Энергоэффективность систем ИБП

Во времена, когда тарифы на электроэнергию постоянно растут, при выборе систем ИБП все большее значение придается энергоэффективности: выгоды от экономии электроэнергии становятся все значительнее. Решающими факторами для определения энергоэффективности системы ИБП являются ее коэффициент мощности и КПД.

Коэффициент мощности определяет отношение полезной мощности (Вт) к кажущейся (ВА). Идеальным вариантом считается коэффициент мощности, равный единице, — в этом случае устройство не порождает реактивную мощность, а лишь потребляет полезную. КПД характеризует эффективность передачи энергии и зависит от соотношения выходной мощности к входной. Номинальные входная и выходная мощности измеряются при полной нагрузке, а значение КПД указывается в процентах.

При полной нагрузке КПД традиционных систем ИБП не превышает 90%. Остальную энергию они потребляют сами, вырабатывая тепло, которое требуется отводить. Следует учитывать, что системы ИБП, как правило, работают не на максимуме своих возможностей, поэтому в условиях реальной эксплуатации их эффективность еще ниже. Для того чтобы получить полезную информацию об энергоэффективности системы ИБП, необходимо иметь исчерпывающие данные об изменении коэффициента полезного действия, то есть знать его значения и при низкой (40–50%) нагрузке. К настоящему времени производители разработали некоторые методы и технологии для экономии электроэнергии, с помощью которых, во-первых, КПД удается поднять до уровня 99% при полной нагрузке, а во-вторых, оптимизировать его и при низкой загруженности системы. Эти решения затрагивают как саму конструкцию, так и управление устройствами ИБП.

Изначально системы ИБП функционировали на основе больших, тяжелых и громоздких трансформаторов, которые к тому же вызывали помехи в виде верхних гармоник на входе. Бестрансформаторная технология на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) долгое время была доступна только для ИБП малой мощности. Несколько лет назад появилась возможность реализовать бестрансформаторные системы ИБП мощностью до 1100 кВА. Главная сложность заключается в быстрой коммутации больших токов при высоких напряжениях — необходимо, чтобы не возникало больших потерь энергии или помех в виде пиков напряжения. Благодаря активной коррекции входного фактора мощности, в бестрансформаторных системах на базе IGBT производства Eaton этот показатель достигает 0,99, причем он не зависит от входного фактора мощности подключенного оборудования. Лишь появление бестрансформаторных технологий позволило системам ИБП преодолеть ключевой рубеж КПД в 90%.

Адаптивная система управления модулями (Variable Module Management System, VMMS) компании Eaton предусматривает модульную конструкцию устройств ИБП. Когда нагрузка снижается, управляющее программное обеспечение концентрирует имеющиеся нагрузки на меньшем количестве бесперебойных силовых модулей (Uninterruptible Power Modules, UPM). Невостребованные модули UPM находятся в холостом режиме, а при очередном повышении нагрузки подключаются менее чем за две миллисекунды и начинают участвовать в ее распределении. В результате эффективность системы повышается, поскольку, во-первых, всегда работает лишь минимально возможное количество UPM, а во-вторых, каждый модуль поддерживает оптимальную нагрузку с наибольшей энергоэффективностью. Кроме того, при планировании можно предусмотреть установку неактивных модулей UPM в качестве избыточных систем.

Системе VMMS приходится учитывать то обстоятельство, что ИБП обычно не загружены полностью, чтобы они могли справляться с пиками нагрузки в определенные часы или с различной нагрузкой в будни и выходные. ИБП всегда работает в режиме двойного преобразования (Double Conversion), непрерывно предоставляя потребителям чистый синусоидальный ток. Технологию VMMS можно использовать как для модульных одиночных устройств, так и для нескольких параллельно подключаемых систем ИБП. Благодаря применению VMMS, коэффициент полезного действия устройств ИБП может достигать 94% (см. Рисунок 1).

С помощью технологии оптимизации КПД, получившей название «система экономии энергии» (Energy Saver System, ESS), ИБП анализирует качество входящего тока. Если напряжение и частота поступающего тока соответствуют допустимым значениям, то ИБП передает входящее напряжение потребителям без дополнительной фильтрации. При снижении качества тока система ESS активирует инвертор ИБП, ток очищается и затем перенаправляется дальше. При этом, в зависимости от качества электросети, подключаются лишь те модули, которые требуются для очистки. Технология ESS позволяет увеличить КПД систем ИБП до 99%.

Предпосылкой для использования технологии ESS в критически важных инфраструктурах является ее чрезвычайно эффективный механизм распознавания, благодаря которому переключение в режим двойного преобразователя осуществляется менее чем за две миллисекунды. В результате обеспечивается высокая доступность при максимально возможном КПД. Этим данная технология отличается от традиционных технологий сбережения электроэнергии, где используется шунтирование (bypass) и переключение в инверторный режим занимает много времени, либо — аналогично линейно-интерактивным системам — напряжение подстраивается автоматически, что ведет к снижению КПД. КПД на уровне 99% возможен в большом диапазоне нагрузок при загруженности системы от 20%.

КРУГОВОРОТ В СИСТЕМЕ: ТЕСТИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БЕЗ ТЕСТОВОЙ НАГРУЗКИ

Сократить расход электроэнергии при введении в эксплуатацию позволяет технология Easy Capacity Test, когда проверка осуществляется без тестовой нагрузки: ток циркулирует внутри системы ИБП, но сетевая электро-энергия не тратится. В традиционных решениях ИБП подаваемая мощность теряется в батареях нагрузки (Load Bank). К примеру, 24-часовое тестирование установки мощностью 550 кВА при полной нагрузке обойдется в сумму около 1200 евро (при 0,1 евро за кВт×ч). Дополнительно вырабатывается тепло, которое необходимо отводить. При использовании Easy Capacity Test выпрямители и инверторы тока в ИБП выступают в качестве внутренней батареи нагрузки, а ток передается через обходной тиристор обратно на вход ИБП.

В результате не только заметно сокращается потребление электроэнергии, но и исключаются дополнительные расходы на аренду батарей нагрузки, меньше рабочего времени тратится на планирование, приобретение и построение тестовой среды.

Чтобы администратор центра обработки данных был осведомлен о том, где и как расходуется поступающая в ЦОД электроэнергия, решение для ее распределения должно позволять осуществлять надзор за энергопотреблением — вплоть до отдельных розеток. Так называемые интеллектуальные блоки распределения питания (Power Distribution Unit, PDU) контролируют значения переменных показателей (напряжение, ток и мощность на выходе), а также температуру и влажность в стойке с оборудованием. Некоторые модели способны предоставлять эту информацию посредством модуля SNMP через соединение Ethernet для осуществления централизованного дистанционного контроля.

Многоканальные дисплеи на самом устройстве отображают дополнительные сведения о напряжении и нагрузке на отдельные коммутируемые цепи. Если перегрузка все-таки случится, опциональные автоматические выключатели, выделенные для каждой группы розеток, обеспечат необходимую защиту, и негативные последствия будут минимальными. Управляемые блоки распределения питания позволяют осуществлять и дистанционное обслуживание, в том числе целенаправленное отключение невостребованных компонентов в ЦОД по мере необходимости или в соответствии с предварительно составленным расписанием. Программное управление позволяет дополнительно деактивировать отдельные выходы.

Франк Реппер — руководитель немецкого подразделения компании Eaton Power Quality.