Сергей Ермаков, технический директор,
Максим Баканов, заместитель технического директора,
ЗАО «ИНЭЛТ»
Спрос диктует предложение.
АнализНаблюдая заируя тенденциямии на современном рынке ИБП, можно увидеть, казалось бы, парадоксальную ситуацию: несмотря на явный тренд на улучшениеповышение энергосберегающих характеристик оборудования, как ИIT, так и промышленного назначения, потребляемые мощности «чистого» питания непрерывноизменно растут. Экономически выгодно укрупнять объекты, повышать степень концентрации высокотехнологичного оборудования в одном месте. Это облегчает процедуры обслуживания, администрирования и управления систем. В итоге, ЦОД мощностью в несколько мегаватт сейчас никого не удивит. Производители ИБП, реагируя на потребности рынка, изменяют мощностной ряд и номенклатуру выпускаемого оборудования. Максимальные значения мощности топовых серий ИБП в настоящее время достигают и даже превышают значенияй 800, 1000 и даже более кВА.
Развитие элементной базы силовой электроники, удешевление компонентов и совершенствование алгоритмов управления привели к тому, что основным архитектурным решением для ИБП большой мощности стала «зеркальная» технология с транзисторными выпрямителями и инверторами. В частности, большинство лидеров рынка – Schneider Electric (с торговой маркой APC), Emerson (представленный в России в подавляющем большинстве случаев торговой маркой Chloride) и Eaton – прекратили серийное производство ИБП большой мощности, построенных по топологии «старой школы» (66-ти либо 12-ти пульсный тиристорный выпрямитель и инвертор с выходным трансформатором). Лишь Emerson недавно выпустил новинку –- ИБП Chloride NXL мощностью от 500 до 800 кВА, собранный по «олдскульной» топологии, и Schneider Electric продолжает выпускать Galaxy 9000 мощностью 800 и 900 кВА. Имея заведомо более низкий КПД, чем системы с высокоэффективным IGBT-выпрямителем и бестрансформаторным инвертором, данный тип систем за многолетнюю эксплуатацию показал свою высочайшую надежность и неприхотливость в эксплуатации. Думается, они найдут свою нишу в областях, где КПД систем не является основополагающим фактором, а ключевымиосновными характеристиками будут надежность и простота в эксплуатации. По заверениям поставщиков оборудования, современные бестрансформаторные технологии ничуть не менее надеёжны; возможно, здесь срабатывает инерционность мышления покупателей, приводящая к таким добросовестным заблуждениям, но всеё же… Старый конь борозды не испортит – считают заказчики, а значит, трансформаторные ИБП имеют и будут иметь устойчивый спрос на рынке.
Для решения задач, связанных с питанием ИIT- потребителей, большинство производителей все же перешли на выпуск бестрансформаторных ИБП с повышенным КПД. На рынке доступны следующие варианты такихданных систем доступны на рынке:
• еЕдиничные ИБП классической топологии;
• пПараллельные системы из нескольких единичных ИБП;
• бБлочные ИБП;
• пПараллельные системы из нескольких блочных ИБП;
• мМодульные ИБП;
• пПараллельные системы из нескольких модульных ИБП.
РассмотримОстановимся более подробно перечисленныена данных системыах.
ИБП классической топологии
Рынок представлен хорошо известными системами от нескольких компаний – «грандов» рынка ИБП.
Сhloride с ИБП 80-NET мощностью до 500 кВА (кВт) и возможностью объединения в параллельную систему до 8-ми ИБП. Система отличается высоким КПД в режиме двойного преобразования, единичным коэффициентом мощности нагрузки и блочной архитектурой, позволяющей упростить обслуживание и сократить время ремонта, а так же необходимую номенклатуру запасных частей на складе сервисных центров. ИБП имеет необходимый набор интерфейсных плат для интеграции в разнообразные системы мониторинга заказчика. Интересной особенностью модели стали стабильные значения КПД в широком диапазоне нагрузок (50…% — 94,.7%, 100%… — 95%).
Sсhneider Electric с ИБП Galaxy 7000 мощностью до 500 кВА (450 кВт) так же имеет возможность для параллельного соединения до 8-ми ИБП. Построен по бестрансформаторной топологии с высокоэффективным IGBT -выпрямителем.
General Electric (GE) с ИБП серии SG Pure Pulse с мощностью до 500 кВА (450 кВт) является симбиозом классической системы с трансформаторным инвертором и IGBT-выпрямителем. Преимущества данной системы –- более высокий КПД выпрямителя (по сравнению с тиристорными выпрямителями) и пониженный коэффициент гармонических искажений по току, которые ИБП вносит в питающую сеть. Недостатки –- повышенные габариты и вес, что не всегда позволяет применить ИБП в условиях ограниченного пространства и несущей способности конструкций помещения. Предусмотрена параллельная работа до шести6-ти источников. В общем-то, — SG Pure Pulse – компромиссная «мутантная» модель переходного периода от старых технологий к новым. По оценкам многих экспертов, несмотря на неоднозначность архитектурного решения, следует отметить высокую степень отказоустойчивости и надеёжности.
Socomec Delhys GP2.0 мощностью до 500 кВА (кВт) обладает высоким КПД в режиме двойного преобразования (заявлено в рекламных буклетах заявлено до 96%) и возможностью параллельной работы до 8 ИБП.
Параллельные системы из нескольких единичных ИБП.
Все перечисленные выше источники бесперебойного питания позволяют производить наращивание мощности либо надежности системы путем подключения нескольких источников для параллельной работы. НекоторыеРяд ИБП дают возможностьпозволяют при параллельном соединении перевести всю систему в режим высокой эффективности, что раньшеее было доступно только для одиночных систем. КПД систем при таком подключении доходит до 99%. Производители решают этотданный вопрос по- разному. Например,- Socomec, например, отключает ИБП, которые избыточны в данный момент для питания нагрузки, GE переходят на электронный байпас с непрерывным контролем качества сети и практически мгновенным переходом в режим двойного преобразования. Chloride использует сочетание вышеописанных способов. Для параллельной работы могутжет подключаться до 8 ИБП и более, что позволяет довести общую мощность параллельной системы до 4–-4,5 кВА (кВт).
Блочные ИБП
БОсобенностью лочныеданных ИБП обладают более высокой по сравнению с обычными, единичными ИБП является высокая мощностью на одну систему –, доходящая до 1,6 МВт. Особенность их конструкции, заключаетсяющиеся в том, что несколько практически независимых ИБП мощностью 200 кВт (для Chloride и Schneider Electric), 225 кВт (250 кВА для AEG) и 225 (275) кВА (202 и 247 кВт) для Eaton при помощи центрального блока и общей ошиновки подключаются для параллельной работы как единый ИБП. МПри этом масштабирование при этом возможно установкой дополнительных секций фиксированной мощности.
Производители ИБП перевалили мегаватный уровень единичной мощности ИБП (или системы? Это как раз тот случай, когда границаь очень размыта…). Так, Chloride с системой Trinergy и Schneider Electric с ИБП Symmetra MW набирают мощность до 1600 кВт, чуть отстаеёт в «гонке мощностей» AEG Protect Blue – 1125 кВт, а замыкает список, чуть-чуть не дотягивая до заветной отметки в 1 МВт, — Eaton Power Expert 9395 с показателем 990 кВт. Справедливости ради надо отметить, что ИБП Symmetra MW не является источником двойного преобразования –- в основе его работы лежит одна из форм линейно-интеракивной топологии (VI – в терминах МЭК 62040-3) –- так называемое дельта-преобразование, впервые примененное компанией Silcon Group в своих источниках Silcon DP еще в прошлом столетии. Позднее компания была приобретена фирмой APC. В отличие от ИБП с двойным преобразованием ИБП с Δ-преобразованием не способны без потребления энергии от аккумуляторной батареи обеспечивать требуемую стабильность выходной частоты (±0,.05…0,.1%) в условиях существующей нестабильности частоты питающей сети. Их реакция на изменение частоты питающего напряжения точно такая же, как на отключение электропитания, что в. В реальных условиях означает увеличение количества циклов «»заряд –- разряд»» батарей в несколько раз. ВНекоторый выигрыш в эффективности (КПД), сопровождается возникновением существенных проблем, влияющих на качество электроснабжения и в конечном счете на безопасность электроснабжения ответственных потребителей.
Некоторые системы, такие как Trinergy, позволяют работать в трех различных режимах работы в зависимости от качества подводимой к ИБП электроэнергии:
• режим двойного преобразования;
• режим интеллектуального статического байпаса –- инвертор работает параллельно со статическим байпасом и работает как активный фильтр гармонических искажений;
• рРежим наивысшего энергосбережения –- нагрузка питается через статический байпас, инвертор отключен. При сбое питания ИБП автоматически, безболезненно для нагрузки переходит в режим двойного преобразования.
Параллельные системы блочных ИБП
Перечисленные выше блочные ИБП обеспечиваютпозволяют производить параллельное соединение от пяти5 (заявлено производителем) для Power Expert 9395 и до восьми8 систем для Symmetra MW и Trinergy, что позволяет увеличить общую мощность системы до поистине колоссальных 9,6 МВт. Ранее такие мощности были доступны только с применением динамических ИБП, да и то лишь, только на среднем напряжении. Для систем параллельных блочных ИБП так же имеется возможность перевода системы в режим высокой эффективности, что дает сэкономиють до 2,5 МВт электроэнергии в год.
Из недостатков этихданных систем, как параллельных, так и одиночных, стоит отметить более высокую стоимость, обусловленную конструкторскими решениями, которые применяютсяенными при построении центрального блока управления и коммутации ИБП.
Модульные ИБП.
При кажущейся схожести терминов, основное отличие модульных ИБП от блочных заключается в особенности построения и масштабирования данных систем. Если для наращивания мощности блочных систем требуетсянеобходимо свободное пространство сбоку от центрального блока, то в модульных ИБП достаточно заранее заложить необходимое количество шкафов-корзин для силовых модулей и модулей батарей, а затем заполнять их силовыми модулями по 16–-25 кВА (в зависимости от модели) и батареями (опять-таки в модулях) еёмкостью по 9 Ач, добиваясь требуемой выходной мощности, степени резервирования и автономной работы. ОТак же очень упрощается обслуживание и ремонт данного типа ИБП, которые сводятся к осмотрам, чистке, а в случае выхода из строя силового модуля либо модуля батарей – к простой их заменеой аналогичнымие исправнымие в «т.н. “горячем»” режиме, т. е. без отключения питания нагрузки «“чистым»” питанием. Основным недостатком такихданных систем является большое количество общих точек отказа: общая батарея, модули управления, шинная сборка в шкафу, в ряде случаев – общий статический байпас. Для уменьшения возможных негативных последствий некоторые общие модули резервируются. Большое количество быстроразъемных ножевых соединений тоже не добавляет надеёжности и «солидности» этим системам.
У традиционных модульных ИБП обеспечиваетсядостигается высокий коэффициент готовности А (до 0,9999), т.е. «четырех девяток», за счеёт снижения среднего времени восстановления системы MTTR. При применении моноблочных ИБП (в .том числе.ч. в параллельных системах) те же «девятки» достигаются высокими показателями наработки на отказ MTBF. Таким образом, если заказчик готов иметь на складе запасные модули к модульному ИБП, он получает сокращенныебыстрые сроки ремонта системы, что весьма удобно. Психологически это очень комфортно для эксплуатирующих служб. Не важно, на сколько часто происходят сбои, важнее – на сколько оперативно выполняетсяосуществляется ремонт. Хотя эта надеёжность иллюзорна…
Время восстановления моноблочных ИБП, как правило, существенно бдольше, (что вызывает психологический дискомфорт у эксплуатационщиков), но при меньшем количестве общих точек отказа такие ИБП имеют высокуюбольшую наработку на отказ. И в том и в другом случае готовность системы примерно одинаковая. Таким образом, недостатки: у модульных – меньшая наработка на отказ, а у моноблоков – большее время восстановления.
МНа сегодняшний день модульные ИБП высокойбольшой мощности (до 500 кВт) производит компания Schneider Electric под наименованием Symmetra PX II с максимальной мощностью до 500кВт. Применение такихданных ИБП оправдано в случае прогнозируемого возрастанияроста нагрузки, посколькут.к. всегда можно установитьдобавить дополнительные модули. Однако (как не трудно догадаться) высокая стоимость ИБП и, а так же довольно спорный способ увеличения времени автономной работы путем использования применением ббольшого количествачисла параллельных ветвей батарей малой емкости, не позволяют считатьдают возможности сказать, что данное решение является единственнымо оптимальным решением для питания ИIT- нагрузки ЦОД, как его позиционирует Schneider Electric.
Ещеё более смелое решение предлагает ABB в серии ИБП Conceptpower DPA , которые собирают в единый ИБП до 30 увесистых модулей (по 56 кг –- не так-то просто и заменить!) и достигают мощности 1350 кВА (1080 кВт).!
Параллельные системы из нескольких модульных ИБП
В ряде случаев, когда закончился резерв повышения мощности в объеме одного ИБП, либо, что особенно актуально в современных реалиях, — при построении систем с высокой степенью доступности и отказоустойчивости уровней Tier III и Tier IV требуется параллельное соединение нескольких ИБП, максимальная мощность систем может варьироваться от 800 кВА до 2000 кВА. БПри этом у большинствоа производителей предусматриваютется пар параллельное соединение до четырех4-х модульных ИБП.
В отличие от Schneider Electric и ABB, достигших большой мощности (и потому нашедших отдельное место в нашем обзоре), ИБП Chloride (например, серии APM), Delta UPS и многих других европейских и китайских производителей остановились на рубеже 120–-200 кВА.
Следует отметить выдающиеся характеристики Chloride APM, например, рекордно высокое значение КПД (стабильно 96,2% – от 100% до 50% мощности) в сочетании с единичным коэффициентом мощности.
А что же дальше?
Традиционно системы бесперебойного и гарантированного электропитания строятся из источников бесперебойного электропитания для борьбы с краткосрочными пропаданиями, дизель-генераторов (ДГУ) для работы при долгосрочных отключениях, а также различных устройств контрольной электроники для переключений между разными источниками энергии.
ИБП можно разделить на два класса: статические (с электрохимическим источником тока) и динамические (с накопителями кинетической энергии). Хотя ИБП обоих классов хорошо известны с середины прошлого века, в 1980–-х и 1990-х гг.одах на рынке явно преобладали статические ИБП. В последнее времяие годы в все шире применяются динамические ИБП. Это можно смело назвать «модной тенденцией».
Анализ требований заказчиков к бесперебойному электропитанию показывает, что зачастую для питания нагрузки достаточно 10–15 секунд автономной работы. Это прежде всего относится в первую очередь к промышленным техпроцессам, где проблемы с электропитанием (из-за погодных явлений или износа энергетической инфраструктуры) случаются достаточно часто. Известно, что подавляющее большинство отклонений качества электроэнергии длиятся лишь несколькоих секунд. Многие предприятия имеют возможность улучшить качество электропитания и избежатьгнуть практическиочти всех проблем (пожалуй, кроме долгосрочного отключения), заняв минимум пространства и затратив минимум средств.
В других случаях заказчик просит исключить из схемы электрохимические батареи из-за недостатка места для размещения батарейного хозяйства и высокой стоимости его содержания. На объектах, где установлено более сотни линеек АКБ, поэтапная замена старых батарей на новымие может растянуться на два-три года, а при применении пятилетних батарей этот процесс «закольцовывается» и становится непрерывным.
Казалось бы, вот она, – альтернатива статическим ИБП. Но основное отличие (и очевидный недостаток) динамических ИБП (ДИБП) – чрезвычайно малое время автономной работы, 10–15 секунд при полной нагрузке. Кроме того, высокая скорость вращения маховика-накопителя определяет высокую точность и сложность изготовления устройства, критическим элементом которого становятся подшипники.
Часто среди преимуществ ДИБП называют высокий КПД, но он соизмерим с КПД современных статических ИБП даже в режиме двойного преобразования.
Динамические технологии выбирают по экономическим причинам. Они (при стечении всех обстоятельств, способствующих тому) дешевле, причем не только в начальных инвестициях, но и в стоимости владения. Ещеё раз подчеркнемвторимся: время автономии чрезвычайно мало, и и «если не запустилось, то не запустилось», и предпринять ничего нельзя, но не следует забывать, что время заряда очень короткое, количество циклов «заряд –- разряд» не ограничено и нет необходимости менять АКБ каждые четыре-семь лет.
Статические технологии выбирают из соображений надежности. ИБП можно разместить в непосредственной близости к защищаемому оборудованию, сократив до минимума количество распредщитов и автоматов в сегменте распределения. Только в статических ИБП времени автономии достаточно для оперативной реакции персонала, резервирование батарейных линеек (помимо стандартных схем аппаратного резервирования) гарантирует достаточное время для запуска ДГУ (в худшем случае даже в ручном режиме). Именно поэтому статические ИБП большой мощности в настоящее время занимают доминирующее положение в маркетинговой нише подобных решений, и есть все предпосылки полагатьдумать, что ситуация в будущем не изменится.
