From Liability to Asset: A Three-Mode Grid-Forming Control Framework for Centralized Data Center UPS Systems

📄 arXiv: 2512.16497v1 📥 PDF

作者: Mohamed Shamseldein

分类: eess.SY

发布日期: 2025-12-18

💡 一句话要点

针对数据中心UPS系统，提出三模式并网控制框架，提升弱电网适应性。

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 数据中心 不间断电源 并网控制 弱电网 电压暂降 频率响应 储能系统

📋 核心要点

  1. 数据中心负载波动和故障易对弱电网造成冲击，传统UPS难以兼顾电网稳定和供电可靠性。
  2. 提出三模式控制框架，协调UPS在正常、故障和频率响应三种模式下的运行，优化电网交互。
  3. 仿真结果表明，该方法能显著降低故障期间的IT能量损失，并改善电网电压恢复和频率响应。

📝 摘要（中文）

人工智能负载正将大型数据中心转变为高度动态的电力电子负载；故障期间的行为和负载脉冲可能会给互联的弱电网带来压力。本文提出了一种集中式中压（MV）不间断电源（UPS）控制架构，该架构实现为三种运行模式：模式1调节直流母线并塑造正常运行时的电网消耗；模式2通过UPS电池储能系统（UPS-BESS）缓冲，强制执行具有电流限制的故障模式P-Q优先级以及速率限制的故障后“软返回”；模式3可选地通过电网消耗调制提供基于下垂的快速频率响应。基频平均dq仿真（50 MW模块，短路比（SCR）= 1.5，0.5 p.u.三相骤降150毫秒）显示零未服务信息技术（IT）能量（0.00000 MWh，而瞬时中断基准为0.00208 MWh），0.57 p.u.峰值逆变器电流（而同步参考系锁相环（SRF-PLL）低电压穿越（LVRT）基线为1.02 p.u.），0.20 p.u.的非零平均故障窗口电网消耗（而瞬时中断约为0），以及一个周期后改善的稳定公共连接点（PCC）电压最小值0.79 p.u.（而0.66 p.u.）。一个强制振荡案例研究应用了一个1 Hz脉冲负载（+/- 0.25 p.u.），并表明正常运行整形可以过滤掉电网看到的振荡，而UPS-BESS可以缓冲脉冲分量。

🔬 方法详解

问题定义：数据中心UPS系统需要保证供电的可靠性，但同时数据中心的负载特性（如AI负载）会导致电网侧出现电压骤降、频率波动等问题，尤其是在弱电网环境下。传统UPS控制策略难以在保证供电的同时，兼顾电网的稳定运行。现有方法在故障期间可能导致IT设备能量损失，且对电网的支撑能力有限。

核心思路：本文的核心思路是设计一个三模式的UPS控制框架，根据不同的电网状态（正常、故障、频率异常）切换不同的控制目标。通过协调UPS的运行模式，既保证数据中心的供电可靠性，又能够为电网提供必要的支撑，从而提高数据中心在弱电网环境下的适应性。

技术框架：该控制框架包含三个主要模式： 1. 模式1（正常运行）：调节直流母线电压，并对电网的功率消耗进行整形，以减少对电网的干扰。 2. 模式2（故障模式）：在电网发生故障时，利用UPS-BESS提供缓冲，并实施电流限制的P-Q优先级控制，同时采用速率限制的故障后“软返回”策略，以平滑过渡到正常运行状态。 3. 模式3（频率响应）：可选模式，通过电网功率消耗的调制，提供基于下垂控制的快速频率响应，以支持电网的频率稳定。

关键创新：该方法的主要创新在于提出了一个综合性的三模式控制框架，能够根据电网状态动态调整UPS的控制目标，从而在保证供电可靠性的同时，增强了电网的稳定性。与传统的单一控制模式相比，该方法具有更好的适应性和性能。

关键设计： * 模式切换策略：根据电网电压和频率的变化，设计合理的模式切换阈值和逻辑，以保证控制的平稳过渡。 * 故障模式下的P-Q优先级控制：根据IT设备的功率需求，合理分配有功功率（P）和无功功率（Q）的优先级，以最大程度地减少IT设备的能量损失。 * 速率限制的“软返回”策略：在故障恢复后，采用速率限制的控制策略，避免对电网造成冲击。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

仿真结果表明，与瞬时中断基准相比，该方法实现了零IT能量损失（0.00000 MWh vs. 0.00208 MWh）。峰值逆变器电流从1.02 p.u.降低到0.57 p.u.（与SRF-PLL LVRT基线相比）。故障期间的平均电网消耗为0.20 p.u.（而瞬时中断约为0）。公共连接点电压最小值在一个周期后提高到0.79 p.u.（而0.66 p.u.）。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于大型数据中心的中压UPS系统，尤其是在连接到弱电网的数据中心。通过提高数据中心对电网扰动的适应能力，降低因电网故障导致的数据中心服务中断风险，保障数据中心关键业务的连续性。该技术还有助于提高电网的整体稳定性，促进可再生能源的接入。

📄 摘要（原文）

AI workloads are turning large data centers into highly dynamic power-electronic loads; fault-time behavior and workload pulsing can stress weak-grid points of interconnection. This paper proposes a centralized medium-voltage (MV) uninterruptible power supply (UPS) control architecture implemented as three operating modes: Mode 1 regulates a DC stiff bus and shapes normal-operation grid draw, Mode 2 enforces current-limited fault-mode P--Q priority with UPS battery energy storage system (UPS-BESS) buffering and a rate-limited post-fault "soft return," and Mode 3 optionally provides droop-based fast frequency response via grid-draw modulation. Fundamental-frequency averaged dq simulations (50 MW block, short-circuit ratio (SCR) = 1.5, 0.5 p.u. three-phase dip for 150~ms) show zero unserved information-technology (IT) energy (0.00000 MWh vs.0.00208 MWh for a momentary-cessation benchmark), a 0.57 p.u. peak inverter current (vs. 1.02 p.u. for a synchronous-reference-frame phase-locked loop (SRF-PLL) low-voltage ride-through (LVRT) baseline), a nonzero mean fault-window grid draw of 0.20~p.u. (vs.approx 0 for momentary cessation), and an improved settled point-of-common-coupling (PCC) voltage minimum of 0.79 p.u. after one cycle (vs. 0.66 p.u.). A forced-oscillation case study applies a 1 Hz pulsed load (+/- 0.25 p.u.) and shows that the normal-operation shaping filters the oscillation seen by the grid while the UPS-BESS buffers the pulsing component.