Янне Паанен, менеджер по технологиям для комплексных проектов и ЦОД подразделения «Качественное электропитание», компания Eaton в регионе EMEA
Энергетическая эффективность – главная забота всех пользователей источников бесперебойного питания (ИБП), особенно тех, кто управляет крупными ЦОД, мощность, которых выражается в мегаваттах. К счастью, новейшие технологии позволяют достичь уровня энергоэффективности, который еще не так давно казался невозможным.
Почему энергоэффективности ИБП уделяется так много внимания? Ответ прост: несмотря на то что КПД современных ИБП обычно превышает 90%, даже небольшое его увеличение означает значительную экономию, особенно на крупных объектах. Рассмотрим, например, центр обработки данных, в котором система бесперебойного питания имеет суммарную нагрузку около 1 МВт, что сегодня совсем не редкость. При обычных тарифах на электроэнергию повышение КПД всего на один процент обеспечивает в год экономию более 10 тыс. евро и сокращение выбросов CO2 почти на 50 т. Столько же CO2 выбросит автомобиль, восемь раз объехавший вокруг света! Следует учесть, что в эти цифры не входит дополнительная экономия за счет того, что более эффективным ИБП требуется меньше охлаждения.
Теперь давайте рассмотрим факторы, влияющие на эффективность КПД. Остановимся на статических ИБП с двойным преобразованием энергии, поскольку они обеспечивают всестороннюю защиту и поэтому почти всегда выбираются для питания ответственных нагрузок. Ожидается, что хороший ИБП с двойным преобразованием энергии должен иметь КПД около 94% при нагрузке 40% и более от номинальной. При меньших нагрузках КПД резко падает, и при 10%-ной нагрузке он не превышает 80%. Это является довольно неприятной проблемой для современных виртуализированных центров обработки данных, нагрузка которых может быстро и непредсказуемо меняться в течение дня, а также для установок, в которых ИБП был намеренно выбран с запасом по мощности, чтобы обеспечить в будущем добавление дополнительных серверных стоек. Решением может стать технология Variable Module Management System (VMMS) – адаптивная система управления модулями.
Технология VMMS предусматривает использование ИБП, состоящих из нескольких модулей бесперебойного питания (UPM), которые работают параллельно и питают нагрузку вместе. При небольшой нагрузке на ИБП необходимость использования всех UPM исчезает, и часть из них переводится в дежурный режим с низким потреблением. Вся нагрузка передается оставшимся UPM, в результате чего они становятся нагруженными настолько, что их КПД приближается к максимальному или достигает максимума. Управление распределением нагрузки происходит динамически, и дежурные UPM мгновенно возвращаются в работу при возрастании суммарной нагрузки установки.
VMMS может также использоваться для управления установками, состоящими из нескольких ИБП. Например, если в установке имеется три ИБП, каждый из которых состоит из трех UPM (всего девять UPM), то VMMS может динамически изменять количество работающих UPM от одного до девяти в зависимости от уровня нагрузки в каждый момент времени.
VMMS помогает достичь максимального КПД, но обычные ИБП с двойным преобразованием энергии даже в оптимальном режиме имеют КПД не более 94%. Что же еще можно сделать для повышения эффективности? Ответом может стать использование в ИБП технологии Energy Saver System (ESS), известной как «система сохранения энергии».
Чтобы понять принцип ее работы, полезно вспомнить, что в состав ИБП с двойным преобразованием энергии входят четыре функциональных блока – выпрямитель, инвертор, батарея и статический переключатель. Для них существуют три режима работы. Обычно ИБП работает в режиме двойного преобразования, когда выпрямитель получает электроэнергию из сети и передает ее на инвертор, питающий нагрузки. При исчезновении напряжения сети или ухудшении качества электроэнергии инвертор получает ее от батареи, продолжая питать нагрузки. Это называется автономным режимом работы.
Наконец, ИБП может работать в режиме байпаса при замкнутом статическом переключателе. В этом режиме электроэнергия подается в обход выпрямителя и инвертора, поступая через статический переключатель прямо в нагрузку. Такой режим используется в основном при возникновении неисправностей в выпрямителе или инверторе либо при выполнении технического обслуживания ИБП.
ИБП с ESS точно так же имеет четыре функциональных блока. В его состав не добавляются новые блоки, увеличивающие сложность схемы и, следовательно, уменьшающие надежность. Но у него появляется новый, четвертый режим работы – ESS, позволяющий использовать блоки более эффективно. В этом режиме статический переключатель замкнут и электроэнергия поступает из электросети прямо в нагрузку точно так же, как в режиме байпаса обычного ИБП.
Но существенная разница в том, что выпрямитель и инвертор остаются в режиме «повышенной готовности». Это значит, что при ухудшении качества электроэнергии в сети ИБП переключится в режим двойного преобразования менее чем за две миллисекунды. Столь быстрое переключение реализовано для того, чтобы оно было незаметным даже для самого чувствительного ИТ-оборудования.
ИБП с ESS обычно работает в режиме ESS почти все время, переключаясь в режим двойного преобразования для компенсации отклонений в сети питания только по мере необходимости. В режиме ESS КПД достигает действительно впечатляющих 99%, поскольку исчезают потери в выпрямителе и инверторе. Потенциальная экономия электроэнергии очень велика, а дополнительным бонусом является то, что ИБП с ESS меньше нагреваются, поэтому более надежны и дольше служат.
Технологии VMMS и ESS предлагают действенные способы повышения КПД во время нормальной работы, нам следует рассмотреть еще один аспект обеспечения энергоэффективности.
Чтобы батареи ИБП могли поддерживать нагрузку в течение требуемого времени, их следует регулярно тестировать. Наиболее наглядным способом является испытание на разряд. Как следует из названия, оно предусматривает почти полный разряд батареи при контроле ее токоотдачи и емкости.
Традиционно батареи разряжаются через блок нагрузок – в сущности, набор резисторов. Это означает, что накопленная в батареях энергия преобразуется в тепло и бесполезно рассеивается. В крупных установках бесперебойного питания подобные испытания требуют довольно больших трудозатрат и расходов. Например, недавно на ежегодное тестирование батарей трехмегаваттной установки было потрачено 50 тыс. евро.
Еще одна продвинутая технология – Easy Capacity Test (ECT). Она позволяет тестировать ИБП без внешней нагрузки – вместо нее используются входящие в состав ИБП выпрямитель и инвертор. Метод заключается в том, чтобы проверить работоспособность всех элементов ИБП под напряжением и током, при этом не подавая напряжение на выход ИБП, а замыкая его внутри себя. Благодаря этому отпадает необходимость в построении тестовой среды; производится тестирование сразу всех компонентов ИБП. В тестовом режиме потребляется всего 5% мощности ИБП, не требуется отводить тепло от сымитированной внешней нагрузки ввиду ее отсутствия. В случае модульного ИБП технологию тестирования Easy Capacity Test можно запускать на каждом модуле в отдельности, тем самым не прерывая работу всего ИБП. Технология ECT выполняет тестирование ИБП без какого-либо влияния на электропитание ЦОД: не образуются дополнительные помехи в сети, не повышается тепловыделение и, что очень важно, серверы не запитываются от тестируемого ИБП, как это часто бывает при традиционном тестировании.
Подведем итоги. Мы рассмотрели три новых технологии – VMMS, ESS и ECT. Они позволяют в течение срока эксплуатации крупного ИБП сэкономить десятки тысяч евро и значительно уменьшить воздействие на окружающую среду. Специалистам, занимающимся составлением требований к ИБП и их закупкой, рекомендуется искать продукты, которые используют эти технологии, позволяющие уменьшить расходы.
