Veľké systémy UPS. Dosiahnutie vyššej účinnosti (1)

Pri tradičnom prístupe k špecifikácii a voľbe UPS systémov sa takmer vždy sústredíme len na spoľahlivosť systému, reprezentovanú ­stredným časom medzi poruchami (MTBF), ktorú udáva samotný výrobca zariadenia alebo technickí konzultanti. Avšak v súčasnosti už pri výbere UPS systému vystupujú do popredia iné dve charakteristiky: 1. sledovanie celkových nákladov na vlastníctvo zariadenia počas celej jeho životnosti (TCO) a 2. verejné a súkromné aktivity na ochranu životného prostredia. Príkladom môže byť certifikačný program „zelená budova“ či programy riadenia na strane spotreby, ktoré ponúkajú elektrárenské spoločnosti. K znižovaniu účinnosti UPS systémov prispievajú najmä dva ­faktory: prirodzená vlastná strata kapacity UPS modulov a to, ako je systém navrhnutý (napr. kapacitná záloha).

Pri výbere UPS systému výrobca často odporúča vziať do úvahy len hodnotu účinnosti. Avšak aj to je zavádzajúce a neskôr v článku vysvetlíme prečo. Najlepší spôsob, ako demonštrovať vplyv takýchto praktík na ­náklady spoločnosti z hľadiska spotreby elektrickej energie, je hypotetický príklad. Predstavme si dva 1 MW UPS systémy od dvoch rôznych výrobcov. UPS systém 1 a UPS systém 2 mali uvedené v technickej dokumentácii účinnosti (93 % pri plnej ­záťaži), sú prevádzkované v usporiadaní 2N, spotrebúvajú elektrickú energiu v cene 0,1 USD/kWh a napájajú 300 kW záťaž. Viacerí by mohli namietať, že pri prevádzke týchto systémov by nemal byť rozdiel z hľadiska ­ročnej spotreby elektrickej energie. To je však chybné konštatovanie vynímajúc scenár núdzovej prevádzky a údržby, ­pretože UPS systémy nie sú takmer nikdy prevádzkované na 100 % záťaž pri 2N konfigurácii, nakoľko každá „N“ strana musí byť schopná pri výpadku druhej strany napájať kompletnú záťaž.

Z tohto hľadiska nesmie maximálna navrhovaná záťaž na každú UPS pri normálnej prevádzke prekročiť 50 %. V reálnej praxi však systémy 2N veľmi zriedka dosahujú až 50 % záťaž na každý systém. Niektoré prieskumy trhu uvádzajú, že 2N dátové centrá pracujú na 20 – 40 % svojej 2N ­kapacity (bežná záťaž pripojená na UPS v dátových centrách predstavuje podľa štúdie č. 37 spoločnosti APC s názvom Predchádzanie nákladom pri nadmerne veľkej infraštruktúre dátových centier okolo 30 %). Pre náš hypotetický príklad predpokladáme záťaž 30 %, keď každý UPS systém napája 150 kW. Každá UPS v systéme 1 spotrebuje elektrickú energiu pochádzajúcu zo strát energie na úrovni 10 470 USD/rok, pričom systém 2 spotrebuje energiu len za 28 322 USD/rok. Nakoľko v každom systéme sa nachádzajú dva UPS, náklady na elektrické straty sa zdvojnásobia – pri systéme 1 na 20 940 USD, pri systéme 2 na 56 644 USD/rok.

Tieto straty sa premieňajú na teplo, ktoré treba odvádzať ventilačným/chladiacim systémom. Predpokladajme, že každý kW tepla vyžaduje ďalších 400 W spotreby chladiaceho systému, ktorý toto teplo odvádza, z čoho rezultujú ďalšie náklady vo výške 8 376 USD pre systém 1 alebo 22 651 USD/rok pre systém 2. Hodnota 400 W je konzervatívny odhad pri aktuálnych nákladoch na chladenie dátových centier. Podľa [1] sa odhaduje, že podiel energie potrebnej na chladenie predstavuje 51 % celkovej tepelnej záťaže dátových centier. V rámci nášho príkladu budeme uvažovať o životnosti dátového centra 10 rokov, čo je bežná hodnota. Potom sa celkové náklady na straty UPS systému pohybujú na úrovni 293 165 USD pre systém 1 a 793 021 USD pre systém 2 (tab. 1). Tak ako je možné, že sa môžu elektrické straty medzi takmer identickými UPS systémami líšiť až trojnásobne?

Tab. 1 Dva rozdielne systémy pracujúce s rovnakou záťažou v usporiadaní 2N vykazujú rozličné náklady

Odpoveď nájdeme v krivkách účinnosti obidvoch systémov a v tom, ako sú z hľadiska svojej veľkosti navrhnuté vzhľadom na záťaž. Zlepšenie účinnosti jednej UPS o 5 percentuálnych bodov môže podľa toho, aká veľká záťaž je na ňu pripojená, viesť k zníženiu elektrických strát od 18 do 84 %. Tento prípad bude ilustrovaný neskôr na dvoch systémoch, ktoré sú aktuálne dostupné na trhu. Výrobcovia UPS s cieľom splniť požiadavky súčasnosti na účinnosť a ochranu životného prostredia môžu využiť tri faktory, ktoré dokážu účinnosť veľkých UPS zlepšiť: technológiu, topológiu a modularitu. Tieto faktory spoločne dokážu znížiť elektrické straty UPS transformované do podoby tepelnej energie (kW). Ďalej v článku vysvetlíme krivky účinnosti a opíšeme aj základné chyby, ktoré sa robia pri vyhodnocovaní účinnosti UPS.

Budeme sa zaoberať aj tým, ako technológia, topológia a modularita umožňujú výrobcom zlepšiť účinnosť UPS. Bližšie informácie týkajúce sa celkovej účinnosti dátových centier možno nájsť v prehľadovom článku APC č. 113 s názvom Modelovanie elektrickej účinnosti údajových centier. Ak sa pri technickej dokumentácii ku konkrétnej UPS uvádza len jeden údaj o účinnosti UPS, takmer určite ide o účinnosť pri 100 % záťaži (menovitej záťaži) a pri rôznych iných kladných stavoch systému, ako sú napr. úplne nabité batérie, minimálne napätie na vstupe UPS a pri odpojených alebo vôbec nenaištalovaných voliteľných transformátoroch a filtroch na vstupe. Väčšina výrobcov UPS v skutočnosti uvádza účinnosť UPS pri 100 % záťaži, pretože tento údaj reprezentuje najlepšiu účinnosť, ktorú UPS môže dosiahnuť.

Avšak, nanešťastie, len veľmi málo používateľov môže vyťažiť výhody takejto účinnosti, pretože zvyšok nikdy nedosiahne 100 % záťaž, ktorú by UPS musela napájať. Vyberať UPS podľa účinnosti uvedenej na jej štítku je niečo podobné, ako kupovať auto, ktoré dosahuje maximálnu efektivitu spotreby paliva pri jazde na diaľnici a pritom auto chceme používať na jazdu po meste. Lepším spôsobom, ako vyberať UPS, je zamerať sa na účinnosť pri 30 % záťaži, čo je priemerná záťaž, akú predstavujú stredné alebo veľké dátové centrá. Aby sme takýto výber mohli zrealizovať, potrebujeme najprv pochopiť, čo to je krivka účinnosti UPS a ako sa vytvára.

Ako sa vytvorí krivka účinnosti UPS

Krivka účinnosti sa v prvom rade tvorí na základe merania výkonu dodávaného do UPS (na vstupe) a výkonu, ktorý UPS dodáva do pripojenej záťaže (na výstupe). Tieto hodnoty sa merajú pri rôznej veľkosti záťaže, zvyčajne 25, 50, 75 a 100 %. Meranie sa tiež uskutočňuje pri nulovej záťaži, aby sa zistilo, koľko energie spotrebuje UPS na svoju vlastnú spotrebu (straty bez záťaže). Z týchto meraní sa vypočítajú straty odčítaním vstupného od výstupného výkonu. Straty sa potom zakreslia do grafu ako body a priebeh krivky je spojnicou týchto bodov. Krivka potom definuje účinnosť pre všetky ostatné veľkosti záťaže. Po vypočítaní všetkých výkonových strát potom možno vytvoriť krivku účinnosti a zakresliť ju ako pomer výstupného a vstupného výkonu s ohľadom na úroveň záťaže.

Na obr. 1 je naznačený základný priebeh krivky účinnosti UPS. Najvyšší bod krivky zodpovedá najvyššej účinnosti (os Y) a najvyššej úrovni záťaže (os X). V prípade uvedenej krivky je maximálna účinnosť UPS na úrovni 93 %. Aby sme mohli vyberať UPS pri reálnej záťaži, musí zákazník nájsť alebo otestovať účinnosť UPS pri bežne sa vyskytujúcej záťaži 30 %, kde môže vidieť hodnotu účinnosti 89 %. Ak dátové centrum používa redundantné UPS (2N), účinnosť sa ešte viac zníži, a to práve vďaka faktu, že záťaž sa rozloží na obidve UPS, ktoré by mohli znížiť účinnosť na 82 %. Tento efekt redundancie bude ešte neskôr v článku vysvetlený.

Zelené stĺpiky predstavujú celý výkon, ktorý je dodávaný do IT ­záťaže, zatiaľ čo červené kvádre predstavujú vnútorné ­straty UPS, ktoré definujú krivku účinnosti uvedenú na obr. 1. Ak má UPS perfektnú účinnosť, celý výkon dodávaný do UPS možno ­dodať do záťaže ­dátového centra, čoho výsledkom by boli len zelené ­stĺpiky (bez strát), a to pre všetky úrovne záťaže. V takomto prípade by mohla krivka účinnosti vyzerať ako horizontálna čiara (100 % pre všetky úrovne záťaže). Avšak ako nám naznačujú červené kvádre, niečo zo vstupného výkonu sa spotrebuje priamo v UPS. V nasledujúcej časti seriálu opíšeme tri typy strát vyskytujúcich sa pri prevádzke UPS: straty „bez záťaže“, proporcionálne straty a kvadratické straty.

Autor článku: Victor Avelar

Zdroj: Avelar, V.: Making Large UPS Systems More Efficient. APC by Schneider Electric, White Paper 108, Revision 2, 2010.

Publikované so súhlasom spoločnosti Schneider Electric Slovakia, spol. s r. o.