路部分设计和程序设计，并进行实验验证。
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结论
本文针对于一种新型的基于移相变压器的数据中心的供电系统，进行结构及软硬件设计并通过实验验证，主要工作总结如下。
（1）基于已有的数据中心供电系统，提出了新型数据中心供电系统的结构，并对于结构的合理性进行了理论分析和计算。
（2）对供电系统结构中的移相变压器，针对目前的移相变压器结构进行了结构选型，对移相变压器的匝比及移相角度进行分析和电流谐波畸变计算，分析了经三相全桥整流器后并联的不同绕组的漏感和电阻对于各绕组电流的影响，结合经济性和电流总谐波畸变等要求，采用结构为延边三角形的12相移相变压器，并采用Saber仿真软件对变压器进行了仿真验证。
（3）对供电系统结构中的直流变换器进行设计，针对系统结构特点和负载需求，选用交错并联的buck变换器。对交错并联buck变换器进行纹波电流、纹波电压和损耗与并联相数的关系进行分析，综合系统结构和数据中心对于电能质量的需求，选用6相的交错并联buck，然后对于并联均流的控制方法进行分析，并确定采用数字控制的方式对交错并联buck进行均流。
（4）采用小扰动法对交错并联buck变换器进行建模，得到变换器的状态空间方程。并针对系统结构特点和负载需求，选用LADRC控制策略设计控制算法，并在其中加入了均流策略，设计了一个基于平均电流控制的双闭环控制系统。对于控制策略进行参数整定，基于参数整定，对控制系统进行搭建，通过仿真对控制算法进行验证。
（5）对于本文中所提出的数据中心供电系统，设计了主电路中各器件的参数，对于电流采样和电压采样电路及驱动电路进行主要器件选型和电路设计，采用TI公司型号为TMS320F28335的DSP芯片，对软件控制系统进行设计，针对交错并联buck所需的交错发波，采用载波移相的方式实现，并分析了其原理。搭建了一台5kW的样机。通过对样机的实验，验证了移相变压器原边电流的总谐波畸变约为2.5%。通过对照实验，验证了LADRC控制算法较传统PI控制算法对于系统稳定性的改善。通过对于参与交错并联buck变换器数量的控制，得到6路交错并联电压纹波较单路导通降低约85%，并验证了控制策略中多路并联的效果。各项实验结果基本符合仿真和理论计算结果。
参考文献（略）