ИБП большой мощности: статические или динамические?

От редакции. При построении мегаваттных ЦОД часто встает вопрос выбора типа источников бесперебойного питания: статический или динамический. Ниже представлен взгляд на проблему экспертов компании Eaton. Несмотря на то что эта компания является поставщиком статических ИБП, а потому вывод в пользу этого типа решений был предопределен, в статье достаточно объективно представлены плюсы и минусы обоих вариантов.

В статическом ИБП (СИБП) в режиме двойного преобразования энергии используются активный транзисторный выпрямитель и инвертор с ШИМ-регулированием для регенерации практически идеального синусоидального выходного напряжения. «Многорежимный» ИБП может также работать в экономичном режиме. При приемлемом качестве электроэнергии в сети статический переключатель переводит ИБП в режим байпаса, что позволяет снизить потери на 85% — тем самым достигается КПД 99%. Таким образом, при приемлемом качестве электроэнергии в сети СИБП пропускает ее непосредственно на свой выход с фильтрацией и подавлением пульсаций.

При ухудшении качества электроэнергии СИБП практически мгновенно переключается в режим двойного преобразования, при работе в котором выходное напряжение регенерируется — ИБП формирует и регулирует значение, частоту и форму выходного напряжения. Современные источники обычно используют свинцово-кислотные батареи с клапанным регулированием (VRLA), для установки которых не требуется отдельного помещения или специальной вентиляции. Емкость батареи, как правило, подбирается таким образом, чтобы обеспечить питание нагрузки в течение 12–15 мин после пропадания напряжения в сети.

Дизельные динамические ИБП (ДДИБП), их еще называют дизель-роторными, состоят из дизельного двигателя, кинетического модуля (маховика) и синхронной электрической машины (мотор-генератора). Они позволяют подавлять гармоники и компенсировать реактивную мощность с КПД до 97%. Электромотор раскручивается «грязным» напряжением, поступающим из электросети, а с установленного с ним на одном валу генератора снимается «чистое» напряжение, которое и подается на нагрузку. В случае отключения городской электросети кратковременным источником энергии в ДДИБП служит маховик: при наличии напряжения во внешней сети он раскручивается, аккумулируя энергию, а при его пропадании начинает работать в качестве электрогенератора, отдавая накопленную энергию нагрузке.

Маховик поддерживает напряжение на время, необходимое для запуска дизельного двигателя, ведущий вал которого соединен через автоматическую муфту с валом мотор-генератора. Дизельный двигатель запускается от АКБ или через муфту, механически проворачивающую ведущий вал, подобно тому, как автомобиль можно завести стартером или заводной рукояткой. Система должна запустить двигатель в течение 2–10 с, иначе маховик начнет останавливаться и напряжение на выходе ИБП пропадет. Потенциальным преимуществом такой системы является отсутствие накопителя энергии в виде аккумуляторных батарей, благодаря чему экономится место и сокращаются эксплуатационное расходы. (Подробнее про ДДИБП см. в статье «Старые новые динамические ИБП» в февральском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2011 год. — Прим. ред.)

ПРИМЕНЕНИЕ В СОВРЕМЕННОМ ЦОД

С самого начала ДДИБП проектировались для использования на тех объектах, где нагрузки имеют высокий пусковой ток и генерируют много гармоник. Они позволяют уменьшить отрицательное влияние этих факторов, обеспечивая повышение коэффициента мощности и сокращая негативное воздействие гармонических составляющих. Однако в сегодняшних ЦОД множество импульсных источников питания имеют собственные цепи коррекции коэффициента мощности, поэтому компенсация реактивной мощности и подавление гармоник с помощью ИБП уже не столь актуальны. Современные СИБП, у которых активный выпрямитель генерирует мало гармоник (входной THDi < 4%), а входной коэффициент мощности составляет 0,99, даже несколько превосходят по этим характеристикам ДДИБП.

СИБП были разработаны в 1960-х годах на базе тиристорных выпрямителей (SCR). Но теперь для преобразования энергии широко применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), которые могут с высокой частотой коммутировать сильные токи и таким образом быстрее реагировать на изменение нагрузки, поддерживая стабильное выходное напряжение.

Мы провели сравнение стоимости владения статическим и динамическим ИБП (см. врезку «Пример сравнения»), при этом для расчетов использовали модульные/масштабируемые СИБП, мощность которых наращивается с шагом 275 кВА (250 кВт). В принципе большинство ИБП высокой мощности формируется из модулей по 200–300 кВА. Деление на «сегменты» такого размера упрощает обслуживание и расширяет возможности наращивания и организации внутреннего резервирования, а независимое управление отдельными силовыми модулями (UPM) повышает эффективность питания менее мощных нагрузок.

Преимуществом внутреннего резервирования крупного СИБП является то, что при отказе одного модуля UPM он будет изолирован, а оставшиеся модули продолжат работу, перераспределив нагрузку между собой. И пока крупный ИБП не окажется перегружен, он сможет работать без одного или даже нескольких модулей UPM. Таким образом, отказ одной платы управления, одного силового транзистора или конденсатора не выведет из строя весь ИБП. Это обеспечивает резервирование по схеме N+1 без необходимости установки второго такого же ИБП с батареями. Такое внутреннее резервирование увеличивает среднюю наработку на отказ (MTBF) как минимум в 10 раз и вдобавок позволяет проводить параллельное обслуживание силовых модулей без отключения всего ИБП.

Параллельное обслуживание означает, что СИБП с отказавшим модулем может быть быстро и безопасно отремонтирован без необходимости переключения на статический или сервисный байпас. Следовательно, теперь можно не покупать дополнительный ИБП с батареями, поскольку возможность параллельного обслуживания присуща модульным ИБП уже изначально. По сравнению с обычными, моноблочными ИБП экономится место для монтажа, уменьшаются начальные расходы и затраты на техобслуживание.

ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ

КПД ДДИБП при полной нагрузке может достигать 97%, и это отличный показатель. Но при длительной работе с небольшой или чрезмерной нагрузкой КПД будет существенно ниже. Большую озабоченность вызывает тот факт, что ИБП в конфигурации 2N, или «двойная шина», нагружены менее чем на 50% от номинальной мощности, а в большинстве случаев — примерно на 30%. КПД при малой нагрузке значительно меньше заявленного значения при полной нагрузке. При 30-процентной нагрузке в среднем он равен 89%, а при 50-процентной — 93%. Потери частично вызваны необходимостью поддерживать вращение имеющего большой вес накопителя кинетической энергии (маховика).

В обычном режиме двойного преобразования основные потери в СИБП связаны с выделением тепла на обеих стадиях преобразования. Наибольший КПД в режиме двойного преобразования составляет 95%. Оставшиеся 5% — это плата за защиту и питание нагрузки высококачественной электроэнергией с выхода ИБП. К счастью, «многорежимные» ИБП сегодня располагают экономичным режимом (в решениях Eaton он называется Energy Saver Systems, ESS), когда они контролируют качество электроэнергии на входе и при необходимости могут практически мгновенно переключиться с байпаса на внутренние цепи для подачи «чистого» синусоидального напряжения на нагрузку. При приемлемом качестве энергии в сети статический переключатель переводит ИБП в режим байпаса. При этом потери происходят только в фильтрах гармоник, ограничителях перенапряжений и вентиляторах охлаждения, потребляющих менее 1% номинальной мощности ИБП даже при очень небольших нагрузках, например при нагрузке 30% (см. Рисунок 1). При ухудшении качества электроэнергии на входе ИБП переходит в обычный режим двойного преобразования, в котором обеспечивается полная защита нагрузки. Как только параметры электросети придут в норму, ИБП возвращается в высокоэффективный режим.

Рисунок 1. КПД статического ИБП (на примере Eaton 9395) при разных уровнях загрузки и использовании экорежима ESS и технологии VMSS, которая обеспечивает отключение и включение — в зависимости от нагрузки — силовых модулей ИБП.

СОВОКУПНАЯ СТОИМОСТЬ ВЛАДЕНИЯ

Под совокупной стоимостью владения (TCO) подразумевается сумма капитальных и эксплуатационных расходов на протяжении срока службы системы. Первоначальные расходы на покупку и установку ДДИБП обычно на 25% выше, чем на СИБП с батареями VRLA в отдельных кабинетах. В наши расчеты не были включены эксплуатационные расходы на ДГУ, поскольку они общие для обоих решений. Однако стоит заметить, что для статического ИБП на 2 МВт нужен один ДГУ сопоставимой мощности, тогда как система из четырех ДДИБП будет содержать четыре ДГУ по 500 кВт. (В случае с СИБП на практике необходимы ДГУ с некоторым завышением мощности, что может привести к увеличению капитальных затрат. При рассмотрении ДДИБП следует иметь в виду, что дизельные генераторы являются их неотъемлемой частью, поэтому число таких генераторов по определению равно числу ДДИБП. — Прим. ред.)

Аккумуляторные батареи для СИБП: для каждого СИБП 750 кВт требуется 6 батарейных кабинетов шириной 42″ и весом примерно 2268 кг каждый. Отметим, что для установки АКБ VRLA, в отличие от АКБ с жидким электролитом, не требуется отдельного помещения. При одинаковой емкости для ИБП мощностью 2 МВт им необходимо в десять раз меньше места и вчетверо меньше затрат, чем АКБ с жидким электролитом. Но каждые 6–7 лет вам придется предусматривать в бюджете расходы на замену батарей VRLA. Кажется, что это является серьезным недостатком СИБП по сравнению с ДДИБП, которому батарей не требуется. Но нужно помнить, что ДДИБП может обеспечивать автономную работу на продолжении всего 2–10 сек, в течение которых должна запуститься ДГУ. Сравните это с 12–15 мин автономной работы СИБП, за которые оператор может:

• предпринять несколько попыток запуска ДГУ;
• при несрабатывании автоматики вручную перевести переключатель АВР на питание нагрузки от ДГУ;
• подсоединить запасной пусковой аккумулятор к ДГУ, если основной аккумулятор разрядился;
• корректно завершить работу приоритетных нагрузок до того, как АКБ ИБП разрядятся.

Для каждого блока СИБП в 2 МВт (рассматриваются продукты Eaton) с батареями требуется около 120 м² — включая ДГУ, но без учета наружного радиатора дизельного двигателя. Кабинеты с ИБП и батареями могут размещаться «спиной к спине». Во время техобслуживания доступ внутрь кабинета осуществляется спереди.

Для каждого блока ДДИБП в 2 МВт, включая 4 ДГУ 500 кВт, требуется около 111 м² — тоже без учета наружного радиатора дизельного двигателя. Заметьте, что данные ИБП нельзя устанавливать в ряд или «спиной к спине», поскольку требуется оставить свободное пространство для их обслуживания и подъема.

Не следует забывать, что при почти одинаковой занимаемой площади СИБП обеспечивают автономную работу в течение 12–15 мин. Но при этом следует поддерживать температуру около 250С, при которой обеспечивается максимальный срок службы батарей.

РАСХОДЫ НА ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ

ДДИБП нуждается в более частом техническом обслуживании, поскольку состоит из электронных, электрических и механических компонентов. При этом для обслуживания двигателя и электронной аппаратуры может понадобиться привлекать разных специалистов. В перечень регламентных работ могут входить еженедельная проверка масла в муфте, смазка подшипников, мониторинг температуры обмоток и подшипников и т. д. Для сравнения, статичному ИБП с батареями VRLA обычно требуется плановое обслуживание один раз в год. Движущимися элементами СИБП являются только вентиляторы и контакторы, которые в обслуживании не нуждаются.

Работа ДИБП, напротив, зависит от многочисленных подшипников в синхронном генераторе и узле муфты. Эти подшипники находятся под нагрузкой круглосуточно без выходных. Их замена сопряжена с простоем в течение 12–24 ч и требует использования подъемного крана, рассчитанного на вес агрегата.

НАДЕЖНОСТЬ

На Рисунке 2 приведено сравнение частоты отказов статического и динамического ИБП в течение срока службы. Заметьте, что синяя кривая (СИБП) значительно шире красной кривой (ДДИБП). Как показывает статистика отказов, механические устройства по мере старения требуют более частого обслуживания, в то время как периодичность регулярного обслуживания статических устройств остается неизменной в течение всего срока службы.

Рисунок 2. Частота отказов статического и динамического ИБП в течение срока службы.

ДДИБП ведущих производителей гарантированно обеспечивают пуск ДГУ. Он осуществляется от пусковой батареи. Если она разряжена или неисправна, то ведущий вал двигателя проворачивается муфтой маховика, как заводной рукояткой автомобиля. Подобный механизм запуска «с двух попыток» должен завести дизельный двигатель за 2–10 с (2 с — при полной нагрузке, 10 с — при малой нагрузке). Если он не запустится, то напряжение на выходе ИБП исчезнет. В отличие от этого, СИБП, как уже говорилось, обеспечивает автономную работу в течение 12–15 мин.

Как часто требуется включать дизельный двигатель в ДДИБП? Ряд исследований, включая выполненные производителями таких ИБП, показали, что нарушения электропитания, требующие подачи резервного питания, случаются почти каждый день и что 60% этих нарушений длятся более 100 мс (но только 2% превышают 3–5 с). Двигатель ДДИБП должен запускаться при любом нарушении длительностью более 50 мс. Сравните это с системой, состоящей из СИБП с АКБ, где дизель не нужно запускать, пока длительность нарушения не превысит 10 с. Таким образом, зависимость от механики уменьшается, что способствует повышению надежности.

Для переключения на ДГУ статическим ИБП требуются устройства автоматического включения резерва (АВР), в то время как ДДИБП использует механическую муфту для соединения дизельного двигателя с ИБП. АВР и муфта являются механическими устройствами и имеют сопоставимые показатели средней наработки на отказ. Для муфты они больше, чем для АВР, однако муфта нуждается в более частом регулярном техобслуживании.

Следует заметить, что ДДИБП работает в линейно-интерактивном режиме. Это значительно упрощает работу системы, а КПД ИБП при номинальном напряжении сети составляет 97%, что выше, чем в среднем у статических ИБП в режиме двойного преобразования. За историю своего использования ДДИБП с таким режимом работы зарекомендовали себя очень надежными, относительно недорогими и экономичными.

Но потенциальному покупателю следует сравнить линейно-интерактивный ИБП и ИБП с двойным преобразованием энергии в более сложных условиях эксплуатации. Например, при очень нестабильных параметрах электросети линейно-интерактивный ДДИБП не обладает никакими преимуществами: гальваническая развязка между входом и выходом отсутствует, входная частота равна выходной, возможности регулирования напряжения и подавления перенапряжения ограниченны… В тех же сложных и нестабильных условиях ИБП с двойным преобразованием энергии будет выдавать заново сгенерированное напряжение чистой синусоидальной формы. Такой ИБП формирует и регулирует напряжение, частоту и форму синусоидального напряжения, подаваемого на нагрузку. Благодаря этому пользователь может быть полностью уверен в полной защите ответственного оборудования.

Подводя итог, заметим, что оба решения — и статический, и динамический ИБП — отличаются высокой эффективностью и надежностью, но внимательное изучение их характеристик, требований по обслуживанию и возможностей по защите нагрузок позволяет выявить ряд заметных различий, часть из которых мы обсудили в статье.

Сергей Амелькин — менеджер по продукции компании Eaton. С ним можно связаться по адресу: SergeyAmelkin@Eaton.com.