بسیاری از سیستمهای منبع تغذیه بی وقفه (یو پی اس) یک مُد اجراییِ ذخیره انرژی دارند. داده ها نشان میدهند که به دلیل وجود خطرات بالقوه در این سیستمها، مراکز دادهی اندکی از آنها استفاده میکنند.
· آشنایی با گزینه های ذخیره انرژیِ سیستمهای منبع تغذیه بی وقفه (یو پی اس)
· دانستن چگونگی ذخیره انرژی با راهاندازی سیستم یو پی اس در مُد eco
· درک اثرات اجرای سیستم یو پی اس در مد eco
“مد eco” اصطلاحی است که همراه با اجزاء گوناگون بسیاری از تجهیزات، برای تعریف یک حالت عملیاتی که در آن انرژی کمتری مصرف میشود، و از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است، به کار برده میشود. هنگامی که این اصطلاح در مورد یک تلفن هوشمند یا ماشین به کار میرود، عموما بدین معنی است که در بین تمام عملکردهای یک سیستم تعدای عملیات وجود دارند که تعدیل شدهاند، و سیستم به منظور مصرف انرژی کمتر عملکردهای خاصی را با سرعتهای پایینتر اجرا میکند. حال آنکه این روند بر کل عملکرد تجهیزات تاثیر میگذارد یا نه، بستگی به وظیفهای دارد که آن تجهیزات انجام میدهند. کارایی اصلی منبع تغذیه بیوقفه (UPS) محافظت از بار بحرانی طی قطعیِ برق است، که این امر با فرآهم آوردن توان پشتیبان از طریق وسیلهای که انرژی را در خود ذخیره میکند، و با ایجاد ولتاژ و فرکانس پایدار ، صورت میگیرد. همانند دیگر تجهیزات، هدف از راه اندازی سیستم UPS در مد eco، افزایش بازدهی از طریق کاهش میزان انرژی مصرفیِ یو پی اس، است. Green Grid مد eco را بدین شکل تعریف میکند:” یکی از چندین مد عملیاتی یو پی اس که میتواند بازدهای را افزایش دهد (ذخیره انرژی)، اما بسته به فناوری یو پی اس، میتواند در عمل همراه با بِدهبِستانهای احتمالی باشد”. آیا راهاندازی یو پی اس در مد eco بر عملکرد یو پی اس تاثیر میگذارد، یعنی سیستم کلی را غیرقابل اطمینان میسازد و بار بحرانی را به طور جدی به خطر میاندازد؟ آیا راهی وجود دارد تا بدون لطمه زدن به عملیات و بیاعتبار کردن آن، بشود بازدهای را افزایش داد؟ اینها سوالاتی است که باید هنگام طراحی و اجرای تاسیسات حساس با مد eco، به آنها توجه شود. هدف این مقاله ، نگاهی دقیقتر به مدهای عملیاتی گوناگون یو پی اس و چگونگی تاثیرا آنها بر مراکز داده و دیگر تاسیسات حساس-وظیفه (mission-critical facilities) است.
بازدهای الکتریکی
گرچه در مراکز داده برای اندازهگیری بازدهای معیارهای گوناگونی به کار میرود، اما یکی از پر کاربردترینِ آنها سودمندی توان مصرفی (PUE) است که توسط Green Grid به وجود آمده است. این روش توان کلیِ تجهیزات مرکز داده را با توان به کار رفته برای راهاندازی دستگاههای IT مقایسه میکند. مقدار PUE برای یک مرکز دادهی بهینه ۱٫۰ است، یعنی تمام انرژی وارد شده به مرکز داده به طور مستقیم صرف راه اندازی دستگاههای IT میشود.
هر مقداری بالاتر از ۱٫۰ ، بدین معنی است که بخشی از توان کلی تاسیسات معطوف به سیستمهای پشتیبانی از قبیل خنک کننده، روشنایی، و شبکه نیرو شده است. هرچه مقدار PUE بزرگتر باشد، سهم بیشتری از انرژی صرف سیستمهای پشتیبانی میشود تا خود دستگاههای IT، و این منجر به کم شدن بازدهای مرکز داده میشود.
اغلب مهندسان، مالکان، و متصدیان به منظور پایین آوردن PUE و افزایش بازدهای، هنگام طراحی یک مرکز داده بر سیستمهای مکانیکی و توانایی استفاده از خنک کننده رایگان (free cooling) ، تمرکز میکنند. با این وجود، سیستم الکتریکی نیز به دلیل ناکارآمدیهایی در تجهیزات الکتریکی و سیستم توزیع، انرژی را به صورت تلفات هدر میدهد. به طور معمول، تلفات سیستم الکتریکی ۱۰% تا ۱۲% از کل انرژی مصرفی توسط مرکز داده را تشکیل میدهد.
به عنوان مثال مرکز دادهای با ۲MW بار IT و میانگین سالانه PUE برابر با ۱٫۴۵ (بار کلی ۲٫۹MW)، ۳۴۸KW تلفات به صورت الکتریکی دارد و هر سال تقریبا ۳۰۰۰۰۰ دلار صرف انرژی الکتریکی هدر رفته خواهد کرد. این هزینه اتلافی برای انرژی الکتریکی همراه با بودجههای عملیاتی محدودتر و تعهد به پایداری و حفظ محیط زیست، مهندسان و مالکان را مجبور کرد تا برای یافتن راههای حذف تلفات الکتریکی نگاهی دقیقتر به سیستمهای الکتریکی داشته باشند.
توزیع الکتریکی موروثی
در یک سیستم توزیع الکتریکی موروثی مرکز دادهای معمولی، چهار مولفه وجود دارند که اکثریت تلفات را شکل میدهند:
· ترانسفورماتورهای پست برق (ایستگاههای فرعی): تلفات هسته و بی-بار (no-load) ترانسفورماتور
· یو پی اس : تلفات یکسوساز و متناوبساز
· واحدهای توزیع نیرو (PDUها): تلفات بی-بار و هسته ترانسفورماتور
· منبع تغذیه IT: تلفات یکسوساز و ترانسفورماتور
یک روش کاهش تلفات که تاثیری بر عملکرد مرکز داده ندارد، به کار بردن یا جایگزین کردن تجهیزاتی مانند ترانسفورماتورهای پست برق و PDU با تجهیزاتی کاراتر است. NEMA TP-1: راهنمای تعیین بازدهای انرژی برای ترانسفورماتورهای توزیع، در سال ۲۰۰۵ اتخاذ شد، این روش بازدهایهای کمینه ترانسفورماتور را به طور تقریبی از ۹۷% به ۹۹% افزایش میدهد، این امر بستگی به نوع و اندازه ترانسفورماتور دارد. در سال ۲۰۱۶ نیاز به بازدهای کمینه ترانسفورماتور از مقدار تقریبی ۸% به ۱۲% افزایش خواهد یافت تا انرژی بیشتری صرفهجویی شود. ترانسفورماتورهای فوقِ کارار نیز وجود دارند که نرخهای بازدهیِ آنها بیش از ۹۹٫۵% است. روش دیگری نیز برای افزایش بازدهی وجود دارد، و آن هم حذف تجهیزاتی است که بیشترین تلفات را دارند. این روش استراتژیهای متفاوتی را در قبال نیروی برق میطلبد، از قبیل به کار بردن سیستم توزیع ac و dc با ولتاژی بالاتر به منظور حذف تجهیزاتی مانند ترانسفورماتورهای PDU، مبدلهای یو پی اس، و یکسوسازهای منبع تغذیه. هر یک از این استراتژیهای مربوط به نیروی برق، مزایا و معایبی دارند که بر عملکرد مرکز داده تاثیر میگذارند، بنابراین هنگام طراحی یک مرکز داده باید ارزیابی شوند. روش سومی که اخیرا تولیدکنندگان تبلیغ میکنند، و برخی از تاسیسات نیز شروع به استفاده از آن کردهاند، شامل راهاندازی سیستم UPS در شکلی از مد اقتصادی یا eco است. این مد عملیاتی با حذف تلفات یکسوساز و مبدل در UPS، بازدهای را افزایش میدهد.
سیستم یو پی اس
کمیسیون بینالمللی الکتروتکنیک (IEC)، سیستم یو پی اس را به دستههای اجرایی زیر تقسیم میکند:
· ولتاژ/فرکانس وابسته (VFD): یک UPS باید بار را در مقابل قطعیِ برق محافظت کند. ولتاژ و فرکانس خروجی وابسته به منبع ac ورودی است. هدف این است که دستورالعملهای اصلاحی دیگری وضع نشود.
· ولتاژ مستقل: یک یو پی اس باید بار را از قطعیهای برق محافظت کند و یک ولتاژ پایدار بدست دهد. فرکانس خروجی به منبع ac ورودی وابسته است. ولتاژ خروجی درون بازهی ولتاژیِ از پیش تعیین شدهای باقی میماند (اعمال شده توسط دستورالعملهای اصلاحی اضافی برای ولتاژ).
· ولتاژ/فرکانس مستقل (VFI): یک UPS باید بار را از قطعیهای برق محافظت کند و ولتاژ و فرکانسی پایدار ایجاد کند. ولتاژ و فرکانس خروجی مستقل از منبع ac ورودی است.
عموما از توپولوژی VFD با عنوان یو پی اس “آفلاین” یاد میشود، جایی که مدارهای یکسوساز/مبدل آفلاین هستند و جزئی از مسیر نرمال نیروی برق به حساب نمیآیند. چون تلفات مربوط به یکسوساز/مبدل طی عملیات معمولی حذف میشوند، در نتیجه این مد مشابه تاثیر اجرای تبدیل دوگانه در مد eco است. در مد نرمال، بارِ روی یک سیستم از نوع VFD در معرض نیروی برق عمومی خام (خالص) (raw utility power) قرار دارد. به طور سنتی سیستمهای یو پی اس کوچکتر و تک-فازی وجود دارند. عموما توپولوژی VFI به عنوان UPSتبدیل دوگانه یا “آنلاین” شناخته میشود، که در آن مدارات یکسوساز/مبدل در عملکرد نرمال، آنلاین و درگیر هستند (شکل ۱ را ببینید). نیروی برق در یکسوساز از ac به dc تبدیل میشود و سپس در مبدل از dc به ac. بعلاوه، نیروی برق dc برای شارژ کردن وسایل ذخیره انرژی تحت عملکرد نرمال به کار میرود، و سپس طی قطعی برق نیرو از وسایل ذخیره انرژی گرفته میشود. فناوریهای گوناگونی را میتوان برای وسایل ذخیره انرژی به کار برد، شامل باتری های و فلایویلها (flywheel) . سیستم یو پی اس تبدیل دوگانه به یک مسیر فرعی استاتیک نیز مجهز شدهاند تا در صورت بروز خرابی مدار یکسوساز/مبدل را از چرخه خارج کنند.
هدف این مقاله تمرکز بر روی توپولوژی یو پی اس استاتیک (VFI) تبدیل-دوگانه خواهد بود.
مد eco سنتی
در مد eco سنتی یا کلاسیک، بار عموما از طریق مسیر فرعی (bypass) تغذیه میشود، و بار بحرانی بدون قید وشرط به نیروی برق عمومی خالص متصل میشود، مشابه توپولوژی VFD (شکل ۲ را ببینید).
شکل ۱
شکل ۲
مبدل در حالت standby قرار دارد و تنها موقعی که تاسیسات عمومی (برق شهری) درست کار نکنند، درگیر میشود. به همین دلیل تلفات در یکسوساز و مبدل حذف میشوند، و سیستم UPS موثرتر میشود. سیستم UPS تبدیل-دوگانه استاتیک میانگین، بین بازدهای ۹۰% در بار ۳۰% تا مقدار تقریبی بازدهای ۹۴% در بار ۱۰۰% عمل میکند. درصد بازدهای، بسته به فناوری به کار رفته و اینکه آیا UPS حاوی یک ترانسفورماتور ورودی مجزا است یا نه، میتواند اندکی بالا یا پایین رود. با حذف تلفات یکسوساز و مبدل ، بازدهای سیستم UPS در مد eco میتواند تا ۹۸% یا ۹۹% افزایش یابد. در پیکربندی نوع-اضافی ۲N (سیستم +سیستم)، جایی که سیستم به طور معمول هر UPS را زیر ۴۰% به کار میبرد، افزایش در بازدهای تقریبا برابر است با ۴% تا ۸% . افزایش در بازدهای به معنی کاهش حرارت است و این به معنی تقلیل تجهیزات خنک کننده است. Green Grid پیشبینی میکند که وقتی مد از تبدیل-دوگانه به eco تغییر کند، به طور میانگین مقدار PUE تقریبا ۰٫۰۶ بهبود مییابد
