Stromversorgungslösungen für hochverfügbare Data Center · Bis 1,1 MVA pro Lastabgang,...

BEA Electrics – Fachbereich Piller StromversorgungA Langley Holdings Company

Stromversorgungslösungen für hochverfügbare Data Center

Optimierung von Verfügbarkeit und Effizienz

durch innovative Versorgungskonzepte

Ing. Thomas Ott

BEA Electrics GmbH Wien

Fachbereichsleiter PILLER Stromversorgung


Überblick

Begriffsklärung

• statische / dynamische USV

• statische / rotierende Energiespeicher

• Diesel-USV-Anlagen

Anwendungsbereiche - Referenzen

Optimaler Aufbau einer RZ-Versorgung

• Spannungsfeld SICHERHEIT vs. KOSTEN

• 4 unterschiedliche Redundanzkonzepte


Rückwirkungsfreier IGBT-Gleichrichter

Off-Line Batterie mit Ladegerät

DC/DC-Steller ohne WR-Anpass-Trafo

PF-Auslegung 0,9 und hohe Wirkleistung im kapazitiven Bereich

APOSTAR AP Premium

Optimierte statische USV-Anlage bis 400 kVA

Bypass

Gleichrichter Wechselrichter

Netz 2

Last

Batterie

Netz 1

DC/DC-Converter

Batterie-ThyristorLadegerät

ohne

Trafo

THDi <3%

höhere Batterie-Lebensdauer

Wirkungsgrad >95%


Startmotor

Bürstenlose Erregung

Traglager

Unbelastetes

Führungslager

Das Herzstück aller rotierenden

„dynamischen“ USV Anlagen bei

Piller ist die UNIBLOCK-

Maschine, bestehen aus einem

Synchronmotor und einem

Synchrongenerator mit

gemeinsamen Läufer.

Funktionsprinzip:

„Rotierender Filter“

Gemeinsamer Rotor

mit Dämpferwicklung

Motor- und

Generatorwicklung im

gemeinsamen Stator

Dynamische USV-Systeme Typ UNIBLOCK

Synchronmaschine mit doppelter Statorwicklung


Symmetrischer, sinusförmiger Eingangsstrom mit Leistungsfaktor 0,99

Sinusförmige Ausgangsspannung und geringer Innenwiderstand

Oberschwingungen werden beidseitig abgesaugt („rotierender Filter“)

…und das alles ohne Leistungskondensatoren oder elektronische Filter !!!

Verbraucherstrom

Ausgangsseite

der USV

Ausgangs-

spannung

Netzstrom

Eingangsseite

der USV

Netzspannung

Funktion der UNIBLOCK-Maschine

Erreger-

wicklung

Dämpfer-

wicklungMotor-

wicklungGenerator-

wicklung


• Der Generator liefert den 14fachen Nennstrom in den Kurzschluss

• garantiert Abschaltung des gestörten Verbrauchers in 10ms


Schnelle Kurzschluss-Abschaltung


Scheitelstrom

Verbraucherstrom

1Effektivstrom

Verbraucherspannung

ScheitelstromEffektivstrom

Crestfaktor =Praktisch unbegrenzter Crestfaktor


Unbegrenzter Crestfaktor


p.f. 0.8p.f. 1.0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

P

(kW)

0 20 40 60 80 100-20-40-60-80-100

Q (kVAr)

Kapazitive Last Induktive Last


Ortskurve bei kapazitiver und induktiver Last

Statische

USV

=

Dynamische

USV

p.f. 0.8

p.f. 0.7



Funkentstörung - EMV

Vergleich der Grenzwerte:

C3 (ehem. „eingeschränkter Vertrieb“): 3,16 V

C2 (ehem. „Klasse A“): 0,0089 V

Grenzwerte C3 bis zu 355x höher

als bei C2 zulässig!

UNIBLOCK-Anlagen erfüllen

standardmäßig C2 (ehem. Klasse A),

ohne dass zusätzliche EMV-Filter

erforderlich sind

MHz

C3

C2

C1

VdBμV

0

0,001

0,01

0,1

1

1

3,16

Grenzwerte nach EN 62040-2


Batteriegestützte rotierende USV von 150 kVA bis 1670 kVA Blockleistung

Kühlung durch das Lüfterrad des UNIBLOCK - optional Wasserkühlung

Batteriegestützte Anlagen

UNIBLOCK UBR


USV Umluftkühler

UNIBLOCK mit Wasserkühlung

A

B

A: Der geschlossene Luftkreislauf

wird durch ein eingebautes

Lüfterrad im Rotor der

elektrischen Maschine betrieben.

B: Der UNIBLOCK mit

eingebauter Wasserkühlung ist

an den Kaltwasserkreislauf des

Gebäudes angeschlossen.

USV und Klimagerät verschmelzen zu einem System


Statische und dynamische Energiespeicher

Vergleich: Bleibatterie vs. Powerbridge

Chemisches

Energiespeicher

Kinetischer

Energiespeicher

Umgebungsteperatur 20°C 0-40°C

Klimatisierung erforderlich ja nein

Platzbedarf groß sehr gering

Lebensdauer 5 – 10 Jahre > 20 Jahre

Wartung & Service aufwendig gering

Altersbedingte

Kapazitätsminderungja nein

Kapazitätserkennung aufwendig Drehzahlmessung

Rückleistungsaufnahme nein ja

POWERBRIDGE 16,5 MWs magnetisch entlastet

mit Helium gefüllt


Hoher Wirkungsgrad bis 96 %

Hohe MTBF= 1.3 Mio.Std.

Sinusförmige Ein-/Ausgangsspannung

Alle Vorteile des Uniblock-Generators

Netzkurzschlüsse ohne Unterbrechung

Gute Dämpfung von Oberschwingungen

Großer Eingangsspannungsbereich

Alternativ: Batteriespeicher

Funktion UNIBLOCK UBT

Gesicherte

LastNetz

Automatischer Bypass

Koppeldrossel

Powerbridge

= ~

=

~GG

M


Powerbridge Umrichter Drossel Leistungsschalter

UNIBLOCK

Maschine

Batterielose USV-Anlage

UNIBLOCK UBT mit PowerBridge

Batterielose rotierende USV von 420 kVA bis 2000 kVA Blockleistung


Diesel

Motor

Unbegrenzte Überbrückungszeit

Exzellente Frequenzstabilität bei Dieselbetrieb

UNIBLOCK UBTD

Komplettlösung mit gekoppeltem Diesel

Powerbridge

= ~

=

~G

Gesicherte

LastNetz


Koppeldrossel

GMG


Diesel

Motor

Im Dieselbetrieb wird der Uniblock mechanisch vom Diesel angetrieben

Die Generatorwicklung versorgt über die Drossel unsere Last

Die Motorwicklung dient nur zur Stabilisierung von Lastsprüngen

Bei Dieselbetrieb kann die Motorwicklung daher zusätzlich als

2. Generatorwicklung die unkritischen Verbraucher versorgen

Unkritische

Last

Optionale

Netzersatz-

schiene

UNIBLOCK UBTD

Diesel-USV mit zusätzlicher NEA-Schiene

Powerbridge

= ~

=

~G

Gesicherte

LastNetz


Koppeldrossel

GMG


UNIBLOCK UBTD

Containerlösung für höchste Flexibilität

Keine Infrastrukturmaßnahmen vor Ort

Optimale Prüfung vor Auslieferung im Werk

Minimaler Platzbedarf

Flexible Aufstellmöglichkeiten - sofort betriebsbereit

Einsatz an unterschiedlichen Aufstellorten möglich


• Powerbridge Speicher: elektrisch mit dem Uniblock gekoppelt

• Piller Diesel-USV-Systeme sind bis 1670 kVA

alternativ auch mit Batteriespeicher verfügbar

PILLER Diesel-USV-Anlagen

UNIBLOCK UBTD von 400 kVA bis 3000 kVA


PILLER Diesel-USV-Anlagen

Referenzfotos UNIBLOCK UBTD625/625

Piller UNIBLOCK

UBTD 625/625

USV: 625kVA

NEA: 625kVA


Flughäfen & Luftfahrt

Bank- & Finanzwesen

Industrielle Prozesse

Telekom & Rundfunkübertragung

Rechenzentren

Anwendungen und Referenzen

http://www.austrocontrol.at/

http://www.viennaairport.com/jart/prj3/va/main.jart?rel=de&content-id=1235465595501&reserve-mode=active

http://www.raiffeisen.at/eBusiness/frontdoor1a/NA.html?site=1006637000974&layout=1

https://www.sparkasse.at/sPortal/sportal.portal;jsessionid=jhTqMkJKRNhh6032wr4wSCKpxppFSjnkNLGksJTMHxGPfq3dKGT1!-800296510?_windowLabel=LABEL_HEADER&_urlType=action&LABEL_HEADER_zz=104848.3633057974&LABEL_HEADER_pc=1&LABEL_HEADER_sh=66293cff12a53b0612f9799f62bfc04f&cci=showHomepage&desk=sparkasseat_de_0198&navigationId=nav_gd_Privatkunden.xml&&home_w_webc_url=showHomepage&changeDesk=true&home_desk=sparkasseat_de_0198

http://www.edvg.at/

http://www.sil.at/


RZ-STROMVERSORGUNG

IM SPANNUNGSFELD

SICHERHEIT vs. KOSTEN

Optimaler Aufbau eines USV-Systems für die RZ-Versorgung:


Parallel-

Steuerung

USV

2

Hand-Service-

Bypass

Ungesichertes Netz

Ungesicherte

VerbraucherUSV

3

USV

4

Trenner

USV-Verteilung

USV-Sammelschiene

USV

1

Restrisiko 1: Parallelsteuerung

Steuerung und Regelung des

Verbandes ist nur 1x vorhanden.

Systemfehler führen zum

Bypassbetrieb oder Ausfall

Restrisiko 2: Sammelschiene

Gemeinsame Komponenten wie

die USV-Verteilung können zum

Totalausfall führen.

Wie funktioniert die Kurzschlussabschaltung?

- Selektive Auslegung der Verteilung

- Max. zulässige Auslösezeit nur ca. 10 ms

Aufbau von Redundanzen durch

Parallelschaltung von n+1 Modulen

Restrisiko 3: Selektivität

Ein Kurzschluss an einem

Verbraucher kann zum Ausfall des

Gesamtsystems führen.


USV

B2

Hand-Service-

Bypass

Ungesichertes Netz B

Ungesicherte

VerbraucherUSV

Bn

USV

B+1

Trenner

USV-Verteilung

B

USV-Sammelschiene B

USV

B1

System – Redundanz mit (N+1) + (N+1)

Isoliert-redundanter Versorgung

USV

A2

Hand-Service-

Bypass

Ungesichertes Netz A

Ungesicherte

VerbraucherUSV

An

USV

A+1

Trenner

USV-Verteilung

A

USV-Sammelschiene A

USV

A1

max. 50% Last max. 50% Last

Realbetrieb 80%: 40% Last 40% Last

Realbetrieb (3+1): 30% Last 30% Last

Damit sinkt der angegebene Nennwirkungsgrad von z.B. 95%

in der Realität auf ca. 90% - d.h. Verdopplung der Verluste!


Isolierte Redundanz mit Transferschaltern

A-B Schienenversorgung in n+1 Technik

USV

1

300kVA

Netz und NEA

Schiene A

Schiene B

USV

2

100kVA

Für jeden Bereich

ein „Versorgungsmodul“

USV

n+1

300kVA

Gemeinsame Redundanz

USV

n

200kVA

Modulleistung genau

an die Last angepasst

Vorteile: keine Beeinflussung der Module untereinander

keine Beeinflussung zwischen Schiene A und B

Sehr hohe Verfügbarkeit

durch isolierte Redundanz

bei Verwendung hochwertiger

Transferschalter


Isolierte Redundanz: …was der Transferschalter

bei einem Kurzschluss können muss

USV1

A B

USVR

1. Es tritt ein Kurzschluss am

Ausgang A auf

(Sub-Verteiler defekt)

2. Transferschalter 1

erkennt den Kurzschluss

und blockiert das Umschalten

1 2

U=0V U=0V

U=0V

U=230V

USV1

USVR

3. Transferschalter 2

erkennt Unterspannung

am „linken“ Eingang

4. und schaltet innerhalb 2-3ms

praktisch unterbrechungsfrei

auf den „rechten“ Eingang um

1 2

U=0V U=230V

U=0V

U=230V

A B

USV1

USVR

5. USV 1 geht an ihr Stromlimit

bzw. schaltet auf Bypass

6. Der Kurzschlussstrom löst das

Sicherungselement hinter

Transferschalter 1 aus und trennt

(erst jetzt) die defekte Last ab

1 2

U=0V U=230V

U=230V

U=230V

U=230V

A B


Statischer Transferschalter

APOTRANS AT – eine Piller Eigenentwicklung

Besonderheiten Piller APOTRANS III

Optimierte Kurzschlusserkennung

Sicherungsloses Design mit verstärkten Thyristoren

Interne Redundanzen

2 redundante Microcontroller (Master/Slave)

2+1 redundante Netzteile

2x 2 redundante Lüfter (überwacht)

4-polig schaltend

Der APOTRANS ist eine Piller Eigenentwicklung

und wird bereits in der 3. Gerätegeneration in

Deutschland gefertigt. Damit erreichten wir den

optimalen Sicherheitsstandard für das

redundanzbildende Gerät Ihrer Versorgungskette.


Zusammenfassung

der gewünschten Vorteile

ISOLIERT-redundanter Betrieb

Keine „Single-Points“, keine Parallelregelung der Systeme

Getrennte Versorgung für A- und B-Schiene

Sehr hohe Zuverlässigkeit (MTBF >50 Mio. Stunden)

Freischaltbarkeit aller Komponenten ohne Verlust des USV-Schutzes

Selektivität für defekte Abgänge durch den Transferschalter

System-Leistungen auch >3,5 MVA möglich

PARALLEL-Betrieb mit n+1 Redundanz

Lastausgleich zwischen den Modulen zur Optimierung der Auslastung

Kostenoptimiert durch geringe Anzahl der Komponenten

Kombination dieser Vorteile:

ISOLIERT PARALLELE USV-Konfiguration


ISOLIERT PARALLELE USV-Systeme

technische Voraussetzungen

Anforderungen an die USV-Systeme:

Dynamische USV mit generatorischer Spannungserzeugung

Dynamischer Energiespeicher, der die Nennleistung im Sekundenbereich

abgeben, aber auch aufnehmen kann (Dämpfung bei Laständerungen)

Anforderungen an den „Isolierten Parallel – Bus“

Sternförmige Verbindung der Module

Verbindung der Module über Koppeldrosseln

Last

Netz

Isolierter Parallelbus

(IP-Bus)


Der IP-Bus wird zu einem Ring geschlossen (RETURN-BUS)

Die Lasten können alternativ aus dem IP-Bus versorgt werden

Damit ist die Freischaltung eines Moduls für Wartungen möglich

Umschaltung erfolgt überlappend und somit für die Last vollständig unterbrechungsfrei

ISOLIERT PARALLELE USV-Systeme

technische Voraussetzungen

……


Redundante IP-Bus Versorgung

Abläufe bei Ausfall eines Modules

M/G

G

~~

M/G

G

~~

M/G

G

~~

M/G

G

~~

UPS 1 UPS2 UPS 3 UPS n

Mains

Critical

load 1Critical

load 2

Critical

load 3Critical

load n

……


Spannung: 97,8% 97,8% 97,8% 97,8%

VORTEIL des IP-BUS: Keine Beeinträchtigung

anderer Verbraucher bei Störung eines Abganges

1 2 3 4 16

0V

700A 23kA

11kA

700A 700A 700A

Eigenschaften des IP-Systems

Trennung der Ausgänge im Fehlerfall

……


Eigenschaften des IP-Systems

Gute Lastverteilung durch Parallelschaltung

VORTEIL des IP-BUS: Mittlere Lastverteilung bei unterschiedlicher

Belastung der Ausgänge stellt sich automatisch ein

1 2 3 4 16

80% 80% 80% 80%40%

78% 78% 78% 78%70%

2% 2% 2% 2%-30%

……


ZusammenfassungEinsatzbereiche der 4 Systemkonfigurationen

Redundant-Parallele Konfiguration (n+1)

Für durchschnittliche Verfügbarkeits-Anforderungen gemäß TIER 2-3

System-Redundante Konfiguration (n+1) + (n+1)

Bei Vorgabe System-Redundanz nach TIER 4

Isoliert Redundante Konfiguration „Transferschalter“

Modularer Aufbau, auch mit unterschiedlicher Leistung, bis TIER 3+

Bis 1,1 MVA pro Lastabgang, Gesamtleistung nahezu unbegrenzt

Isoliert Parallele Konfiguration „IP-Bus“

Großrechenzentren von 1,2 MW bis 20MW (darüber in MV-Ausführung)

Modular ausbaubar mit 4 - 16 Anlagen im Endausbau

Ideal für Hochverfügbarkeits-Anwendungen


Für weitere Informationen:

BEA Electrics GmbH

Lastenstraße 19

1230 Wien / Österreich

Ing. Thomas Ott

Fachbereich PILLER Stromversorgung

T +43 (1) 86386 - 1247

F +43 (1) 86386 - 40 1247

E [email protected]

I www.piller.com

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