Rambler's Top100
Статьи ИКС № 09 2012
Сергей ЕРМАКОВ  18 сентября 2012

Динамика против статики? Нет! И динамика и статика! Гибридная схема бесперебойного электропитания

Как создать экономичную систему бесперебойного электропитания, обеспечивающую тем не менее высокий уровень надежности?

Сергей ЕРМАКОВ, технический директор компании ИНЭЛТОт пропаданий электроэнергии и ее низкого качества мировая экономика ежегодно теряет не менее $300 млрд (по оценкам американского института EPRI). Соответственно, десятки миллиардов тратятся на повышение надежности и качества электропитания, минимизацию убытков от потерянных данных, материалов и товаров, снижения производительности.

Два пути защиты

Традиционно системы бесперебойного и гарантированного электропитания строятся из источников бесперебойного электропитания (ИБП) для борьбы с краткосрочными пропаданиями, дизель-генераторов (ДГУ) для работы при долгосрочных отключениях, а также различных устройств контрольной электроники для переключений между разными источниками энергии.

ИБП можно разделить на два класса: статические (с электрохимическим источником тока) и динамические (с накопителями кинетической энергии). Хотя ИБП обоих классов хорошо известны с середины прошлого века, в 80-х и 90-х годах на рынке явно преобладали статические ИБП. В последние годы все шире применяются динамические ИБП. Чем это обусловлено?

Основное отличие (и очевидный недостаток) динамических ИБП (ДИБП) – чрезвычайно малое время автономной работы, 10–15 с при полной нагрузке. Кроме того, высокая скорость вращения маховика-накопителя определяет высокую точность и сложность изготовления устройства, критическим элементом которого становятся подшипники. Вместе с тем у динамической технологии есть и серьезные преимущества, к которым мы обратимся позже. Часто среди преимуществ ДИБП называют высокий КПД, но он соизмерим с КПД современных статических ИБП (даже в режиме двойного преобразования), поэтому в дальнейшем этот аспект рассматривать не будем.

ДИБП могут работать в паре с ДГУ. Некоторые из них имеют сопряженный с маховиком-накопителем дизельный двигатель, способный принять 100% нагрузки в течение 3–4 с. Для гарантированного запуска двигатели должны быть настроены и отлажены и регулярно проходить проверки всех подсистем. Такие системы принято называть дизель-динамическими ИБП (ДДИБП). Устройства этого типа наиболее распространены, принцип их действия прост, и в понимании многих энергетиков-эксплуатационщиков ими и исчерпываются динамические решения. Хотя это не так.

ДИБП крупным планом

Динамические ИБП действуют как «механический аккумулятор» и состоят из находящихся на одном валу обратимой электрической машины для преобразования электрической энергии в кинетическую и наоборот и маховика-накопителя. Некоторые из выпускаемых ДИБП корректируют даже изменяющуюся частоту переменного тока и включают в себя весьма сложную электронику AC/DC- и DC/AC-преобразования энергии. Поэтому динамическую технологию не следует считать старомодной или примитивной. По причинам экономической целесообразности ДИБП, как правило, выпускаются на большие мощности (около 1 МВА и выше), чем статические ИБП двойного преобразования (для которых мощность единичного модуля 1 МВА – практически недостижимая величина).

Количество накопленной энергии (E), связанной с инерцией маховика, зависит от его массы (m) и квадрата его скорости вращения (V):

Е = mV2/2.

Увеличить количество накопленной энергии можно двумя путями. Можно увеличить скорость вращения. Это более эффективно (ведь зависимость-то квадратичная), но сложнее технологически, поскольку связано с выбором высокоскоростных и сложных подшипников, редких материалов для ротора и накопителя, с применением вакуумных или других специальных сред вращения. Увеличение массы технологически проще, не так строги ограничения по материалам и подшипникам, но в результате вырастают масса и габариты изделия.

Поиск оптимального соотношения КПД и стоимости сводится к балансированию между технологической простотой и сложностью. Сегодня на рынке предлагаются динамические решения нескольких групп:

1. В «классических низкоскоростных» системах скорость вращения составляет 1500 об./мин. В них используются стальные барабаны-накопители на шариковых и роликовых подшипниках качения. Срок службы подшипников – около 100 тыс. ч, уровень шума – 90 дБ. К этой группе относятся наиболее распространенные решения Hytek и EuroDiesel для сопряжения на одной оси с валом дизельного двигателя и решения с отдельно расположенными ДГУ и ДИБП компании SDMO.

2. При средней скорости вращения накопителя 3600–8000 об./мин используют стальной диск, вращающийся в гелии или частичном вакууме, и магнитную подушку (подводимую через обмотки двигателя) для минимизации нагрузки на подшипники. Уровень шума таких изделий меньше – 75 дБ, но срок службы подшипников вдвое короче (от 22 до 70 тыс. ч, по разным оценкам). Такие системы выпускают компании Piller и Active Power.

3. Высокоскоростные решения характеризуются скоростью вращения 36000–50000 об./мин. На рынке России и Старого Света они практически не представлены. Компании Vycon и Pentadyne применяют накопители из высоколегированной турбинной стали и даже композитных карбоновых волокон, вращающиеся в глубоком вакууме на магнитно-воздушных подушках. Уровень шума подобных изделий всего лишь 45 дБ, срок службы подшипников практически не ограничен. Для повышения надежности и дополнительной защиты дорогого ротора предусматриваются «аварийные» подшипники, которые (в случае отказа магнитных подвесок) спасут его от разрушения. Пожалуй, единственный недостаток этих решений – их совсем неоптимальная стоимость.

Автономия

Анализ требований заказчиков к бесперебойному электропитанию показывает, что зачастую для питания нагрузки достаточно 10–15 с автономной работы. Это прежде всего относится к промышленным техпроцессам, где проблемы с электропитанием (из-за погодных явлений или износа энергетической инфраструктуры) случаются достаточно часто. Известно, что подавляющее большинство отклонений качества электроэнергии длятся лишь нескольких секунд. Многие предприятия имеют возможность улучшить качество электропитания и избегнуть почти всех проблем (пожалуй, кроме долгосрочного отключения), заняв минимум пространства и затратив минимум средств. Заводы и фабрики – идеальная площадка для применения мощных ДИБП «в чистом виде».

В других случаях заказчик просит исключить из схемы электрохимические батареи из-за недостатка места для размещения батарейного хозяйства и высокой стоимости его содержания. На объектах, где установлено более сотни линеек АКБ, поэтапная замена старых батарей на новые может растянуться на два-три года, а при применении пятилетних батарей этот процесс закольцовывается и становится непрерывным.

Однако для коммерческих ИT-приложений (банковских, финансовых, телекоммуникационных и т.д.) требуется обеспечить бесперебойное электропитание во ВСЕХ случаях сбоев питания сети, независимо от того, короткие они или длинные, и поэтому возникает законный вопрос: «Зачем мне 20 мин батарейной автономии, когда мои генераторы запускаются СРАЗУ ЖЕ, как только пропала сеть? Ведь 10–15 с достаточно».

Место в схеме и место на плане

Как упоминалось выше, ДИБП выпускаются относительно большой мощности. Физическое место их установки на объекте чаще всего сильно удалено от ответственной нагрузки. Для ДДИБП причина удаленности очевидна – необходимость размещения дизельного двигателя со всеми сопутствующими подсистемами (выхлопа, глушения, хранения и подачи топлива, охлаждения и т.п.). При передаче электроэнергии мощностью 1 МВА и выше на расстояния более 500 м (в отдельных случаях – более 100 м) целесообразно использовать высокое напряжение (10 кВ и выше). В этом случае стоимость повышающих и понижающих трансформаторов и всей околотрансформаторной инфраструктуры (рельсовых путей выкатки, высоковольтных ячеек и т.п.) оправдывается снижением стоимости медных кабельных линий.

Вероятность сбоев и отказов систем бесперебойного и гарантированного электропитания (СБГЭ) из-за отказов в системе распределения (на последней миле) существенно выше, чем вероятность отказа основного оборудования СБГЭ (см., в частности, «ИКС» № 1–2’2012, с. 73). Подобные сбои стоят на втором месте по вероятности и частоте происшествий после ошибок персонала (человеческого фактора). По этой причине большая единичная мощность динамических решений и необходимость работать «по высокой стороне» (т.е. с высоким напряжением) является скорее недостатком решения, поскольку ведет к разрастанию и ветвлению системы распределения, увеличению количества элементов в ней (трансформаторов, ячеек, распредщитов и автоматов). Как мы помним, наиболее эффективно для повышения надежности размещать системы СБГЭ в непосредственной близости к защищаемой нагрузке. Именно поэтому идеальной площадкой для применения ДИБП и ДДИБП являются заводы, где оборудование СБГЭ может стоять в тесном соседстве с основным оборудованием, благодаря чему возможна работа «по низкой стороне». Для защиты ИT-систем в ЦОДах/вычислительных центрах необходим более сложный подход.

Немаловажный момент: эксплуатация высоковольтного оборудования требует специалистов со специальными знаниями, навыками и формами допуска. Всегда ли это оправдано для высокотехнологичной компании?

Батарея на одну минуту

Некоторые заказчики просят предложить батареи на «одну минуту автономии», но реализовать это практически невозможно. Химические реакции в свинцово-кислотных ячейках с рекомбинацией рассчитаны на несколько часов работы с низкой скоростью разряда. Производители АКБ не приводят разрядных характеристик для времени разряда менее 5 мин. При аппроксимации характеристик очевидна их нелинейность, и в итоге АКБ на 1 мин имеет те же размеры, что и, к примеру, на 5 мин. Поэтому для свинцово-кислотной технологии практический минимум автономии составляет 5 мин.

Но почему время работы от батарей в системах со статическими ИБП должно быть значительно больше, чем время, которое обеспечивает накопитель динамического ИБП? Почему в спецификациях указывают, как правило, 15 мин?

Ответ прост. По статистике этого времени достаточно для ликвидации подавляющего большинства сбоев распредсети и устранения последствий ошибок персонала. Первые 5–7 мин – это время на передачу информации ответственному лицу для принятия решения, а оставшееся время – добежать до нужного щита и дернуть нужный рубильник.

Таким образом, статические ИБП с электрохимическими батареями существенно лучше подходят для борьбы со сбоями в сегменте распределения (могут стоять ближе к защищаемому оборудованию) и ошибками персонала (обладают достаточно длительной автономией).

В одну телегу впрячь не можно коня и трепетную лань?

Динамические технологии выбирают по экономическим причинам. Они (при стечении всех обстоятельств, способствующих тому) дешевле, причем не только в начальных инвестициях, но в стоимости владения. Да, им сопутствует много снижающих надежность элементов высокого напряжения. Но не нужно обеспечивать комфортную температуру помещения, не нужна система кондиционирования. Да, время автономии чрезвычайно мало, и «если не запустилось, то не запустилось» и предпринять ничего нельзя. Но время заряда очень короткое, а количество циклов заряд-разряд не ограничено. Да, запуск ДГУ гарантирует только своевременность проведения ТО и тестов, плюс честное слово изготовителя устройств. Но нет необходимости менять АКБ каждые четыре-семь лет и ниже эксплуатационные издержки.

Статические технологии выбирают из соображений надежности. ИБП можно разместить в непосредственной близости к защищаемому оборудованию, сократив до минимума количество распредщитов и автоматов на последней миле. Да, потребуется обеспечивать комфортную температуру помещения, нужна система кондиционирования. Но времени автономии достаточно для оперативной реакции персонала. Да, АКБ – расходный материал, и придется смириться с необходимостью их замены каждые четыре-семь лет. Но резервирование батарейных линеек (помимо стандартных схем аппаратного резервирования) гарантирует достаточное время для запуска ДГУ (в худшем случае даже в ручном режиме).

Заманчиво сократить расходы, прибегнув к динамическим технологиям, и в то же время не потерять уровня надежности, использовав статические технологии. Поэтому разумный хозяйский подход – совместить сильные стороны обоих подходов и нейтрализовать их недостатки. Так появляются гибридные решения.

В двухплечевых схемах электроснабжения на объекте на одно плечо можно установить динамическую систему, а на другое – статическую систему той же совокупной мощности. На рисунке показано лишь одно из возможных решений, всего же различных вариантов гибридизации существенно больше.

Такое гибридное решение позволит сократить капзатраты на 5–7% (да, экономия поменьше, чем при «модной» полностью динамической схеме) при сохранении высочайшего уровня надежности. Расходы по замене АКБ сократятся вдвое, а общие ежегодные эксплуатационные расходы – почти на четверть.

  

Возможны и другие варианты совмещения преимуществ двух технологий, прежде всего гибридизация не на схемном, а на аппаратном уровне. Для подобных решений больше подойдут ДИБП с AC/DC- и DC/AC-преобразователями, в звено постоянного тока которых можно интегрировать батарейные линейки, но таких готовых к реализации решений пока нет, и это тема отдельных исследований.   

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!