《電子技術(shù)應(yīng)用》
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數(shù)據(jù)中心間歇性綠色能源功率變化模型設(shè)計(jì)
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第16期
解 輝,王曉英,金 鑫
(青海大學(xué) 計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系,青海 西寧 810016)
摘要: 在以數(shù)據(jù)中心為代表的機(jī)房系統(tǒng)中引入風(fēng)和太陽(yáng)能,理論上說(shuō)是實(shí)現(xiàn)綠色計(jì)算的有效途徑之一。然而由于這種綠色能源具有間歇性的特點(diǎn),給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來(lái)了新挑戰(zhàn)。提出一種數(shù)學(xué)建模方法,該方法可以較好地模擬不同云層和風(fēng)力天氣下,太陽(yáng)能和風(fēng)能相結(jié)合的可再生能源功率變化以及間歇性特點(diǎn),并簡(jiǎn)單易行。從而在以間歇性能源為供給的數(shù)據(jù)中心環(huán)境下,提供輸入能源數(shù)據(jù)模擬,為進(jìn)一步的能源調(diào)度策略問(wèn)題研究提供依據(jù)。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 在以數(shù)據(jù)中心為代表的機(jī)房系統(tǒng)中引入風(fēng)和太陽(yáng)能,理論上說(shuō)是實(shí)現(xiàn)綠色計(jì)算的有效途徑之一。然而由于這種綠色能源具有間歇性的特點(diǎn),給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來(lái)了新挑戰(zhàn)。提出一種數(shù)學(xué)建模方法,該方法可以較好地模擬不同云層和風(fēng)力天氣下,太陽(yáng)能和風(fēng)能相結(jié)合的可再生能源功率變化以及間歇性特點(diǎn),并簡(jiǎn)單易行。從而在以間歇性能源為供給的數(shù)據(jù)中心環(huán)境下,提供輸入能源數(shù)據(jù)模擬,為進(jìn)一步的能源調(diào)度策略問(wèn)題研究提供依據(jù)。

  關(guān)鍵詞: 數(shù)據(jù)中心;間歇性能源;數(shù)學(xué)模型

0 引言

  由于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心一般都會(huì)消耗大量的電力資源[1-3],增加了大量的運(yùn)營(yíng)成本,為此關(guān)于新一代的綠色數(shù)據(jù)中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、能源供應(yīng)方式得到了廣泛的關(guān)注和研究[4-6]。

  我國(guó)西北地區(qū)的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源豐富[7],很多地區(qū)往往同時(shí)具備這兩種發(fā)電資源。使這些地區(qū)建立數(shù)據(jù)中心,利用豐富的綠色能源,進(jìn)而降低數(shù)據(jù)中心的能耗成本。然而這樣的綠色能源因其固有的間歇性[8-9]也為數(shù)據(jù)中心如惡化對(duì)其利用帶來(lái)了挑戰(zhàn),即數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的穩(wěn)定性和能源的間歇性之間的矛盾。

  雖然參考文獻(xiàn)[4-6]或類似文獻(xiàn)對(duì)不同情況的綠色數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建進(jìn)行了研究,但是能源管理和利用的研究都比較宏觀,當(dāng)引入數(shù)據(jù)中心的綠色能源實(shí)時(shí)功率頻繁變化時(shí),需要細(xì)化能源管理或任務(wù)調(diào)度策略來(lái)確保數(shù)據(jù)中心的功耗與能源功率之間的匹配,然而類似的研究或文獻(xiàn)卻相對(duì)較少。

  從數(shù)據(jù)中心的能源管理策略理論研究的角度出發(fā),要想利用綠色能源,就需要研究間歇性特征能源輸入下的管理策略和方法,而建立用于模擬具有間歇特征的綠色能源功率模型是一個(gè)必要的前提。本文提出一種面向風(fēng)能與太陽(yáng)能相結(jié)合的具有間歇性特征的綠色能源的數(shù)學(xué)建模方法,該方法簡(jiǎn)單明了,可以較好地模擬太陽(yáng)能與風(fēng)能相結(jié)合的可再生能源的間歇性特點(diǎn),包括模擬云層因素因太陽(yáng)能、天氣變化對(duì)風(fēng)能的影響,從而滿足對(duì)能源的間歇性和數(shù)據(jù)中心運(yùn)行穩(wěn)定性的矛盾進(jìn)行理論研究需要。

1 風(fēng)能與太陽(yáng)能結(jié)合的可再生能源結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)分析

  本文所研究的綠色能源是指把風(fēng)能和太陽(yáng)能兩種能源結(jié)合的具有間歇性特征的電力能源,因此本節(jié)將從這兩個(gè)部分分別予以介紹。

  1.1太陽(yáng)能基本特點(diǎn)分析

  太陽(yáng)能的有效時(shí)間段主要是晝間,即6∶00~18∶00,具體時(shí)間因地區(qū)而異。影響太陽(yáng)能功率的因素包括地形、經(jīng)緯度、云層以及發(fā)電設(shè)備等。本文旨在討論間歇性可再生能源的建模問(wèn)題,因此地形和發(fā)電設(shè)備不在本文討論范圍。經(jīng)緯度對(duì)太陽(yáng)能的影響主要是最大功率和光照時(shí)間。云層則是對(duì)太陽(yáng)能的實(shí)時(shí)功率產(chǎn)生影響,也是導(dǎo)致其間歇性的主要因素。

  根據(jù)參考文獻(xiàn)[10],一天內(nèi)太陽(yáng)能的輻射值隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型可以用如下公式表示:

  {KACPRA6EY}A{OB]`B8J5OW.png

  其中,IHd表示水平面的散射強(qiáng)度;IHb表示水平面上的直接輻射強(qiáng)度;Ipb表示傾斜面上的直接太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度;C1、C2表示根據(jù)大氣透明度確定的經(jīng)驗(yàn)參數(shù);h表示太陽(yáng)高度角;β表示斜面傾角;r表示修正系數(shù);δ表示太陽(yáng)赤緯角;φ表示地理緯度;ω表示太陽(yáng)時(shí)角;Ibc表示太陽(yáng)系數(shù);Ibn表示垂直于太陽(yáng)光線的地面上直接輻射強(qiáng)度。

  上述描述是不考慮云層因素情況下的太陽(yáng)能的一種數(shù)學(xué)模型。當(dāng)確定了經(jīng)緯度和太陽(yáng)發(fā)電板的角度和相關(guān)參數(shù)后,就可以在相關(guān)軟件中模擬出太陽(yáng)能的理論發(fā)電曲線圖。圖1是以我國(guó)北方某地為例的一個(gè)模擬效果圖。

001.jpg

  1.2 風(fēng)能的基本特點(diǎn)分析

  風(fēng)力發(fā)電不像太陽(yáng)能那樣總體上有一個(gè)以時(shí)間為主要因素的變化規(guī)律,是全天候都可發(fā)電,其發(fā)電功率完全取決于風(fēng)速,風(fēng)速越大,瞬時(shí)功率越大。因此風(fēng)速是影響風(fēng)力發(fā)電實(shí)時(shí)功率的主要因素。影響風(fēng)速的因素很多,主要是復(fù)雜的天氣因素,這也是導(dǎo)致其明顯的間歇性特征的因素。要對(duì)風(fēng)能進(jìn)行準(zhǔn)確建模,除需要長(zhǎng)期的大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)外,還需要準(zhǔn)確的氣象預(yù)測(cè)技術(shù)。

  由于各地地理環(huán)境差異很大,且氣象變化復(fù)雜,實(shí)時(shí)風(fēng)速難以預(yù)測(cè),導(dǎo)致風(fēng)能建模難度更大。當(dāng)然也有一些文獻(xiàn)[11-12]對(duì)風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)能源做了研究,但并未涉及統(tǒng)一的風(fēng)能發(fā)電模型。

2 具有間歇性特征的太陽(yáng)能模型設(shè)計(jì)

  2.1 基本思路

  在1.1節(jié)中介紹了一個(gè)太陽(yáng)能的數(shù)學(xué)模型,其模擬的精確度相對(duì)較高,但是公式復(fù)雜,導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的模擬過(guò)程也相對(duì)復(fù)雜。另外該模型中沒(méi)有考慮云層等因素對(duì)太陽(yáng)能所帶的影響。

  基于上述考慮,需要建立一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)且能夠模擬云層對(duì)太陽(yáng)能實(shí)時(shí)功率帶來(lái)影響的新模型。通過(guò)對(duì)1.1節(jié)中介紹的模型曲線的觀察,發(fā)現(xiàn)其變化趨勢(shì)與二次拋物線相似,因此本文擬利用一元二次函數(shù)來(lái)代替1.1節(jié)中的數(shù)學(xué)公式,從而形成表示太陽(yáng)能的基本模型。

  同時(shí),考慮到云層和天氣可能帶來(lái)的影響,用一個(gè)介于0~1間的隨機(jī)數(shù)作為影響因子來(lái)模擬。

  2.2 模型的建立

  首先建立一元二次函數(shù)的基本公式如下:

  f(x)=-x2+bx+c(6)

  其中二次項(xiàng)系數(shù)為-1,表示曲線開(kāi)口向下。一次項(xiàng)系數(shù)b和常數(shù)項(xiàng)c分別用來(lái)確定或調(diào)整光照的有效時(shí)間段。假設(shè)在6∶00~18∶00之間太陽(yáng)光照才有可能足以發(fā)電,其余時(shí)間無(wú)法發(fā)電,那么通過(guò)系數(shù)確定后得到如下公式用來(lái)表示可在6∶00~18∶00才能發(fā)電的太陽(yáng)能基本模型。

  f(x)=-x2+24x-108(7)

  同時(shí)還要考慮太陽(yáng)能最大發(fā)電功率的調(diào)整問(wèn)題,通過(guò)在式(7)中引入一個(gè)引子m來(lái)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。此外,還要用一個(gè)介于0~1的隨機(jī)引子模擬云層對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電功率的影響。式(8)就是表示在6∶00~18∶00能夠發(fā)電,同時(shí)可進(jìn)行最大功率調(diào)整和引入云層影響因子的太陽(yáng)能發(fā)電數(shù)學(xué)模型。

  Psun=m(-x2+24x-108)×random(0,1)(8)

  Psun表示太陽(yáng)能實(shí)時(shí)發(fā)電功率;m用來(lái)調(diào)整表示太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的最大功率;x表示時(shí)間,其取值范圍是(6,18);random(0,1)用來(lái)模擬云雨等天氣因素造成的影響。

  2.3 模式實(shí)驗(yàn)效果展示

002.jpg

  圖2是分別通過(guò)調(diào)整隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生數(shù)字的變化幅度后模擬出來(lái)的某一天分別是晴天、少量云層、多云、多云多變的天氣下發(fā)電模擬效果圖。從圖中效果看,還是可以較好地模擬不同天氣下不穩(wěn)定的太陽(yáng)能發(fā)電情況。

3 風(fēng)力發(fā)電模型設(shè)計(jì)

  3.1 主要思路

  正如1.2節(jié)中分析,因?yàn)轱L(fēng)力可以全天候發(fā)電,所以模型中不考慮時(shí)間因子。另外由于風(fēng)速多變,有很強(qiáng)的隨機(jī)性,本文利用隨機(jī)函數(shù)來(lái)模擬風(fēng)力變化對(duì)發(fā)電的影響??紤]到風(fēng)力不會(huì)瞬間由0變?yōu)榉浅8叩囊粋€(gè)值,也不會(huì)突然由高風(fēng)速驟停,前一時(shí)刻到后一時(shí)刻是有一定的相關(guān)性,因此擬用一個(gè)序列模擬一天內(nèi)不同時(shí)刻的風(fēng)力發(fā)電情況。具體過(guò)程如下:

 ?。?)用一個(gè)介于0~1之間的隨機(jī)數(shù)表示0時(shí)刻的發(fā)電效率,此值即為首項(xiàng)值r1;

  (2)以首項(xiàng)值r1為基礎(chǔ),利用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生一個(gè)指定范圍的值,表示r2在r1基礎(chǔ)上的變化幅度(以此表示一個(gè)時(shí)刻點(diǎn)與上一時(shí)刻點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性),從而推導(dǎo)出r2;

 ?。?)依次類推,通過(guò)rn-1和隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的變化幅度導(dǎo)出rn;

 ?。?)利用上述步驟產(chǎn)生了一天內(nèi)各時(shí)間點(diǎn)的發(fā)電效率序列后,將各點(diǎn)的效率值乘以發(fā)電機(jī)的額定功率C,產(chǎn)生各時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率,從而形成當(dāng)天的風(fēng)力發(fā)電功率值序列。

  3.2 風(fēng)力發(fā)電建模

  具體的數(shù)學(xué)模型如下:

  r1=random(0,1)(9)

  rn=rn-1×(1+random2(a,b))且0≤rn,rn-1≤1(10)

  pn=C×rn(11)

  Pwind={pn}(12)

  其中,C表示風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的額定功率;random(0,1)是隨機(jī)函數(shù),產(chǎn)生一個(gè)0~1之間的隨機(jī)數(shù),主要用來(lái)產(chǎn)生r1;a、b表示幅度范圍,要求a<b,具體取值可根據(jù)需要調(diào)整;random2(a,b)用來(lái)產(chǎn)生介于a~b之間的一個(gè)數(shù),表示相對(duì)上一時(shí)刻風(fēng)力間的變化幅度,其值為負(fù)數(shù)表示減少,為正數(shù)表示風(fēng)力增加;當(dāng)推導(dǎo)出的rn>1時(shí)rn取值1,表示達(dá)到最大功率,當(dāng)rn<0時(shí)rn取值0,表示最小功率狀態(tài);Pn表示每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)上的發(fā)電功率;Pwind表示一天各個(gè)時(shí)刻點(diǎn)功率的數(shù)值序列,即全天發(fā)電模型。

  3.3 模擬實(shí)驗(yàn)效果展示

003.jpg


  如圖3所示,從1~4號(hào)曲線分別是某次模擬出的大風(fēng)天、凌晨風(fēng)大其余時(shí)間微風(fēng)、中風(fēng)天和微風(fēng)天的變化情況,總體上能夠反映風(fēng)力大小變化的同時(shí),也具有相應(yīng)的間歇性。

4 風(fēng)力和太陽(yáng)能結(jié)合發(fā)電功率模型

  如果一個(gè)地區(qū)同時(shí)具備風(fēng)能和太陽(yáng)能資源,那么利用其進(jìn)行發(fā)電時(shí),其發(fā)電功率就是兩種不同能源發(fā)電模型的結(jié)合。因此當(dāng)分別對(duì)風(fēng)能和太陽(yáng)能建立發(fā)電功率模型后,就可以得到以風(fēng)力和太陽(yáng)能為來(lái)源的發(fā)電功率模型Pgreen如下:

  Pgreen=Psun+Pwin(13)

  其中,Pgreen表示風(fēng)能和太陽(yáng)能結(jié)合的混合發(fā)電功率;Psun表示純粹的太陽(yáng)能發(fā)電模型,Pwind表示風(fēng)力發(fā)電模型,“+”表示按照時(shí)刻點(diǎn)對(duì)兩種發(fā)電模式下的功率疊加運(yùn)算。

004.jpg

  圖4是利用上與混合發(fā)電功率模型某次模擬而來(lái)的效果圖。其中圖(a)~(d)分別表示一個(gè)風(fēng)和日麗、狂風(fēng)云層多變天氣、凌晨大風(fēng)白天多云和多云中風(fēng)天氣復(fù)合發(fā)電功率變化情況。

5 結(jié)論

  利用可再生能源作為數(shù)據(jù)中心機(jī)房的電力供應(yīng)是綠色計(jì)算的一種途徑和趨勢(shì)。本文針對(duì)這類數(shù)據(jù)中心的能源管理策略研究的需要,提出了上述關(guān)于在風(fēng)能與太陽(yáng)能結(jié)合情況下可再生能源發(fā)電功率的數(shù)學(xué)建模方法。該方法模型簡(jiǎn)單且易懂,利于實(shí)現(xiàn)?;灸軌蜃裱?yáng)能的時(shí)間變化曲線,同時(shí)可以模擬云層帶來(lái)的影響,另外也可較好地通過(guò)調(diào)整隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生方法,產(chǎn)生不同的風(fēng)力和時(shí)間分布數(shù)據(jù),模擬不同天氣的風(fēng)力發(fā)電模型。最終通過(guò)疊加形成了可模擬具有間歇性特征的風(fēng)能與太陽(yáng)能結(jié)合的復(fù)合型可再生能源發(fā)電功率模型。

  當(dāng)然,文中所述方法也有其不足之處,比如太陽(yáng)能功率的模型沒(méi)有其他文獻(xiàn)中的模型精確;風(fēng)力模型的變化策略主要基于隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生,與具體位置上風(fēng)力變化趨勢(shì)未必相符合。然而數(shù)據(jù)中心不能也不需要對(duì)要引入的間歇性能源的功率做任何規(guī)律化的要求,所以從數(shù)據(jù)中心針對(duì)具備間歇性特征能源的管理策略研究需求的角度來(lái)看,需要研究一套在輸入能源本可能隨機(jī)變化的情況下,依舊能夠保障數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的能源管理策略,因此本文所述模型已經(jīng)可以滿足這樣研究背景下,模擬具有間歇性特征能源輸入的需求。

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