Der Nutzen hocheffizienter multimodaler USV

Heiss diskutiert wird im Zusammenhang mit einer sicheren Stromversorgung in Rechenzentren die Leistung, den Wert, die Risiken und die Vorteile einer hocheffizienten unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV).

Bei dieser Technologie spricht man von multimodaler USV oder auch Eco-Modus. Intelligente Steuerlogik wird dazu eingesetzt, je nach Anforderung im Millisekundenbereich zwischen einem hochwertigen Effizienzmodus (multimodal) und einem hochwertigen Leistungsschutzmodus (doppelte Umwandlung Gleichrichter/Wechselrichter) umzuschalten. Die Energieeffizienz bei der Umwandlung von Wechselstrom (AC) auf Gleichstrom (DC) wird verbessert, indem die erforderlichen Schritte bei der Umwandlung reduziert werden, wenn der Netzstrom innerhalb eines zulässigen Toleranzbereichs liegt. Sobald eine Anomalie bei der Leistung auftritt, die die Last der Server und Anlagen in Rechenzentren beeinträchtigt, wechselt die multimodale USV in Millisekundenschnelle auf den Doppelwandlermodus.

Die Energieeffizienz liegt dabei in einem Bereich zwischen 98 und 99 Prozent im Vergleich zu Doppelwandlertechnologien, die bei 92 bis 95 Prozent arbeiten. Die neuen multimodalen USV-Architekturen versprechen also erhebliche Einsparungen bei den betrieblichen Aufwendungen für Rechenzentren. Dennoch gibt es innerhalb der Branche Diskussionen über die Risiken und Vorteile von Energieeffizienz im Vergleich zu Zuverlässigkeit und Qualität bei der Stromversorgung. Ist die Technologie für das Umschalten bzw. die Übertragung stabil und schnell genug, um die Last zu schützen? Hat eine Verbesserung der Energieeffizienz um vier oder fünf Prozentpunkte Einfluss auf die Betriebskosten über den gesamten Lebenszyklus hinweg? Werden ausreichend multimodale USV in den Rechenzentren bereitgestellt, um, rein statistisch gesehen, Einfluss auf den ROI (Return on Investment) zu haben?

Multimodale Übertragungsgeschwindigkeit

Grundvoraussetzung für jede multimodale USV ist der Ausgleich und die Optimierung der Zeiträume, in denen stabile und saubere Energie aus dem Versorgungsbetrieb stammt und effizient umgewandelt werden kann, um die Last aufrechtzuerhalten bzw. in denen eine Anomalie in der Leistung der USV einen Wechsel in den Doppelwandlermodus erfordert. Letzteres stabilisiert zwar die Leistung, beeinträchtigt jedoch die Gesamteffizienz der Stromversorgung.

Was ist demnach die optimale Zeit für den Wechsel oder die Übertragung? In vorhergehenden White Papers und Blogs wurde angenommen, dass alle Werte über 8 bis 10 Millisekunden (ms) problematisch sind, da die empfindlichen Anlagen (Server usw.) in vielen Rechenzentren keine Toleranzen für Werte auf oder über diesem Niveau aufweisen. Laut einem White Paper von Green Grid zum Thema Multimodus «… ist die USV möglicherweise nicht dazu in der Lage, die IT-Anlagen zu unterstützen, wenn eine USV beispielsweise eine Übertragungszeit von mehr als 10 ms aufweist und IT-Anlagen mit Durchfahrkapazitäten von maximal 10 ms versorgen soll.»

Das ist einer der Gründe für einige Unternehmen, einschliesslich GE, ihre multimodale USV auf Übertragungsgeschwindigkeiten von weniger als 2 ms auszulegen. Die Technologien, mit deren Hilfe diese Geschwindigkeiten erreicht werden, sind nahtlos, stellen jedoch eine komplexe Kombination aus der Erkennung von Störungen, Analysen und Steuerungssystemen dar.

Wenn die vorausschauenden Überwachungstechnologien von eBoost auch nur die geringste Abweichung auf dem Haupt- oder Bypassweg feststellen, wird der Wechselrichter sofort aktiviert, um die Stromversorgung durch den hochwertigen Doppelwandler-Schutzmodus zu ermöglichen. Im selben Schritt wird der statische Wechsel auf dem Bypassweg vom Versorgungsbetrieb deaktiviert, damit die Störung die Last nicht beeinträchtigt. Verschiedene patentierte Innovationen sorgen dafür, dass der Prozess des Umschaltens von multimodal auf den Doppelwandlermodus bei der eBoost-Technologie von GE in weniger als 2 Millisekunden erfolgt.

Eine Vielzahl an Analysegeräten für Störungen, einige davon mit GE-Patent, wird kombiniert eingesetzt, so z. B. ein adaptiver Spannungsprüfer für spontane Fehler, der kleinste Veränderungen bei Amplitude und Haltezeit überwacht, ein Spannungsprüfer für Fehler beim quadratischen Mittelwert (RMS), der den quadratischen Mittelwert (RMS) der drei USV-Ausgangsspannungen bei Varianzen berechnet, oder ein Kurzschlussprüfer für die Ausgangsspannung, der, sobald ein Trennschalter ausgelöst wird, den Leitungsstrom automatisch erhöht, um den Trennschalter schnell freizugeben und zurückzusetzen. Eine hochentwickelte, transiente Wechselrichtersteuerung wickelt die Übertragung der Last auf den Wechselrichterstrom und wieder zurück auf den Bypassweg schnell ab.

All diese fortschrittlichen Überwachungs- und Kontrollsysteme arbeiten Hand in Hand, um eine umfangreiche Palette an potenziellen Szenarien bei der Stromversorgung vorherzusehen und darauf zu reagieren und das bei einer Übertragungsgeschwindigkeit von weniger als 2 Millisekunden bei einem Wechsel. Diese Geschwindigkeit ermöglicht die Steigerung der intermittierenden Übertragung auf Doppelwandlerschutz bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer höheren multimodalen Effizienz über die Mehrheit der Zeiträume, wenn Netzstrom fliesst.

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Nachdem die Leiter von Rechenzentren ständig nach Möglichkeiten suchen, ihre Betriebskosten zu senken, und die Hosting-Unternehmen in allen Bereichen ihres Betriebs sparen müssen, um bei ihren Preisen wettbewerbsfähig bleiben zu können, sind diese Prozentzahlen entscheidend.

Steht der Multimodus für ungeschützten Netzstrom?

Einige Leiter von Rechenzentren befürchten, dass sie ihren leitenden Angestellten, die jeglichem Risiko ablehnend gegenüberstehen, nur schwer vermitteln können, dass sie kritische Prozesse im Rechenzentrum über eine multimodale USV laufen lassen sollen, da dies bei einigen USV-Lieferanten über eine Bypassleitung des Versorgungsbetriebs läuft. Bei GE integrieren die Konstrukteure einen Reaktor für die Bypassleitung, der elektrisch mit dem Ausgangsfilterstromkreis gekoppelt ist und der Übertragungskorrektur dient, während die USV multimodal arbeitet (eBoost). Diese Übertragungskorrektur schützt vor zu vielen Einschwingvorgängen auf niedriger Stufe bei der Versorgungsquelle und reduziert daher die Anzahl der potenziellen Übertragungen auf den USV-Wechselrichter. Mehr als 98 Prozent der Anomalien bei Netzstrom entstehen durch Spannungsschwingungen, diese Funktion ist demnach sehr nützlich. Die anderen zwei Prozent der Anomalien entstehen durch Spannungsabfälle und Stromausfälle. Für diese sind der Doppelwandlermodus und der Netzausfallschutz des USV-Systems zuständig.

Sind Prozentzahlen entscheidend?

Ein drittes Argument bezüglich der multimodalen USV, das wir in der Branche häufig zu hören bekommen, ist «warum [man] das Risiko für ein paar Prozentpunkte mehr bei der Effizienz eingehen [sollte], wenn unsere USV mit Doppelwandler uns jetzt bereits eine Effizienz von bis zu 93 Prozent liefert? Bringt diese zusätzliche Energieeffizienz erheblich mehr Gewinn ein?»

Gehen wir von einer USV-Bereitstellung für ein branchenübliches Rechenzentrum mit 10 Megawatt (MW) aus, die nur ein Prozent mehr Effizienz liefert, sehen wir über einen Zeitraum von zehn Jahren einen erheblichen Einfluss (siehe Artikel über die Gesamtbetriebskosten (TCO) von USV von «Data Center Knowledge»). Wie die nachfolgende Tabelle (Abbildung oben) zeigt, ergibt die Evaluation der Gesamtbetriebskosten (TCO) bei den Kosten für den Betrieb einer USV über 10 Jahre und fixen Kapitalkosten eine Einsparung der betrieblichen Aufwendungen von 1,4 Millionen USD, wenn die Energieeffizienz um einen Prozentpunkt – von 93 auf 94 Prozent – verbessert wird. Bei neueren multimodalen USV-Technologien, die eine Effizienz von bis zu 96,5 Prozent liefern, könnten diese Einsparungen sich sogar auf fast 3,4 Millionen USD belaufen.

Fazit

Wenn multimodale oder Eco-Modus-Technologien in Handelsblättern, auf Konferenzen und in Industriekomiteen besprochen werden, sind sich alle einig, dass Multimodus der richtige Weg für die Zukunft bei allen USV-Ausführungen ist. Einige Leute warnen noch immer davor, dass es nicht genügend Laufzeitdaten für Geschäftsanwendungsfälle gibt. Wir haben bei GE jedoch andere Erfahrungen gemacht.

Download (PDF, 54KB)

Autor: Brad Thrash ist Produktmanager für Critical Power bei GE und trägt die globale Verantwortung für die dreiphasige USV-Produktlinie, einschliesslich der TLE-Reihe USV.
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