Energieeffizienz bei USV-Anlagen
Kostensenker im RZ
Der Wirkungsgrad einer Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) variiert abhängig von der Auslastung der Anlagen - je höher die Auslastung, desto höher ist deren Effizienz. Da USV-Anlagen jedoch häufig nicht voll ausgelastet sind, gilt es, auch bei niedriger Last eine möglichst hohe Energieeffizienz zu erreichen.
In Zeiten steigender Strompreise spielt die Energieeffizienz eines USV-Systems bei der Anschaffung eine immer größere Rolle – hierdurch wird der Kostenvorteil bei der Energieeinsparung immens signifikant. Die bestimmenden Faktoren für die Energieeffizienz eines USV-Systems sind Leistungsfaktor und Wirkungsgrad. Der Leistungsfaktor definiert das Verhältnis der Wirkleistung einer Last (Watt) zur Scheinleistung (VA). Der Idealfall ist ein Leistungsfaktor von 1 – das Gerät hat dann keine Blindleistungsverluste und verbraucht lediglich reine Wirkleistung.
Der Wirkungsgrad gibt die Effizienz der Energieübertragung an und hängt vom Verhältnis zwischen Ausgangs- zu Eingangsleistung ab. Gemessen wird die nominelle Eingangs- und Ausgangsleistung unter Volllast, der Wert ist in Prozent angegeben.
Herkömmliche USV-Systeme erreichen bei Volllast einen Wirkungsgrad von unter 90 Prozent. Die Differenz zu 100 Prozent verbrauchen sie selbst – und erzeugen dabei Abwärme, die gekühlt werden muss. Hinzu kommt: USV-Systeme laufen in der Regel nicht mit maximaler Auslastung und arbeiten deshalb im realen Betrieb ineffizienter. Für die Auswahl eines Systems heißt das: Um valide Aussagen zur Energieeffizienz einer USV-Anlage zu bekommen, muss man die gesamte Wirkungsgradkurve – also auch bei einer niedrigen Last von 40 oder 50 Prozent – betrachten. Hersteller haben mehrere stromsparende Verfahren und Techniken zur Marktreife entwickelt, um den Wirkungsgrad erstens auf bis zu 99 Prozent bei Volllast anzuheben und zweitens auch bei niedriger Last zu optimieren. Dies betrifft teils den Aufbau, teils die Steuerung der USV-Anlagen.
USV-Anlagen arbeiteten ursprünglich mit Transformatoren, die jedoch groß, schwer und sperrig waren, sowie darüber hinaus Probleme wie störende Oberwellen im Eingang auslösten. Eine transformatorlose Technologie mit IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) kam lange Zeit nur für USV-Anlagen im niedrigen Leistungsbereich infrage. Seit wenigen Jahren ist es möglich, dass USV-Systeme mit bis zu 1.100 kVA transformatorlos arbeiten. Die besondere Herausforderung ist dabei, große Ströme bei hohen Spannungen schnell zu schalten, ohne dass es zu großen Energieverlusten oder zu störenden Spannungsspitzen kommt. Durch aktive Eingangsleistungsfaktorkorrektur erreichen die trafolosen IGBT-Systeme von Eaton einen Eingangsleistungsfaktor von 0,99 – und dies unabhängig vom Eingangsleistungsfaktor der Last. Erst mit dem trafolosen Design können USV-Anlagen die Schallgrenze von 90 Prozent Wirkungsgrad durchbrechen.
Eatons VMMS (Variable Module Management System) macht sich den modularen Aufbau der USV-Anlagen zunutze. Wenn die Last abfällt, konzentriert die Steuerungssoftware die anstehende Last auf weniger USV-Leistungsmodule, so genannte UPMs (Uninterruptible Power Modules). Dabei befinden sich gerade nicht benötigte UPMs im Leerlauf. Bei einem erneuten Ansteigen der Last werden inaktive UPMs in weniger als zwei Millisekunden zugeschaltet und die Last wieder verteilt. Dies erhöht die Systemeffizienz, da zum einen immer nur die kleinstmögliche Anzahl an UPMs arbeitet und zum anderen jedes Modul besser ausgelastet – ergo effizienter – ist. Zudem lassen sich die inaktiven UPMs als Redundanzsysteme einplanen.
Ein VMMS soll dem Umstand Rechnung tragen, dass USV-Systeme in der Regel nicht mit voller Kapazität laufen, damit sie beispielsweise Lastspitzen zu bestimmten Uhrzeiten oder unterschiedliche Last-Level an Werktagen und Wochenenden ebenfalls absichern können. Die USV läuft jederzeit im Double-Conversion-Modus und gibt damit ununterbrochen sauberen sinusförmigen Strom an die Verbraucher. Die VMMS-Technik ist sowohl für modulare Einzelgeräte als auch bei mehreren parallel geschalteten USV-Anlagen einsetzbar. Durch VMMS erreichen USV-Anlagen einen Wirkungsgrad von bis zu 94 Prozent.
Über die wirkungsgradoptimierende Technik namens ESS (Energy Saver System) analysiert die USV die Qualität des eingespeisten Stroms. Wenn Spannung und Frequenz des Eingangsstroms eine akzeptable Güte aufweisen, gibt die USV die Eingangsspannung an die Last ungefiltert weiter. Sinkt die Qualität ab, aktiviert ESS den USV-Wechselrichter, der Strom wird bereinigt und erst dann weitergeleitet. Dabei werden je nach Netzqualität nur die Module eingeschaltet, die für die Netzbereinigung notwendig sind. Mit ESS steigt der Wirkungsgrad von USV-Anlagen auf bis zu 99 Prozent.
Eine Voraussetzung dafür, dass ESS auch in kritischen Infrastrukturen eingesetzt werden kann, ist ihr besonders schneller Erkennungsalgorithmus, der in weniger als zwei Millisekunden auf den Doppelwandlermodus umschaltet. Dadurch wird eine hohe Verfügbarkeit bei höchstmöglichem Wirkungsgrad sichergestellt. Dies unterscheidet eine solche Technik auch von konventionellen Eco-Verfahren, die entweder mit einem Bypass arbeiten und besonders lange Umschaltzeiten auf die Wechselrichterversorgung haben, oder vergleichbar zu Line-interaktiven Systemen eine automatische Spannungsanpassung durchführen und damit einen geringeren Wirkungsgrad in Kauf nehmen. Der Wirkungsgrad von bis zu 99 Prozent gilt für einen großen Lastbereich ab 20 Prozent Auslastung.
Kreislaufsystem :
Lasttests ohne Testlast
Eaton stattet seine größte USV-Anlage mit einer weiteren Technik aus, um den Stromverbrauch bei der Inbetriebnahme und bei Batteriebelastungstests zu senken: Der so genannte Easy Capacity Test macht Lasttests ohne Testlast möglich. Dabei zirkuliert der Strom innerhalb der USV-Anlage, die Netzenergie geht nicht verloren. Bei herkömmlichen USV-Systemen, verpufft die zugeführte Leistung an den Lastbänken, die Stromkosten für den 24-Stunden-Test einer 550kVA-Anlage unter Volllast kostet so beispielsweise rund 1.200 Euro (bei 0,1 Euro pro kWh). Zusätzlich entsteht Abwärme, die gekühlt werden muss.
Beim Easy Capacity Test dienen Gleichrichter und Wechselrichter der USV als interne Lastbank, der Strom wird über den statischen Thyristor-Bypass zurück an den USV-Eingang geführt. Zusätzlich zum deutlich reduzierten Stromverbrauch entfallen auch die Kosten für geliehene Lastbänke sowie die aufgewendeten Arbeitsstunden für Planung, Anschaffung und Aufbau der Testumgebung.
Damit ein Administrator des Rechenzentrums überhaupt weiß, wo und wie die ins Datenzentrum eingespeiste Energie verbraucht wird, benötigt er Stromverteilungslösungen mit einer exakten Stromüberwachung optional bis auf die Ebene einzelner Steckdosen. Steuerbare so genannte E-PDUs überwachen Leistungsvariable wie Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und Ausgangsleistung ebenso wie Umgebungsbedingungen im Rack, beispielsweise Temperatur und Feuchtigkeit. Diese Informationen bei einigen Modellen per SNMP-Modul via Ethernet-Verbindung für eine zentrale Fernüberwachung zur Verfügung.
Mehrkanal-Displays direkt am Gerät geben zusätzlich Auskunft über Spannung und Auslastung der einzelnen Schaltkreise. Kommt es dennoch einmal zu einer Überlast, sorgen optionale separate Sicherungsautomaten je Steckdosengruppe dafür, dass mögliche Auswirkungen auf diese Gruppe beschränkt bleiben. Mit steuerbaren E-PDUs lassen sich Wartungsaufgaben sogar aus der Ferne erledigen: Dazu gehört beispielsweise das gezielte Abschalten von nicht benötigten Komponenten im Rechenzentrum nach Bedarf oder nach einem voreingestellten Zeitplan. Mit der Softwaresteuerung sind zusätzlich einzelne Ausgänge deaktivierbar.
Lesen Sie mehr zum Thema
