Effiziente USV für Hochleistungs-Rechenzentren

USV-Technik im Detail

14. Juni 2021, 07:00 Uhr   |  Diana Garcia/jos

USV-Technik im Detail
© Bild: ABB

Die Bedienoberfläche bietet dem Betreiber einen umfassenden Überblick. Die gleichen Informationen lassen sich auch über eine Webseite abrufen.

Mit einer neuen unterbrechungsfreien Stromversorgung namens Megaflex zielt ABB auf Anwendungen, wie sie zum Beispiel in Rechenzentren mit hohen Leistungsanforderungen vorkommen. Die Vorzüge laut Hersteller: einfach, kompakt und robust und eine besonders hohe Verfügbarkeit. Es ist lehrreich, das zugrunde liegende Konzept genauer unter die Lupe zu nehmen.

Die Menge an Daten, die weltweit pro Minute in Rechenzentren aufläuft, ist riesig. Diese Datenflut müssen die Systeme nicht nur auf schnelle und sichere Weise speichern, die Daten müssen auch ebenso schnell abrufbar sein – und zwar rund um die Uhr an 365 Tagen im Jahr. Es gilt, sie in einer der vielen Anwendungen zu nutzen, auf denen mittlerweile das tägliches Leben basiert. Mit zunehmender Digitalisierung steigt auch die Zahl und Größe der Rechenzentren rund um die Welt. Damit einher geht ein weiterer Trend hin zu Cloud-basierenden, hybriden und verteilten Rechenzentren. Denn einzelne unabhängige “Stand-alone“-Rechenzentren sind häufig nicht in der Lage, die Anforderungen ihrer Kunden in puncto Datenreplikation, Datenverkehr, Zuverlässigkeit und Resilienz zu gewährleisten.

Anforderungen an Rechenzentren

Es gibt viele Anforderungen, die für alle Betreiber von Rechenzentren gelten. Die wichtigsten sind: Betriebskontinuität und keine Ausfallzeiten. Alle Systeme müssen stets in Betrieb und verfügbar sein – ganz gleich, was auf der Infrastrukturseite passiert, Lastabfälle sind nicht tolerierbar. Dies garantiert eine sichere Datenübermittlung, -speicherung und -wiederherstellung. Ausfälle in Rechenzentren können leicht mehrere Zehn- bis Hunderttausend Euro kosten, auch Kosten in Millionenhöhe sind keine Seltenheit.
Wichtig ist der Punkt Senkung der Investitions- und Betriebskosten durch eine höhere Energieeffizienz: Eine bessere Effizienz reduziert nicht nur Energieverluste und Betriebskosten. Der Betreiber kann auch auf die Anschaffung leistungsstärkerer Temperierungssysteme verzichten, was sich erheblich auf die Anfangsinvestitionen auswirkt.

Ein Rechenzentrum muss seine Daten auf absolut sichere und zuverlässige Weise speichern. Daher ist eine ununterbrochene Versorgung mit hochwertigem Strom von entscheidender Bedeutung. Tatsächlich ist die häufigste Ursache für Ausfälle in Rechenzentren – wenn sie denn auftreten – ein Problem mit der Stromversorgung. ABB hat als Anbieter von USV-Lösungen zur Vermeidung solcher Probleme mehrere Konzepte entwickelt, darunter die dezentrale Parallelarchitektur (DPA).

Die DPA-Technik gilt als bewährt. Steigen die Anforderungen, lassen sich einfach weitere Module hinzufügen. So ist eine Leistung von mehreren MW erreichbar. Doch da es mit zunehmender Größe der Rechenzentren auch die Leistungsanforderungen an die USV steigen – auf 30 oder 40 MW – sind USV-Systeme mit einer Grundleistung von mindestens 1 MW nötig, die sich für Anwendungen mit einem Leistungsbedarf von bis zu 6 MW erweitern oder konfigurieren lassen. So können fünf solcher Einheiten den Energiebedarf einer 30-MW-Anlage decken.

Hinzu kommt, dass mit der Entwicklung von Rechenzentren zu größeren Einheiten, die dichter, skalierbarer, stärker vernetzt und konvergenter sind, die Betriebskosten steigen können. Dann kann die Wahl der richtigen USV und der dazugehörigen Versorgungsinfrastruktur dabei helfen, diese Kosten zu kontrollieren. Weitere bedeutende Aspekte sind der Trend weg von Stand-alone-Rechenzentren hin zu geografisch verteilten Einrichtungen, globales Verkehrs-Management, die Replikation kritischer Daten, virtuelle Speicher, Cloud Computing und andere komplizierende Faktoren. Diese Entwicklungen stellen neue Anforderungen an die Resilienz, verlangen neue Denkweisen und veranlassen vor allem die Anwender dazu, nach einer Stromverteilungslösung zu suchen, die hoch effizient, skalierbar, flexibel und einfach zu installieren und zu warten ist.

Derartige Anforderungen soll die Megaflex-USV für die UL- und IEC-Märkte (also Normierung nach amerikanischen beziehungsweise europäischen Regularien) erfüllen. Der entsprechende Entwicklungsauftrag umfasste unter anderem folgende Vorgaben: hocheffiziente USV mit einer Nennleistung von 1 MW, 1,25 MW oder 1,5 MW, die für große Rechenzentren geeignet ist. Standardisierung der Stromverteilungsarchitekturen gemäß Klassifizierungssystem vom Up­time Institute und der EN 50600. Die USV muss kompakt, hocheffizient, flexibel und einfach zu installieren sein, und der Wartungsbedarf muss vorhersehbar sein.

Das Ergebnis ist eine transformatorlose USV bestehend aus Leistungsblöcken mit jeweils 250 kW, einem zentralen statischen Bypass mit einer Nennleistung von 1.000 kW oder 1.500 kW und einem E/A-Anschlussschrank mit einer Nennleistung von 1 MW oder 1,5 MW. Die Einspeisung kann einfach oder doppelt (optional) sein. Als externer Energiespeicher können Lithium-Ionen- oder VRLA-Batterien (ventilregulierte Blei-Säure-Batterien) dienen. Ein Rückspeiseschutz ist standardmäßig vorhanden. Redundante Kapazitäten von 1.000 kW N+1 oder 1.250 kW N+1 sind optional ebenfalls möglich. Eine Produktvariante mit dezentralen Bypass-Schaltern und daher kleinerer Stellfläche soll zuerst auf den Markt kommen.

Der Stromrichter hat einen Wirkungsgrad von 97,4 Prozent im VFI-Modus. Die Stellfläche ist optimiert und erlaubt eine flexible Anordnung der Komponenten. Ziel ist eine einfache, sichere und schnelle Installation mit hoher Anpassungsfähigkeit an die Gebäudeinfrastruktur. Hinzu kommt eine verbesserte Leistungsmessung, die dem Betreiber umfassende Daten zur Überwachung des Energieverbrauchs liefert. Ein intelligentes, vorausschauendes Wartungsprogramm dient zur Planung und Reduzierung der Wartung über die gesamte Produktlebensdauer, die verbesserte Selbstdiagnose zur Minimierung manueller Eingriffe bei der Wartung und Inbetriebnahme. Hinzu kommt noch ein Service durch lokale, von ABB geschulte Spezialisten über die gesamte Lebensdauer hinweg.

Aufgrund der enormen Energiemenge, die große Rechenzentren benötigen, spielt das Thema Energieeffizienz eine besonders wichtige Rolle. Jeder Prozentpunkt, um den sich die Effizienz verbessert, bedeutet erhebliche Kosteneinsparungen. Die Standard-Betriebsart der Megaflex DPA ist der spannungs- und frequenzunabhängige (Voltage and Frequency Independent, VFI) Doppelwandungsmodus mit einem Wirkungsgrad von bis zu 97,4 Prozent. Alternativ kann die USV im spannungs- und frequenzabhängigen (Voltage and Frequency Dependent, VFD) Eco-Modus arbeiten, um einen Wirkungsgrad von 99 Prozent zu erreichen.

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© Bild: ABB

Beispiel für die Konnektivität von Megaflex-DPA-Systemen.

Arbeitet eine USV deutlich unter ihrer Kapazität, kann sich dies negativ auf ihre Energieeffizienz auswirken. Der Xtra-VFI-Modus bietet eine intelligente Möglichkeit, Verluste zu minimieren und die Effizienz zu verbessern, wenn die USV im Doppelwandlungsmodus arbeitet. Ist dieser Modus wirksam, passt die USV die Anzahl der aktiven Module automatisch an die Lastanforderungen an. Nicht benötigte Module sind dann in den Bereitschaftszustand (Standby) geschaltet. Sie werden reaktiviert, sobald die Last zunimmt. Die dadurch erzielten Effizienzverbesserungen sind besonders groß, wenn die Last weniger als 25 Prozent der vollen USV-Systemleistung beträgt – ein Betriebsbereich, in dem herkömmliche USV-Systeme eher schlecht abschneiden.

Der Nutzer kann die Schaltparameter konfigurieren. Um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, die Lebensdauer zu verlängern und die Alterung auszugleichen, schaltet das System die Module in festen Intervallen abwechselnd in den aktiven und den Standby-Modus. Bei einem Netzausfall oder einer anderen außergewöhnlichen Situation wechseln alle Module innerhalb von Millisekunden zurück in den aktiven Modus.

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1. USV-Technik im Detail
2. Steuerung und Überwachung

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