基于電壓紋波注入技術的數據中心雙反星型變壓整流器

史艷博，李琳駿，從 明

（中電萊斯信息系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210007）

數據中心的綠色化是數據中心建設的主要趨勢。深入融合電力電子技術與信息通信技術為一體進行綠色節(jié)能型、環(huán)境友好型數據中心建設，深入貫徹黨面對嚴峻環(huán)境形勢做出的“碳達峰，碳中和”的工作目標，以習近平綠色發(fā)展理念為指引，以高功率密度低損耗電力電子技術技術為重要抓手，進行前瞻性綠色低碳數據中心高低壓供配電系統(tǒng)總體設計，讓數據中心成為我國信息通信技術創(chuàng)新的堅強智能支撐力量[1]。中國航信后沙峪數據中心建設引入了綠色高效節(jié)能技術，采用高功率密度加密機柜設計，這不僅標志著我國數據中心建設的國際先進性，同時也符合國家“十四五”規(guī)劃綱要中綠色基礎設施建設方針指引和我國網絡強國建設戰(zhàn)略的實施[2]。

不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）是數據中心基礎設施的核心，低壓配電系統(tǒng)可靠運行是數據中心網絡設備穩(wěn)定工作的確保[3]。數據中心配電系統(tǒng)中電力電子設備具有強非線性，將諧波污染引進配電系統(tǒng)[4]。諧波電流會引起數據中心配電系統(tǒng)電能傳輸性能退化或關聯(lián)性失效，甚至引起網絡設備重啟或宕機，諧波電流會引起機械硬盤喘振，甚至導致數據丟失[5]。數據中心網絡設備瞬間電能中斷時間不許超過20 ms，因此提升數據中心電能質量，構建安全可靠的供電方式對綠色節(jié)能型數據中心具有重要意義，是我國數據中心事業(yè)發(fā)展的重要需求[5]。

本文提出了一種基于電壓紋波注入技術的數據中心雙反星型變壓整流器，適用于數據中心低壓大電流工作場合。本文提出的拓撲結構與傳統(tǒng)的AC-DC 變換器相比具有如下優(yōu)勢：

（1）結構簡單，基于紋波電壓注入技術實現(xiàn)脈波倍增，無需改變移相變壓器結構，無需增加移相變壓器副邊移相繞組。

（2）實現(xiàn)紋波電壓能量的重復利用，從平衡電抗器（Interphase Reactor，IPR）二次側繞組提取紋波電壓能量注入到負載側，實現(xiàn)廢棄能量的再次利用。

1 拓撲結構

本文提出的基于電壓紋波注入技術的數據中心雙反星型變壓整流器的拓撲結構如圖1 所示。基于電壓紋波注入技術的數據中心雙反星型變壓整流器由前端雙反星型移相變壓器、IPR、紋波注入電路三部分組成，其中前端移相變壓器為普通結構6 脈波雙反星型移相變壓器，其匝數相同、極性相反的移相變壓器二次側繞組可以消除直流磁通，移相變壓器的超前移相繞組和滯后移相繞組分別連接三相半波整流電路，兩組半波整流電路并聯(lián)輸出至負載正端；兩組三相半波整流電路輸出兩組瞬時值不相等的三脈波直流電壓。IPR 一次側繞組用于平衡兩組三相半波整流電路輸出電壓的順時差，以抑制超前移相繞組和滯后移相繞組之間的環(huán)流，超前和滯后移相繞組各流過負載電流的一半，實現(xiàn)均流。IPR 二次側繞組用于提取電壓紋波。紋波注入電路為單相半橋結構，連接IPR 二次側繞組，將提取到的電壓紋波注入到負載兩端，實現(xiàn)紋波能量的再次利用。

圖1 基于電壓紋波注入技術的雙反星型變壓整流器拓撲結構

2 運行原理分析

下面將結合運行模態(tài)示意圖對變壓整流器運行原理進行分析。為了便于原理分析，作如下假設。

（1）負載電感為無窮大，負載電流id恒定不變。

（2）源側輸入電壓為理想正弦波；

（3）開關器件為理想器件，只工作在導通和關斷兩個狀態(tài)，忽略二極管的開通和關斷過程。

假設源側三相輸入電壓為：

式中：U 為源側三相輸入電壓有效值。

由式（1）可得，前端移相變壓器的超前移相繞組和滯后移相繞組輸出兩組相位相差180°交流電壓，分別表示：

式中：K 為移相變壓器二次側繞組電壓有效值與一次側繞組電壓有效值的比值。

移相變壓器二次側超前移相繞組和滯后移相繞組輸出端分別連接半波整流電路，由式（2）可得，兩組半波整流電路的輸出電壓ud1和ud2為三脈波直流電壓，表達式分別為：

式中：Np1和Np2為IPR 一次側繞組匝數，NS為IPR 二次側繞組匝數。

2.1 工作模態(tài)分析

根據負載電壓ud和IPR 二次側繞組電壓us之間的關系可知，本文提出的基于電壓紋波注入技術的數據中心雙反星型變壓整流器具有12 種工作模態(tài)，如圖2-圖13 所示，在變壓整流器一個工作周期內有12 種交替運行工作模態(tài)，每個模態(tài)運行十二分之一個周期，實現(xiàn)12 脈波輸出。

（1）當變壓整流器處于工作模態(tài)1 時，整流器工作模態(tài)如圖2 所示，三相半波整流電路輸出電壓ud1>ud2，IPR 二次側繞組電壓us>ud/2，二極管VD1和VDm正向偏置導通，其余二極管反向偏置關斷。

圖2 工作模態(tài)1

根據安匝平衡原理（Ampere-turn Equilibrium Principle，ATEP） 和基爾霍夫電流定律（Kirchhoff's Current Law，KCL）可得，整流器處于該模態(tài)時負載電壓ud為：

（2）當變壓整流器處于工作模態(tài)2 時，整流器工作模態(tài)如圖3 所示，IPR 二次側繞組電壓us

圖3 工作模態(tài)2

（3）當變壓整流器處于工作模態(tài)3 時，整流器工作模態(tài)如圖4 所示，三相半波整流電路輸出電壓ud1ud/2，二極管VD2和VDn正向偏置導通，其余二極管反向偏置關斷。根據ATEP 和KCL 可得，整流器處于該模態(tài)時負載電壓ud為：

圖4 工作模態(tài)3

（4）當變壓整流器處于工作模態(tài)4 時，整流器工作模態(tài)如圖5 所示，IPR 二次側繞組電壓us

圖5 工作模態(tài)4

（5）當變壓整流器處于工作模態(tài)5 時，整流器工作模態(tài)如圖6 所示，三相半波整流電路輸出電壓ud1>ud2，IPR 二次側繞組電壓us>ud/2，二極管VD3和VDm正向偏置導通，其余二極管反向偏置關斷。根據ATEP 和KCL 可得，整流器處于該模態(tài)時負載電壓ud為：

圖6 工作模態(tài)5

（6）當變壓整流器處于工作模態(tài)6 時，整流器工作模態(tài)如圖7 所示，IPR 二次側繞組電壓us

圖7 工作模態(tài)6

（7）當變壓整流器處于工作模態(tài)7 時，整流器工作模態(tài)如圖8 所示，三相半波整流電路輸出電壓ud1ud/2，二極管VD6和VDn正向偏置導通，其余二極管反向偏置關斷。根據ATEP 和KCL 可得，整流器處于該模態(tài)時負載電壓ud為：

圖8 工作模態(tài)7

（8）當變壓整流器處于工作模態(tài)8 時，整流器工作模態(tài)如圖9 所示，IPR 二次側繞組電壓us

圖9 工作模態(tài)8

（9）當變壓整流器處于工作模態(tài)9 時，整流器工作模態(tài)如圖10 所示，三相半波整流電路輸出電壓ud1>ud2，IPR 二次側繞組電壓us>ud/2，二極管VD5和VDm正向偏置導通，其余二極管反向偏置關斷。根據ATEP 和KCL 可得，整流器處于該模態(tài)時負載電壓ud為：

圖10 工作模態(tài)9

（10）當變壓整流器處于工作模態(tài)10 時，整流器工作模態(tài)如圖11 所示，IPR 二次側繞組電壓us

圖11 工作模態(tài)10

（11）當變壓整流器處于工作模態(tài)11 時，整流器工作模態(tài)如圖12 所示，三相半波整流電路輸出電壓ud1ud/2，二極管VD2和VDn正向偏置導通，其余二極管反向偏置關斷。根據ATEP 和KCL 可得，整流器處于該模態(tài)時負載電壓ud為：

圖12 工作模態(tài)11

（12）當變壓整流器處于工作模態(tài)12 時，整流器工作模態(tài)如圖13 所示，IPR 二次側繞組電壓us

圖13 工作模態(tài)12

2.2 整流器參數設計

經過分析以上12 個工作模態(tài)，可知整流器負載電壓ud為：

負載電壓波形在一個周期內具有12 個脈波，所設計的變壓整流器具有12 脈波特性。當且僅當負載電壓的12 個脈波幅值相等時，設計的變壓整流器具有最優(yōu)性能，即：

解得α=3.23，即當IPR 原副邊繞組匝比為3.23時，設計的變壓整流器具有最優(yōu)性能。

3 實驗研究

為驗證理論分析的正確性和所提方法的可行性，利用Matlab/Simulink 軟件搭建變壓整流器仿真模型進行實驗研究。源側輸入220 V、50 Hz 三相電壓，移相變壓器二次側與一次側相電壓有效值比值為1，負載為10 Ω 純電阻，IPR 匝比α=3.23。A 相輸入電流仿真波形如圖14 所示，在一個周期內A 相輸入電流含有12 個階梯波，對輸入電流進行快速傅里葉分析（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT） 如圖15 所示，諧波含量為12.72%。仿真實驗研究結果證明基于電壓紋波注入技術的雙反星型變壓整流器呈現(xiàn)12 脈波特性，證明了理論分析的正確性。

圖14 A 相輸入電流波形

圖15 A 相輸入電流波形FFT 分析

4 結論

數據中心的綠色化是數據中心建設的主要趨勢，低壓配電系統(tǒng)的可靠性是數據中心服務器設備正常運行的確保。本文設計了基于電壓紋波注入技術的雙反星型變壓整流器用于數據中心低壓大電流工作場合，基于紋波電壓注入技術，無需改變移相變壓器結構，從IPR 二次側繞組提取紋波電壓能量注入到負載側，實現(xiàn)廢棄能量的再次利用，達到12 脈波輸出特性。