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GE
Critical Power
Data Center Convention 2013
Gleichstrom im Rechenzentrum!?
Jürg P. Schwerzmann
Business Consultant
29. 5. 2013
Worum geht es?
Stromnetz und Datennetz!
GE job title/22
P. Schwerzmann - 2012
Jürg P. Jürg
Schwerzmann
- 2013
RZ Stromversorgung AC oder DC?
Die Herausforderung: Grün und Sicher
Mission Critical Application
Echte Redundanz ist ein MUSS
Redundanz bedeutet, dass ein
Teilelement ausfallen kann, das System
aber immer noch seine Funktion erfüllt
Das Thema heute:
Effizienz der Stromversorgung
Wirkungsgrad
GE job title/44
Jürg P. Schwerzmann - 2012
Niederspannung (AC) Kette
AC mit PDU Transformer... 6 Umwandlungen
Netz  Gebäude
2
1
34kVac
480Vac
480Vac
Utility
HV/LV
transformers
Komponenten
Effizienz
99.0%
Gebäude  Gehäuse
Switchgear
3
4
5
480Vac
UPS
PDU
94.0%
98.6%
Rack  Board
6
208Vac
12Vdc
IT Power
supply
Servers
82.3%
90%
AC ohne PDU Transformator ... 5 Umwandlungen
Netz  Gebäude
34kVac
Utility
Komponenten
Effizienz
1
2
HV/LV
transformers
99.7% 99.0%
480Vac
480Vac
Switchgear
3
4 480/277Vac
Rack  Board
277 Vac
5
12Vdc
UPS
PDU
IT Power
supply
94.0%
98.6
92%
Servers
85.4%
GE job title/55
5
Mittelspannung zu DC - Kette
380 VDC Architektur … 4 Umwandlungen
Netz  Gebäude
34kVac
Utility
Komponenten
Effizienz
1
99.7%
15 kVac
15 kVac
HV/MV rectifier
Switchgear
2
3
380Vdc
DC converter
97.3%
DC
distribution
Rack  Board
380Vdc
4
Power
supply
95%
12Vdc
Servers
91.2%
GE job title/66
“DC @ Rack” Kette
DC @ Rack (Google) … 4 Umwandlungen
Netz  Gebäude
34kVac
2
1
480Vac
Utility
HV/LV
transformer
Komponenten
Effizienz
99.7%
480Vac
Switchgear
99.0%
3
DC Rectifier
Rack  Board
48Vdc
48Vdc
4
12Vdc
Power
supply
PDU
Servers
90.9%
95%
98%
Hybrid AC/DC @ Rack (Facebook) … 3 Umwandlungen
Netz  Gebäude
34kVac
Utility
Komponenten
Effizienz
1
2
HV/LV
transformer
99.7%
480Vac
277Vac
480Vac
Switchgear
99.0%
PDU
Rack  Board
3
Power
supply
92%
12Vdc
Servers
90.8%
GE job title/77
AC versus DC: Prinzip der Architektur
AC-Architektur
EVU
MS/NS-Trafo
Schaltanlage
USV
Batterie
6 kVAC
PDU
GR/Netzteil
Last
Gesamtwirkungsgrad ca.
400 VAC/
230VAC
Im Gerät
400 VAC
400 VDC
Gleichrichter
Schaltanlage
Gleichrichteranlage
Batterie
Gesamtwirkungsgrad ca.
85 %
12/24 VDC
DC-Architektur
EVU
MS/NS-Trafo
6 kVAC
400 VAC
400 VDC
Last
91%
12/24 VDC
GE job title/88
Jürg P. Jürg
Schwerzmann
- 2013
DC-DC die Vor- und Nachteile
+
•
•
•
•
DC muss nicht synchronisiert werden
Es entsteht keine Schieflast
Es bestehen keine Oberwellen
Einsparung operative Fläche
•
•
•
•
•
DC>DC ist aufwendiger zu Transformieren,
aktive Elemente werden benötigt*
Bei Schaltvorgängen gibt es keinen natürlichen Nulldurchgang,
aufwendigere Schalter/Schütze
Aufbau einer sicheren Selektivität ist schwierig
Tiefe DC-Spannung verursacht hohe Kabelverluste,
kürzest mögliche Kabel = komplexe Installation
DC-Lichtbogen schwierig zu beherrschen
* AC/DC: im einfachsten Fall Trafo und GR-Dioden Brücke = rein passiv
GE job title/99
Die Herausforderung
Damit HVdc ein globaler Standard wird, müssen folgende
Punkte geregelt werden:
•
•
•
•
•
•
•
HVdc Spannungsbereich*
Verfügbarkeit von PSU** für HVdc
Batterieanschluss Methode
Erdungsverfahren
Fragen der Sicherheit und Normen***
Qualitäts- und Qualifikationskriterien
Nutzen verfügbarer/bestehender Infrastruktur
* HVdc Spannungsbereich: ETSI 260Vdc bis 400Vdc; ITU-T (CCITT) in Diskussion
** PSU: Power Supply Unit = DC/DC Verteiler
*** fehlende Standards für Verbindungen zB. Stecker
10
GE job title/10
Sichere und effiziente RZ
Stromversorgung „machbar“
Die Frage muss heute anders gestellt werden
Wie kommen wir möglichst nahe an
den Wirkungsgrad einer idealisierten HVdc Lösung
mit
standardisierten, genormten, verfügbaren Bauteilen,
mit deren
Installations- Betriebs- und Sicherheits- Prozedere
unser Personal bereits vertraut ist?
12
GE job title/12
Das Schlüsselelement ist die USV-Anlage
„Unpredictable“
Renewable Energy
99.9%
Bridge the Gap
(8 hours/yr downtime)
Challenge
Grid Balance
Peak Load
Utility Power
Deregulation, Shortage,
Limited Infrastructure
=
Unreliable & Cost up
99.99999%
(1 second/yr downtime)
Black
UPS is
Box
the
hub
“Power
in power
Quality
quality
System”
„Adaptive“
PQS
„Classic“
UPS & Battery
Application
‘‘Digital World‘‘
Depending on availability and
reliability of electrical energy
Local
Energy
Storage
System
Grid balancing
reserves
13
GE job title/13
Schlüsselkriterien einer USV
„Einsatzkalotte“
Qualität der Ausgangsleistung
Anwendungsflexibilität
Tier 2 – Tier 4 „Mission critical“
“Sauberer” Eingang
Netz/GenSet-freundlich
Wirkungsgrad
14
GE job title/14
USV-Wirkungsgrad - jeder kocht mit Wasser
Verluste infolge AC/DC DC/AC Umwandlung
(Halbleiter, Trafos, Drosseln, etc.)
Verluste
2.5-3%
2.5-3%
1-2%
=
6-8% Gesamtverlust
15
GE job title/15
Möglichkeiten zur Wirkungsgrad Optimierung
Reduzierung der Verluste durch verbesserte VFI-Technologie
AC/DC DC/AC Umwandlung (Halbleiter, Trafos, Drosseln etc.)
Änderung der Topologie
VI, VFD, Trafoless
Änderung der Betriebsart
Multibetriebsart mit Hocheffizienz-Modus
GE eBoost™
•
•
Lastversorgung via statischen
Bypass
Extrem schnelle Umschaltung
von Bypass auf Doppelwandlerbetrieb innert (typisch) 2ms
Multi-Betriebsart-USV mit exklusiven Regelungsalgorithmen
16
GE job title/16
GE Hocheffizienz Betriebsart: eBoost™
• Erweitert ein Doppelwandler USV System in ein multi-Betriebsart-USV System.
• Garantiert ultraschnelle Umschaltzeiten zwischen WR und Bypass, typisch 2ms
Ausgangspannung
WR Strom
Bis zu 99% Wirkungsgrad im eBoost™ Betrieb
17
GE job title/17
Jürg P. Jürg
Schwerzmann
- 2013
eBoost™ Fehler Erkennung
Konstante Überwachung der Sinuswelle am Ausgang
Umschaltung auf WR infolge:
+/-50VSpannungstoleranznce
Unter/Überspannung RMS
Frequenz ausserhalb der Toleranz
Verzerrung der Wellenform
(Fehler Erkennung)
Fehler erkannt
Umschaltung auf Bypass Betrieb
sobald die Bypass Spannung wieder
innerhalb der Toleranzen liegt
Umschaltung auf WR eingeleitet
nach typisch 500 Mikrosendunden
18
GE job title/18
Jürg P. Jürg
Schwerzmann
- 2013
eBoost™ bezüglich ITI (CBEMA) Kurve
ITI CBEMA Kurve
Definiert die Spannungsimmunität von IT Geräten in
Relation zur Zeit
eBoostTM
Prohibited Region
Überspannung in diesem Bereich
kann Schäden verursachen
ITI (CBEMA) Curve
Double Conversion
eBoost
No Damage Region
Ereignisse in diesem Bereich kann
Geräte stoppen, ohne Schaden
anzurichten
Ride Through
Spannungsausfall
bis 10-20 ms ist erlaubt, IT Geräte
sollten nicht ausfallen.
19
GE job title/19
eBoost™ kostenloser Zusatznutzen
LC filter
• Trafo, Drosseln und Kondensatoren agieren wie ein LC-Filter:
• Leistungsfaktor der Last erhöht sich um 10-12% (z.B. 0.8 auf >0.9)
• Klirrfaktor reduziert sich um 1% (z.B. von 3% auf 2%)
20
GE job title/20
eBoost™ Einsatzflexibilität
Einzelanlage
Redundant Parallel Betrieb (RPA)
eBoost™ kann mit bis
zu 6 Anlagen in RPA*
betrieben werden.
*Redundant-Parallel Architektur
21
GE job title/21
Niederspannungs (AC) Kette mit eBoost™
AC ohne PDU Transformator ... 4 (5) Umwandlungen
Netz  Gebäude
34kVac
Utility
Komponenten
Effizienz
1
2
HV/LV
transformers
99.7% 99.0%
480Vac
480Vac
Switchgear
3
4
480/277Vac
Gehäuse  Board
277 Vac
5
12Vdc
UPS
PDU
IT Power
supply
94.0%
98.6
92%
98.5%
eBoost™
Servers
85.4%
89.4%
USV mit
Ausgangstransformator
22
GE job title/22
22
Einfluss von eBoost™ auf PUE
USV Doppelwandler Modus
USV eBoost™ Modus
PUE = 1.53
PUE = 1.39
Reduktion der Verluste auf ¼
•
•
15-20% weniger Gesamtverlust
7-10% PUE Verbesserung
23
GE job title/23
USV mit oder ohne Trafo?
USV mit Ausgangstransformator
Nachteile:
Kosten, Wirkungsgrad, Volumen/Standfläche, Gewicht
Vorteile:
Tiefere DC Spannung – weniger Batterien pro String (30-32 Blöcke)
Flexiblere und günstigere Batteriesysteme
25
GE job title/25
Nutzen USV mit Ausgangstransformator
• Keine DC Anteile am Ausgang
(passive galvanische Trennung)
Trafoless USV: DC Anteile müssen aktiv kontrolliert werden
• Bessere Kurzschlussleistung in Batteriebetrieb
(kein By-pass verfügbar)
mit Transformer: 2.7 x In Ph-Ph
4 x In Ph-N / G
Trafoless USV 2.2 x In (Normenminimum)
• Kein Nullleiterstrom bei Schieflast
• Bessere Beherrschung von Schieflast
Der Zig-Zag Transformator verteilt Schieflast gleichmässig auf die drei
Wechselrichterbrücken
Trafoless USV – WR-Brücken arbeiten in unterschiedlichen Lastbereichen
• Bessere Beherrschung von nicht linearer Last
26
GE job title/26
Nachhaltige Betriebssicherheit
Bild: User Meggar on en.wikipedia
FlexDSP-BB
Die «Blackbox»
für USV-Anlagen
28
GE job title/28
FlexDSP-BB Übersicht
•
Erfassen der Spannungsform
•
“post-mortem” Analyse, Trend Analyse
•
Gleichzeitige Erfassung von 32 Kanälen
•
Abtast Frequenz bis 10kHz
•
«Smart Trigger» mit bis zu 16 unabhängigen Trigger Quellen,
•
erlaubt die Qualifikation spezifischer Ereignisse mit vor- oder nachlaufender
Datenerfassung
•
Speichergrösse 1016 Daten pro Kanal, jedes Ereignis ist für ~100ms @
10kHz gespeichert
•
8 Pufferspeicher halten bis zu 8 Ereignisse ohne den Verlust früherer
Ereignisse – Erweiterung mit externem Speicher (USB) möglich
29
GE job title/29
FlexDSP-BB Benutzeroberfläche
•
•
•
•
Optimale Service Freundlichkeit
Effiziente Fehlersuche und Ursachenanalyse
Rasche Fehlerbehebung – reduzierte MTTR – erhöhte MTBF
Nachhaltige Betriebssicherheit
30
GE job title/30
Die nächsten Schritte
Woran gearbeitet wird
„Unpredictable“
Renewable Energy
99.9%
Bridge the Gap
(8 hours/yr downtime)
Challenge
Grid Balance
Peak Load
Utility Power
Deregulation, Shortage,
Limited Infrastructure
=
Unreliable & Cost up
Grid balancing
reserves
99.99999%
(1 second/yr downtime)
Black
UPS is
Box
the
hub
“Power
in power
Quality
quality
System”
„Adaptive“
PQS
„Classic“
UPS & Battery
Application
‘‘Digital World‘‘
Depending on availability and
reliability of electrical energy
Local
Energy
Storage
System
In der Schweiz wurden März/April 2013
die Investition von fast 3 Mia CHF für
Pumpspeicherkraftwerke auf Eis gelegt
32
GE job title/32
Blick in die Zukunft: Multifunktionales PQS
PQS
Ziel 1
Niedertarif
NETZ
GR
Hochtarif
Smart Grid
Ziel 3
€/kWh
LAST
WR
Ziel 2
t
ESS
• Ziel 1:
Klassischer USV-Nutzen (Qualität und Verfügbarkeit)
• Ziel 2:
Verhinderung/Reduktion von Spitzenlast (Netzbelastung & Kosten)
• Ziel 3:
Netzunterstützung - Integration in SMART GRID
33
GE job title/33
Schlussfolgerungen
•
Die sichere Stromversorgung für ein RZ wird sich vorerst
«evolutionär» nicht «revolutionär» verändern
•
Die Netzqualität wird abnehmen
•
Regulierungswut wird weiter zunehmen
•
Der Kampf um Energierohstoffe wird härter,
die (gegenseitige) Abhängigkeit wird höher
•
Die Politik laviert weiter zwischen «Wählerstimmen» und «Logik»
Das heisst:
•
Die Projektplanung muss komplexere Szenarien berücksichtigen
•
Unabhängigkeit und Flexibilität ist ebenso wichtig wie Verfügbarkeit
•
Der Lieferant / Partner muss über entsprechende Kompetenzen,
Produkte, Dienstleistungen und Strukturen verfügen.
•
Der Planungshorizont soll dem Projekt angepasst sein
34
GE job title/34
35
GE job title/35

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