Повышение энергетической эффективности ИБП

Система бесперебойного электропитания является одной из основных инженерных систем ЦОД. От её работоспособности зависит, по сути, жизнедеятельность всего дата-центра. Будучи критически важными, системы ИБП привлекают большое внимание как с точки зрения надежности входящих в неё элементов, так и с точки зрения их эффективности. Интересно, что некоторые последние разработки в этой области позволяют одновременно улучшить как надежность, так и эффективность ИБП. Именно о них и пойдет речь далее.

Несмотря на достаточно высокий КПД ИБП (согласно заявленным производителями данным он составляет порядка 94%, причем уже существуют системы и с КПД в 96%), реальная их эффективность находится на уровне 85-92%.

Самая главная причина низкого КПД ИБП кроется в их недогруженности, которая, с свою очередь, объясняется несколькими факторами:

Системы ИБП всегда резервируются. Минимально допустимая схема резервирования – N+1. В более критических ЦОД используются схемы 2N и 2(N+1). При этом нагрузка равномерно распределяется среди всех блоков ИБП и нагрузка на каждый из них в отдельности составляет, например, 66% (схема 2+1) или 50% (схема 2N) или 33% (схема 2(2+1)). ИБП рассчитываются на полную загрузку ЦОД. Однако, во-первых, она иногда оказывается завышенной, а во-вторых, на начальном этапе эксплуатации ЦОД (а он может тянуться и год и два) нагрузка, как правило, всегда ниже полной и может составлять вплоть до 0% от полной. Наконец, ИБП выбираются с запасом. Как правило, запас составляет порядка 20%. Очевидно, что, с одной стороны, каждый из перечисленных пунктов является логичным и обязательным для исполнения. С другой стороны, эти факторы снижают эффективность системы бесперебойного питания в целом. Наложение всех трех факторов дает существенную недогрузку ИБП, а его КПД тем ниже, чем ниже нагрузка.

Зависимость КПД ИБП от нагрузки

Оценить масштабы бедствий можно на простом примере. При 100% нагрузке КПД выбранного ИБП составляет 94%. Для ЦОД мощностью 600кВт выбраны 3 ИБП мощностью 350кВт каждый (схема резервирования N+1, запас 17%) Реальная мощность ЦОД составляет 400кВт. Следовательно, реальная нагрузка на ИБП равна 38%, а его КПД – 90%. Разница в КПД 4%, на 400кВт она превращается в лишние 8кВт энергопотребления системы ИБП плюс 4кВт энергопотребления системы кондиционирования (согласно статистике чиллерных ЦОД на удаление 1кВт тепла тратится 0.5кВт электроэнергии). Полученные 12кВт в пересчете на год составят 105 120кВт*ч, а это уже $10 000 в год.

Пути повышения КПД ИБП

Повышения КПД в системах ИБП можно достичь, применяя достижения технологий, более современные схемы ИБП и модульное оборудование. Рассмотрим каждый пункт в отдельности.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

В последние годы на рынке бесперебойного питания появилось оборудование с использованием биполярных транзисторов с изолированным затвором (Isolated Gate Bipolar Transistor, IGBT) вместо классических управляемых кремниевых вентилей (silicon-controlled rectifiers, SCRs). Не вдаваясь в технические подробности, отметим, что, во-первых, последние потребляют больше электроэнергии при включении и, особенно, при выключении. Во-вторых, они менее надежны и для повышения надежности в схему ИБП приходилось вводить дополнительные элементы, усложняющие оборудование в целом.

Что касается транзисторов, то их появление в схемах ИБП сдерживалось отсутствием решения для высоких токов. С их появлением (конец 90-х гг. прошлого века) и изобретением биполярных транзисторов с изолированным затвором стало возможным их внедрение в передовые блоки ИБП. Результатом стало и появление технологии высокочастотной широтно-импульсной модуляции, позволяющей сэкономить ещё и на фильтрах.

Цифровая обработки сигналов в ИБП

Ещё одно усовершенствование связано с переходом от аналоговых элементов управления ИБП к цифровым (Цифровая обработка сигналов, Digital Signal Processing, DSP). Выигрыш здесь наблюдается сразу по нескольким параметрам: более точное управление системой, быстрое принятие решений, меньшее электропотребление, гораздо более развитая логика. Это также позволяет оптимизировать процесс управления, снизить количество переключений нагрузки, что наиболее заметно при низкой загрузке ИБП.

Дельта-преобразование вместо двойного преобразования в ИБП

Особого внимания заслуживает внедряемая сегодня технология бесперебойного питания на основе дельта-преобразования. Её разработка относится к середине 1990-х годов, но высокая стоимость тормозила продвижение на рынок. Сегодня такие ИБП также дороже обычных (работающих по схеме с двойным преобразованием энергии), но они уже более часто встречаются на рынке.

В отличие от схемы с двойным преобразованием, где вся входная мощность сначала трансформируется в постоянный ток, а затем снова в переменный более высокого качества, в схеме с дельта-преобразованием используются дельта-трансформатор и дельта-преобразователь, имеющие своей целью контроль входного напряжения и, если оно недостаточно, то увеличение выходного напряжения до необходимого уровня.

Таким образом, вместо двойного преобразования всей мощности наблюдается двойное преобразование лишь недостающей мощности (более подробно о принципе действия данных ИБП см. IGBT в ИБП). Это позволяет поднять КПД ИБП в среднем на 2% практически при любой загрузке ИБП.

Модульные ИБП

Одной из характеристик современного оборудования является модульность, масштабируемость и заменяемость. Со временем всё заменяется на конструкцию с ячеистой структурой. Точно так же, как ЦОД состоит из отдельных стоек 19", а блейд-сервер состоит из отдельных вычислительных модулей, модульные ИБП состоят из нескольких согласованных друг с другом энергетических модулей, которые можно заменять, удалять или добавлять по необходимости.

Модульность играет важнейшую роль на этапе формирования ЦОД, когда ещё нет полной энергетической нагрузки. Запроектированные с запасом модульные шкафы («каркасы») ИБП можно заполнять энергетическими модулями постепенно, что позитивно отражается на единовременных капитальных затратах.

Модульная масштабируемая система ИБП на примере оборудования APC

Ещё один важный плюс модульности именно систем бесперебойного питания заключается в их способности повысить КПД при неполной загрузке ЦОД. Дело в том, что большинство ЦОД работает не на полную мощность и все системы, в том числе и ИБП, оказываются переразмеренными, что снижает энергоэффективность решения.

С одной стороны автоматика таких ИБП раскидывает нагрузку равномерно по всем модулям. В то же время, если нагрузка на модульный ИБП низка, то автоматика отключает некоторые модули так, чтобы нагрузка на оставшиеся была максимально высокой. При этом КПД модулей и КПД ИБП в целом также повышается.