Анатолий Маслов, технический эксперт Chloride Rus
Сегодня заказчики, независимо от сферы деятельности, все большее внимание уделяют вопросам экономии энергии и денежных средств. При этом для центров обработки данных эффективность использования энергии особенно важна, как с точки зрения охраны окружающей среды, так и с точки зрения финансовых показателей. Поэтому компании, управляющие ЦОД (центрами обработки данных), ищут решения, в которых оптимальная производительность сочетается с надежностью, что позволяет не только достичь необходимой экономии энергии и средств, но и гарантировать бесперебойную работу сервиса. Ведь именно от бесперебойной работы своих важнейших баз данных ожидают клиенты от ЦОД.
Для этого, в свою очередь, необходимы надежные системы ИБП, способные обеспечить оптимальное электропитание по минимальной цене и гарантирующие бесперебойную работу нагрузки. Сегодня ЦОД находятся на этапе постоянного роста, поэтому чтобы обеспечить необходимый им уровень производительности и эффективности, при проектировании систем ИБП большой мощности все чаще и чаще используется принцип модульности. Более того, концепция модульности полностью согласуется с рекомендациями, перечисленными в Своде правил ЕС по эффективности ЦОД, в котором подчеркнуты преимущества модульной архитектуры энергоэффективных систем ИБП.
Модульность в трех измерениях
Модульный подход в архитектуре ИБП дает конечному пользователю множество преимуществ, ведь становится возможным регулировать экономию энергии и денежных средств, гибкость и адаптивность системы, а также ее избыточность и уровень устойчивости к сбоям.
Chloride Trinergy® является уникальной модульной системой, аналогичного решения на рынке нет. Далее в этой статье мы остановимся подробнее на конструктивных особенностях модульной архитектуры системы Chloride Trinergy®, но сначала определим, что такое модульность и почему эта концепция стала основой для очередного технологического прорыва компании Chloride.
Модульная архитектура ИБП означает, что система или ее компоненты состоят из более мелких модулей, работающих совместно как единое целое. Каждый отдельный модуль питания имеет элементы, отвечающие за обеспечение работы данного модуля в составе более крупной и мощной системы. В зависимости от выбранной производителем архитектуры, для создания систем ИБП можно использовать объединенные модули питания и/или модули батарей, размещенные в одном шкафу. Для ИБП возможность группы модулей работать совместно, как одна система, означает уменьшение числа таких компонентов, отказ которых может привести к отказу всей системы, что позволяет минимизировать время вынужденного простоя.
Основные принципы модульности уже реализованы в предшествующих поколениях ИБП нашей компании. Однако в системе Trinergy развитие модульного подхода шагнуло дальше. Chloride Trinergy® обладает модульностью трех видов - вертикальной, горизонтальной и ортогональной, поэтому на данный момент Trinergy является самым масштабируемым решением на рынке.
Вертикальная модульность
Данный тип модульности относится к построению внутренней архитектуры ИБП и подразумевает наличие блоков, расположенных друг над другом в каждом шкафу. Каждый из таких блоков можно извлечь независимо от остальных, например, для профилактических работ.
Ключевые характеристики:
- Конструкция - В каждом шкафу силового модуля ИБП находятся стандартные блоки, в которых размещаются выпрямитель, инвертор и статический байпас, являющиеся составными частями одного ИБП мощностью 200 кВт.
- Удобство доступа - Модули легко извлекаются с лицевой стороны шкафа, что упрощает обслуживание и экономит пространство, так как отпадает необходимость обеспечения места для доступа к модулю сзади.
- Обслуживание - ИБП Chloride Trinergy® мощностью 200 кВт состоит из легко извлекаемых модулей, что значительно упрощает обслуживание компонентов устройства. Эти модули максимально стандартизированы, например, модули выпрямителя и инвертора для каждой из фаз полностью взаимозаменяемы. Это обеспечивает оптимизацию ЗИПа (запчасти, инструмент, принадлежности).
- Установка - Модульная конструкция Chloride Trinergy® позволяет собирать систему прямо на месте размещения, добавляя модуль за модулем, поэтому ИБП Chloride Trinergy идеально подходит для установки в местах с малогабаритными проходами. Максимальные размеры одного модуля системы Chloride Trinergy®: Ш х Г х В, мм - 1070×850×1780.
Горизонтальная модульность
Этот тип модульности дает возможность повысить общую мощность системы и/или степень резервирования (избыточность), добавляя дополнительные модули ИБП в существующую инфраструктуру. Горизонтальная модульность позволяет конечному пользователю ограничить начальные инвестиции суммой, действительно необходимой для обеспечения бесперебойного электропитания на данном этапе, а затем наращивать мощность системы постепенно, по мере необходимости.
Ключевые характеристики:
- Параллельные модули - Одна система ИБП Chloride Trinergy®может включать в себя до 6 шкафов с ИБП мощностью 200 кВт. Максимальное число модулей ИБП, входящих в одну систему, зависит от выбранного центрального блока ввода-вывода, которые выпускаются в трех вариантах: для двух, четырех или максимум шести модулей по 200 кВт. После того как блок ввода-вывода установлен, его мощность можно изменять в соответствии с требованиями нагрузки, просто добавляя или убирая модули.
- Распределенное управление - В системе Chloride Trinergy® реализовано параллельное управление, т.е. в отличие от схемы «ведущий-ведомый» (master/slave) функции управления распределены между всеми модулями ИБП, и сбой одного модуля не выведет из строя всю систему. Сущность этой концепции состоит в том, что вся многомодульная система управляется и контролируется автоматически через элементы управления, встроенные в каждый модуль ИБП. Кольцевая информационная шина системы позволяет предоставить модулям совместный доступ к данным, при этом ее конфигурация гарантирует, что один сбой в цепи передачи данных не окажет влияния на работу системы или подключенной нагрузки.
- Наращивание мощности на месте установки - рост мощности по мере необходимости. Первоначально систему Chloride Trinergy® можно сконфигурировать так, чтобы получить мощность, необходимую в данный момент, не ориентируясь на прогнозируемые потребности нагрузки в будущем. В случае роста нагрузки добавляются дополнительные модули.
- Встроенная избыточность - Конфигурация системы Chloride Trinergy® позволяет задать различные уровни избыточности. Системой с избыточностью называется система, состоящая из N+1 и более модулей, где N - число модулей, необходимых для питания нагрузки, а 1 - коэффициент избыточности. Это означает, что если произойдет такое редкое событие, как отказ одного из модулей питания, такой модуль будет автоматически отключен от системы, а оставшиеся модули продолжат осуществлять питание критически важной нагрузки.
- Параллельное обслуживание - конструкция Chloride Trinergy® позволяет изолировать любой отдельный силовой модуль для проведения обслуживания, при этом остальные модули гарантируют бесперебойное и идеальное электропитание нагрузки.
- Надежность - С точки зрения пользователя, надежность источника электропитания - фундаментальное качество всей системы. У пользователя должна быть уверенность в том, что ИБП постоянно работает и бесперебойно снабжает критическую нагрузку электроэнергией высокого качества. Надежность электропитания критически важной нагрузки напрямую зависит от надежности оборудования и от удобства и простоты обслуживания. Это означает, что для обеспечения высокого коэффициента надежности системы среднее время работы оборудования до следующего сбоя (MTBF - Mean Time Between Failure) должно быть достаточно велико, а среднее время ремонта (MTTR - Mean Time To Repair) - минимальным. В Chloride Trinergy® задачи решены благодаря использованию проверенных временем модулей питания мощностью 200 кВт, отличающихся высоким показателем MTBF, и реализации модульной архитектуры ИБП, состоящих из отдельных узлов (что обеспечивает минимальное время ремонта MTTR для каждого ИБП).
- Аккумуляторные батареи - Концепция модульности распространяется и на батареи. Существует возможность использования общей батареи для всей системы Chloride Trinergy®, однако можно еще более увеличить надежность при помощи системы распределенных батарей, подключив отдельные секции с батареями к каждому модулю ИБП мощностью 200 кВт.
Ортогональная модульность
Этот тип модульности позволяет соединять системы Chloride Trinergy®
параллельно, подключив до восьми систем ИБП. Максимально возможная мощность системы при этом может достигать 9,6 МВт.
Ключевые характеристики:
- Наращивание общей мощности системы - до 9,6 МВт.
- Гибкость - Chloride Trinergy® можно сконфигурировать в соответствии с возможностями, имеющимися на месте установки. Например, в зависимости от имеющегося распределительного устройства система мощностью 2 МВт может состоять из двух систем, в каждой из которых будет по пять модулей 200 кВт, или из пяти систем, в каждой из которых будет по два модуля по 200 кВт.
- Избыточность системы электропитания - Избыточность системы можно повысить в любой ее точке. Например, для питания нагрузки в 1 МВт можно использовать пять модулей по 200 кВт и один дополнительный модуль для добавления избыточности. Аналогично, если для системы мощностью 8 МВт установлено восемь групп из шести модулей по 200 кВт (т.е. избыточность каждой группы равна N+1), работающих параллельно, то общий эффективный уровень избыточности системы будет равен N+8. Таким образом, можно достичь чрезвычайно высокого уровня безопасности и надежности, достаточного, чтобы ИБП соответствовал любым предъявляемым требованиям.
- Циклическая избыточность - Зачастую избыточность приводит к тому, что системы ИБП работают с низкой загрузкой, т.е. неэффективно. Однако в системах Chloride Trinergy® реализована циклическая избыточность, которая обеспечивает отключение некоторых модулей ИБП, если имеющаяся мощность превышает потребности нагрузки в данный момент. Поэтому и с малой нагрузкой система Chloride Trinergy® работает с чрезвычайно высокой эффективностью и отличается высокой надежностью, так как использует только необходимое число модулей питания. Циклическая избыточность гарантирует оптимальную эффективность работы всей системы и высокий уровень защиты нагрузки. В системах с циклической избыточностью бездействующие (избыточные) модули ИБП постоянно меняются, т.е. все модули работают в течение равных промежутков времени.
Приведенные выше свойства подтверждают, что модульная архитектура, реализованная в системе Chloride Trinergy®, позволяет добиться необычайной адаптивности и беспрецедентной эффективности. Модульная архитектура Chloride Trinergy® обеспечивает возможности гибкого расширения системы, наращивая мощность плавно или скачкообразно, в зависимости от того, какие требования к защите нагрузки предъявляет заказчик.
Технологии повышения эффективности ИБП
Сегодня общепринятой и самой распространенной в отрасли технологией, используемой для крупных систем ИБП, является схема двойного преобразования с ее различными модификациями, которая считается наиболее надежной.
В режиме двойного преобразования ИБП обеспечивает защиту от любых проблем с электропитанием. Этот режим позволяет управлять напряжением и частотой тока на выходе независимо от напряжения и частоты тока на входе.
Но возникает вопрос: действительно ли двойное преобразование является единственно возможным способом устранения помех такого рода?
Хотя схема двойного преобразования зарекомендовала себя как надежный способ защиты оборудования от практически любых помех, у неё есть один серьезный минус - низкая эффективность. Обеспечивая столь высокий уровень защиты, ИБП на основе технологии двойного преобразования постоянно работают в режиме максимальной защиты, что приводит к значительному расходу энергии.
Итак, существует ли более эффективное решение для защиты критически важного оборудования?
Идеальным решением является ИБП, который может распознавать различные типы помех в сети электропитания и умеет выбирать максимально эффективный режим работы, наиболее подходящий для устранения конкретного типа помех. Создав технологию Chloride Trinergy®, компания Chloride воплотила такое решение в жизнь.
Хотя технология двойного интеллектуального преобразования (с ЭКО-режимом) позволяет значительно снизить потери энергии при работе ИБП, в некоторых случаях состояние линии не позволяет системе постоянно работать в высокоэффективном режиме. Причиной могут быть как помехи в электросети, так и/или характеристики самой нагрузки (в частности, вызываемые ею нелинейные искажения и сдвиг тока). В результате ИБП вынужден работать в режиме максимальной защиты и использовать двойное преобразование практически без перерыва.
Стало очевидно - для того чтобы сделать эти конфигурации более адаптивными, необходимо создать еще более интеллектуальное решение, которое позволяло бы различать помехи, обеспечивать фильтрацию в соответствии с их уровнем и типом и отказаться от схемы, в соответствии с которой для разных помех используется только двойное преобразование. Существуют такие типы помех (например, падение напряжения, колебание напряжения, гармоники и т.п.), для которых достаточно использовать фильтры.
Инвертор в качестве активного фильтра
Система Trinergy использует параллельно-последовательный активный фильтр при работе через байпас. Это позволяет устранить большинство существующих помех (за исключением обрывов напряжения и колебания частоты), если они незначительны, при этом обеспечивается высокий КПД, потому что активный фильтр для устранения помех потребляет меньшее количество энергии, чем двойное преобразование. Положительным моментом здесь является возможность использовать в качестве активного фильтра инвертор IGBT, работающий по технологии Vector Control, патент на которую принадлежит компании Chloride. Это возможно, так как при работе в режиме высокой эффективности инвертор не используется, и поэтому его можно подключить и последовательно, и параллельно.
Использование инвертора в качестве параллельного активного фильтра: инвертор работает как управляемый током генератор, генерируя ток, компенсирующий реактивные и гармонические искажения, вызываемые нагрузкой.
Использование инвертора в качестве последовательного активного фильтра: ток активного фильтра будет иметь форму, которая не позволит напряжению в цепи байпаса выйти из допустимых пределов. Это возможно благодаря последовательно включенной индуктивности, служащей единственной цели - добавлению небольшого сопротивления в цепь для компенсации напряжения, за счет тока активного фильтра, генерируемого инвертором.
Потери энергии, пропорциональные генерируемому для устранения помех току, будут выше, чем при использовании высокоэффективной цепи байпаса, но, несомненно, ниже, чем при работе в режиме двойного преобразования. Это решение в сочетании с бестрансформаторной топологией позволило ИБП, созданному по технологии Chloride Trinergy®, стать одним из самых высокоэффективных в отрасли.
Описание режимов работы Chloride Trinergy®
Chloride Trinergy® - это новая революционная технология, объединяющая три стандартные топологии в одном бестрансформаторном ИБП:
- Режим максимального управления электропитанием (IEC 62040-3 VFI). Это режим двойного преобразования, который обеспечивает самый высокий уровень защиты от помех. В этом режиме нагрузка защищена от всех типов помех в сети электропитания, но при этом потребляется максимальное количество энергии. При использовании новейшей бестрансформаторной технологии, КПД при полной нагрузке превышает 95%.
- Режим максимальной экономии энергии (IEC 62040-3 VFD). Этот режим используется, когда нет необходимости в устранении помех, и питание нагрузка получает через байпас. В этом случае КПД достигает 99%.
- Режим высокой эффективности и стабилизации характеристик напряжения (IEC 62040-3 VI). Происходит стабилизация следующих характеристик электросети: суммарного коэффициента нелинейных искажений на входе THDi, коэффициента мощности нагрузки PF, скачков напряжения. Количество потребляемой энергии зависит от того, сколько энергии требуется работающему в качестве активного фильтра инвертору для компенсации помех. В обычных условиях КПД в этом режиме колеблется от 96 до 98%, в зависимости от типа нагрузки (линейная, нелинейная и т.п.) и состояния сети электропитания.
Система управления Chloride Trinergy® позволяет быстро и незаметно переходить в один из трех режимов работы ИБП, обеспечивая максимальную эффективность для каждой из трех конфигураций. В то же время Chloride Trinergy® обеспечивает производительность и защиту нагрузки по электропитанию в соответствии с классом 1 стандарта IEC 62040-3 и отличное управление характеристиками входного электропитания (THDi < 3% и коэффициент входной мощности РР > 0,99) для расположенной выше по цепи нагрузки.
