Повышение эффективности систем бесперебойного питания

Когда речь заходит об эффективном использовании электроэнергии, даже небольшие изменения могут повлечь за собой серьезные последствия. Системы бесперебойного питания, используемые в дата-центрах, рассчитаны на непрерывную работу, и повышение эффективности их функционирования может способствовать значительной экономии бюджета. При выборе и последующем использовании систем ИБП следует в первую очередь обращать внимание их эффективность и уровень работоспособности.

Тарифы на электроэнергию  все время растут, что вполне соответствует ожиданиям владельцев акций энергетических компаний. Потребители электроэнергии, к которым относятся как частные лица, так и крупные корпорации, ощущают на себе этот рост.

К примеру, многие компании-операторы ЦОД стремятся использовать принадлежащие им дата-центры в режиме максимальной загрузки, что требует серьезных затрат. По прогнозам Гринпис, потребление электроэнергии ЦОД и телекоммуникационными сетями достигнет величины 1,963 млрд. кВт*ч к 2020 году, что соответствует трехкратному росту в течение менее чем десяти лет. Защитники окружающей среды утверждают, что эта цифра превосходит текущие энергетические потребности Франции, Германии, Канады и Бразилии, вместе взятых.

Определение загрузочной мощности влияет на энергоэффективность

Существует целый ряд технических методов, позволяющих экономить электроэнергию. Наибольший эффект достигается в случае, если изменения затрагивают наиболее крупных клиентов дата-центра в плане энергопотребления. К примеру, системы ИБП, рассчитанные на непрерывное использование, функционируют с учетом максимально возможной загрузки, так что даже небольшие изменения, способные повысить их КПД, могут оказать большое влияние на общую энергоэффективность ЦОД. Однако во многих дата-центрах используются монолитные системы бесперебойного питания, потребляющие колоссальные объемы энергии по причине заложенных в них слишком высоких расчетных нагрузок.

В качестве величины, позволяющей количественно оценить эффективность энергопотребления в дата-центре, был введен коэффициент эффективности использования энергии (PUE). Данная величина, впервые предложенная ассоциацией The Green Grid, используется по всему миру и позволяет сравнивать между собой энергоэффективность различных дата-центров и выявлять возможности для ее повышения. В современных оптимизированных дата-центрах уже достигаются значения PUE 1,3 и ниже, в то время как показатели традиционных ЦОД редко опускаются ниже 2,5.

Не существует систем бесперебойного питания, которые бы не потребляли электроэнергию, однако, энергопотребление существующих систем может быть значительно снижено путем модификации отдельных функциональных блоков. В дата-центрах используются ИБП с двойным преобразованием частоты, которые дважды изменяют характер напряжения, подаваемого с источника питания. Первое преобразование происходит на выпрямителе, который преобразует входной переменный ток в выходной постоянный. Такой подход позволяет осуществлять как заряд батареи, расположенной в контуре постоянного тока, так и передачу достаточного уровня  мощности на инвертор в штатном рабочем режиме. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный, так что на выходной ток не оказывают влияния интерференция и флуктуации, возникающие на входе.

Небольшие изменения влекут за собой серьезные последствия

Для достижения совместимости с источником питания, величина входного коэффициента мощности ИБП должна быть близкой к 1. Это может быть достигнуто за счет изменения коэффициента мощности непосредственно на входе ИБП, или при помощи использования в выпрямителе так называемого БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором, IGBT). На сегодняшний день, достижения в области силовой электроники позволяют инверторам на IGBT функционировать без использования выходного трансформатора. Данный подход не оказывает влияния на качество кривых выходного напряжения и позволяет избежать высоких потерь на трансформаторе, что приводит к повышению КПД устройства до 95%.

Еще одной характеристикой ИБП, также влияющей на эффективность его работы, является диапазон напряжений, в рамках которого выпрямитель может передавать ток на инвертор без необходимости переключения на питание от батареи. Если диапазон слишком широкий, КПД устройства в штатном режиме работы может снижаться. Однако, поскольку при таком подходе перезарядка батареи будет происходить реже, в долгосрочном периоде энергоэффективность будет выше. К тому же, наибольшая нагрузка на выпрямитель ложится, как правило, в режиме заряда батареи. Таким образом, характеристики выпрямителя необходимо подбирать в соответствии с емкостью и числом используемых батарей, что позволит избежать потерь, связанных с некорректным расчетом загрузочной мощности.

Изучив строение современных систем ИБП, можно заметить еще одну тенденцию. Традиционные системы бесперебойного питания были монолитными и представляли собой единое, неделимое целое. Единственное устройство обеспечивало питанием весь дата-центр. Строго говоря, компании-оператору приходилось устанавливать сразу два устройства для обеспечения необходимого уровня избыточности. Оба находились в работе, даже если в штатном режиме достаточно было использовать только один ИБП. Такой подход неизбежно сказывался на эффективности работы, которая, как правило, была близка к идеальной только при условии полной загрузки. Но поскольку оба источника работали в режиме около 50% мощности, суммарный КПД был крайне низким. Более того, энергопотребление дополнительного ИБП оказывало непосредственное влияние на общую энергоэффективность ЦОД. Но наибольший негативный эффект был вызван потребностями в дополнительном охлаждении. Каждый киловатт выделяемого тепла необходимо было рассеять, и низкий уровень КПД являлся косвенным свидетельством низкой эффективности используемых систем охлаждения.

Гибкость использования за счет модульности

Всех этих проблем можно избежать, если использовать модульные стоечные системы ИБП. К примеру, системы бесперебойного питания PMC (Power Modular Concept) от компании Rittal позволяют наращивать используемый объем по мере необходимости. Для покрытия общей загрузки, даже с учетом наиболее крупных потребителей, не требуется использование двух идентичных систем. Вместо этого, модульные ИБП могут быть организованы таким образом, что в случае отказа одного из модулей остальные модули берут на себя всю нагрузку. При использовании конфигурации типа N+1 имеется возможность объединения до пяти модулей. Поскольку модули делят между собой общую нагрузку, каждый модуль в отдельности находится под защитой, так что система ИБП работает на полную мощность с высоким уровнем КПД.

Модульный подход облегчает масштабирование. В отличие от традиционных устройств, пользователь может начать с небольшого числа модулей и увеличивать их количество по мере необходимости. Дополнительное преимущество такого подхода заключается в удобстве обслуживания. Клиент может самостоятельно произвести замену модулей. Поскольку сервис-инженер может обслуживать систему прямо во время работы, отсутствует необходимость временного отключения резервного питания, что полностью соответствует стандартам Uptime Institute Tier III и Tier IV.