Gleichstrom im Rechenzentrum?! - PowerBuilding
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GE<br />
Critical Power<br />
Data Center Convention 2013<br />
<strong>Gleichstrom</strong> <strong>im</strong> <strong>Rechenzentrum</strong>!?<br />
Jürg P. Schwerzmann<br />
Business Consultant<br />
29. 5. 2013
Worum geht es?<br />
Stromnetz und Datennetz!<br />
GE job title/2<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
RZ Stromversorgung AC oder DC?
Die Herausforderung: Grün und Sicher<br />
Mission Critical Application<br />
Echte Redundanz ist ein MUSS<br />
Das Thema heute:<br />
Redundanz bedeutet, dass ein<br />
Teilelement ausfallen kann, das System<br />
aber <strong>im</strong>mer noch seine Funktion erfüllt<br />
Effizienz der Stromversorgung<br />
Wirkungsgrad<br />
GE job title/4<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Niederspannung (AC) Kette<br />
AC mit PDU Transformer... 6 Umwandlungen<br />
Netz Gebäude Gebäude Gehäuse Rack Board<br />
34kVac<br />
1 2<br />
3 4 5 208Vac<br />
480Vac<br />
480Vac 480Vac 12Vdc<br />
6<br />
Utility<br />
HV/LV<br />
transformers<br />
Switchgear<br />
UPS PDU IT Power Servers<br />
supply<br />
Komponenten<br />
Effizienz<br />
99.0% 94.0% 98.6% 90%<br />
82.3%<br />
AC ohne PDU Transformator ... 5 Umwandlungen<br />
Netz Gebäude Gebäude Gehäuse Rack Board<br />
2 3 4<br />
5<br />
34kVac 1 480Vac<br />
480Vac 480/277Vac 277 Vac 12Vdc<br />
Utility<br />
HV/LV<br />
transformers<br />
Switchgear<br />
UPS PDU IT Power Servers<br />
supply<br />
Komponenten<br />
Effizienz<br />
99.7% 99.0%<br />
94.0% 98.6 92%<br />
85.4%<br />
GE job title/5<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013<br />
5
Mittelspannung zu DC - Kette<br />
380 VDC Architektur … 4 Umwandlungen<br />
Netz Gebäude Gebäude Gehäuse Rack Board<br />
34kVac<br />
1<br />
15 kVac<br />
2<br />
3<br />
15 kVac 380Vdc 380Vdc 12Vdc<br />
4<br />
Utility<br />
HV/MV rectifier<br />
Switchgear<br />
DC converter<br />
DC<br />
distribution<br />
Power<br />
supply<br />
Servers<br />
Komponenten<br />
Effizienz<br />
99.7% 97.3% 95% 91.2%<br />
GE job title/6<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
“DC @ Rack” Kette<br />
DC @ Rack (Google) … 4 Umwandlungen<br />
Netz Gebäude Gebäude Gehäuse Rack Board<br />
34kVac 1 2 480Vac<br />
480Vac 3<br />
48Vdc 48Vdc 4<br />
12Vdc<br />
Utility<br />
HV/LV<br />
transformer<br />
Switchgear<br />
DC Rectifier<br />
PDU<br />
Power<br />
supply<br />
Servers<br />
Komponenten<br />
Effizienz<br />
99.7% 99.0%<br />
98% 95%<br />
90.9%<br />
Hybrid AC/DC @ Rack (Facebook) … 3 Umwandlungen<br />
Netz Gebäude Gebäude Gehäuse Rack Board<br />
2<br />
34kVac 1 480Vac<br />
480Vac<br />
277Vac<br />
3<br />
12Vdc<br />
Utility<br />
HV/LV<br />
transformer<br />
Switchgear<br />
PDU<br />
Power<br />
supply<br />
Servers<br />
Komponenten<br />
Effizienz<br />
99.7% 99.0%<br />
92%<br />
90.8%<br />
GE job title/7<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
AC versus DC: Prinzip der Architektur<br />
AC-Architektur<br />
EVU<br />
MS/NS-Trafo<br />
Schaltanlage<br />
6 kVAC 400 VAC 400 VDC<br />
USV PDU GR/Netzteil Last<br />
Batterie<br />
Gesamtwirkungsgrad ca. 85 %<br />
400 VAC/<br />
230VAC<br />
Im Gerät<br />
12/24 VDC<br />
DC-Architektur<br />
EVU<br />
MS/NS-Trafo<br />
Gleichrichter<br />
Schaltanlage<br />
Batterie<br />
Gleichrichteranlage<br />
Last<br />
Gesamtwirkungsgrad ca. 91%<br />
6 kVAC 400 VAC 400 VDC 12/24 VDC<br />
GE job title/8<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
DC-DC die Vor- und Nachteile<br />
+<br />
• DC muss nicht synchronisiert werden<br />
• Es entsteht keine Schieflast<br />
• Es bestehen keine Oberwellen<br />
• Einsparung operative Fläche<br />
-<br />
• DC>DC ist aufwendiger zu Transformieren,<br />
aktive Elemente werden benötigt*<br />
• Bei Schaltvorgängen gibt es keinen natürlichen Nulldurchgang,<br />
aufwendigere Schalter/Schütze<br />
• Aufbau einer sicheren Selektivität ist schwierig<br />
• Tiefe DC-Spannung verursacht hohe Kabelverluste,<br />
kürzest mögliche Kabel = komplexe Installation<br />
• DC-Lichtbogen schwierig zu beherrschen<br />
* AC/DC: <strong>im</strong> einfachsten Fall Trafo und GR-Dioden Brücke = rein passiv<br />
GE job title/9<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Die Herausforderung<br />
Damit HVdc ein globaler Standard wird, müssen folgende<br />
Punkte geregelt werden:<br />
• HVdc Spannungsbereich*<br />
• Verfügbarkeit von PSU** für HVdc<br />
• Batterieanschluss Methode<br />
• Erdungsverfahren<br />
• Fragen der Sicherheit und Normen***<br />
• Qualitäts- und Qualifikationskriterien<br />
• Nutzen verfügbarer/bestehender Infrastruktur<br />
* HVdc Spannungsbereich: ETSI 260Vdc bis 400Vdc; ITU-T (CCITT) in Diskussion<br />
** PSU: Power Supply Unit = DC/DC Verteiler<br />
*** fehlende Standards für Verbindungen zB. Stecker<br />
GE job title/10<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Sichere und effiziente RZ<br />
Stromversorgung „machbar“
Die Frage muss heute anders gestellt werden<br />
Wie kommen wir möglichst nahe an<br />
den Wirkungsgrad einer idealisierten HVdc Lösung<br />
mit<br />
standardisierten, genormten, verfügbaren Bauteilen,<br />
mit deren<br />
Installations- Betriebs- und Sicherheits- Prozedere<br />
unser Personal bereits vertraut ist?<br />
GE job title/12<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Das Schlüsselelement ist die USV-Anlage<br />
„Unpredictable“<br />
Renewable Energy<br />
Bridge the<br />
99.9% Gap<br />
99.99999%<br />
(8 hours/yr downt<strong>im</strong>e) (1 second/yr downt<strong>im</strong>e)<br />
„Adaptive“<br />
PQS<br />
Challenge<br />
Grid Balance<br />
Peak Load<br />
Utility Power<br />
Deregulation, Shortage,<br />
L<strong>im</strong>ited Infrastructure<br />
=<br />
Unreliable & Cost up<br />
Black<br />
UPS is<br />
the Box<br />
hub<br />
“Power<br />
in power<br />
Quality<br />
quality<br />
System”<br />
‘‘Digital World‘‘<br />
Depending on availability and<br />
reliability of electrical energy<br />
„Classic“<br />
UPS & Battery<br />
Application<br />
Local<br />
Energy<br />
Storage<br />
System<br />
Grid balancing<br />
reserves<br />
GE job title/13<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Schlüsselkriterien einer USV<br />
„Einsatzkalotte“<br />
Qualität der Ausgangsleistung<br />
“Sauberer” Eingang<br />
Netz/GenSet-freundlich<br />
Anwendungsflexibilität<br />
Tier 2 – Tier 4 „Mission critical“<br />
Wirkungsgrad<br />
GE job title/14<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
USV-Wirkungsgrad - jeder kocht mit Wasser<br />
Verluste infolge AC/DC DC/AC Umwandlung<br />
(Halbleiter, Trafos, Drosseln, etc.)<br />
Verluste 2.5-3% 2.5-3% 1-2% = 6-8% Gesamtverlust<br />
GE job title/15<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Möglichkeiten zur Wirkungsgrad Opt<strong>im</strong>ierung<br />
Reduzierung der Verluste durch verbesserte VFI-Technologie<br />
AC/DC DC/AC Umwandlung (Halbleiter, Trafos, Drosseln etc.)<br />
Änderung der Topologie<br />
VI, VFD, Trafoless<br />
Änderung der Betriebsart<br />
Multibetriebsart mit Hocheffizienz-Modus<br />
GE eBoost<br />
• Lastversorgung via statischen<br />
Bypass<br />
• Extrem schnelle Umschaltung<br />
von Bypass auf Doppelwandlerbetrieb<br />
innert (typisch) 2ms<br />
Multi-Betriebsart-USV mit exklusiven Regelungsalgorithmen<br />
GE job title/16<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
GE Hocheffizienz Betriebsart: eBoost<br />
• Erweitert ein Doppelwandler USV System in ein multi-Betriebsart-USV System.<br />
• Garantiert ultraschnelle Umschaltzeiten zwischen WR und Bypass, typisch 2ms<br />
Ausgangspannung<br />
WR Strom<br />
Bis zu 99% Wirkungsgrad <strong>im</strong> eBoost Betrieb<br />
GE job title/17<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
eBoost Fehler Erkennung<br />
Konstante Überwachung der Sinuswelle am Ausgang<br />
Umschaltung auf WR infolge:<br />
Unter/Überspannung RMS<br />
Frequenz ausserhalb der Toleranz<br />
Verzerrung der Wellenform<br />
(Fehler Erkennung)<br />
Fehler erkannt<br />
+/-50VSpannungstoleranznce<br />
Umschaltung auf Bypass Betrieb<br />
sobald die Bypass Spannung wieder<br />
innerhalb der Toleranzen liegt<br />
Umschaltung auf WR eingeleitet<br />
nach typisch 500 Mikrosendunden<br />
GE job title/18<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
eBoost bezüglich ITI (CBEMA) Kurve<br />
ITI CBEMA Kurve<br />
Definiert die Spannungs<strong>im</strong>munität von IT Geräten in<br />
Relation zur Zeit<br />
eBoost TM<br />
Prohibited Region<br />
Überspannung in diesem Bereich<br />
kann Schäden verursachen<br />
ITI (CBEMA) Curve<br />
Double Conversion<br />
eBoost<br />
No Damage Region<br />
Ereignisse in diesem Bereich kann<br />
Geräte stoppen, ohne Schaden<br />
anzurichten<br />
Ride Through<br />
Spannungsausfall<br />
bis 10-20 ms ist erlaubt, IT Geräte<br />
sollten nicht ausfallen.<br />
GE job title/19<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
eBoost kostenloser Zusatznutzen<br />
LC filter<br />
• Trafo, Drosseln und Kondensatoren agieren wie ein LC-Filter:<br />
• Leistungsfaktor der Last erhöht sich um 10-12% (z.B. 0.8 auf >0.9)<br />
• Klirrfaktor reduziert sich um 1% (z.B. von 3% auf 2%)<br />
GE job title/20<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
eBoost Einsatzflexibilität<br />
Einzelanlage<br />
Redundant Parallel Betrieb (RPA)<br />
eBoost kann mit bis<br />
zu 6 Anlagen in RPA*<br />
betrieben werden.<br />
*Redundant-Parallel Architektur<br />
GE job title/21<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Niederspannungs (AC) Kette mit eBoost<br />
AC ohne PDU Transformator ... 4 (5) Umwandlungen<br />
Netz Gebäude Gebäude Gehäuse Gehäuse Board<br />
2 480Vac<br />
3 4<br />
5<br />
34kVac 1 480Vac 480/277Vac 277 Vac<br />
12Vdc<br />
Utility<br />
HV/LV<br />
transformers<br />
Switchgear<br />
UPS PDU IT Power Servers<br />
supply<br />
Komponenten<br />
Effizienz<br />
99.7% 99.0%<br />
94.0% 98.6 92% 85.4%<br />
98.5%<br />
eBoost<br />
USV mit<br />
Ausgangstransformator<br />
89.4%<br />
GE job title/22<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013<br />
22
Einfluss von eBoost auf PUE<br />
USV Doppelwandler Modus<br />
PUE = 1.53<br />
USV eBoost Modus<br />
PUE = 1.39<br />
Reduktion der Verluste auf ¼<br />
• 15-20% weniger Gesamtverlust<br />
• 7-10% PUE Verbesserung<br />
GE job title/23<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
USV mit oder ohne Trafo?
USV mit Ausgangstransformator<br />
Nachteile:<br />
Kosten, Wirkungsgrad, Volumen/Standfläche, Gewicht<br />
Vorteile:<br />
Tiefere DC Spannung – weniger Batterien pro String (30-32 Blöcke)<br />
Flexiblere und günstigere Batteriesysteme<br />
GE job title/25<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Nutzen USV mit Ausgangstransformator<br />
• Keine DC Anteile am Ausgang<br />
(passive galvanische Trennung)<br />
Trafoless USV: DC Anteile müssen aktiv kontrolliert werden<br />
• Bessere Kurzschlussleistung in Batteriebetrieb<br />
(kein By-pass verfügbar)<br />
mit Transformer: 2.7 x In Ph-Ph<br />
4 x In Ph-N / G<br />
Trafoless USV 2.2 x In (Normenmin<strong>im</strong>um)<br />
• Kein Nullleiterstrom bei Schieflast<br />
• Bessere Beherrschung von Schieflast<br />
Der Zig-Zag Transformator verteilt Schieflast gleichmässig auf die drei<br />
Wechselrichterbrücken<br />
Trafoless USV – WR-Brücken arbeiten in unterschiedlichen Lastbereichen<br />
• Bessere Beherrschung von nicht linearer Last<br />
GE job title/26<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Nachhaltige Betriebssicherheit
Bild: User Meggar on en.wikipedia<br />
FlexDSP-BB<br />
Die «Blackbox»<br />
für USV-Anlagen<br />
GE job title/28<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
FlexDSP-BB Übersicht<br />
• Erfassen der Spannungsform<br />
• “post-mortem” Analyse, Trend Analyse<br />
• Gleichzeitige Erfassung von 32 Kanälen<br />
• Abtast Frequenz bis 10kHz<br />
• «Smart Trigger» mit bis zu 16 unabhängigen Trigger Quellen,<br />
• erlaubt die Qualifikation spezifischer Ereignisse mit vor- oder nachlaufender<br />
Datenerfassung<br />
• Speichergrösse 1016 Daten pro Kanal, jedes Ereignis ist für ~100ms @<br />
10kHz gespeichert<br />
• 8 Pufferspeicher halten bis zu 8 Ereignisse ohne den Verlust früherer<br />
Ereignisse – Erweiterung mit externem Speicher (USB) möglich<br />
GE job title/29<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
FlexDSP-BB Benutzeroberfläche<br />
• Opt<strong>im</strong>ale Service Freundlichkeit<br />
• Effiziente Fehlersuche und Ursachenanalyse<br />
• Rasche Fehlerbehebung – reduzierte MTTR – erhöhte MTBF<br />
• Nachhaltige Betriebssicherheit<br />
GE job title/30<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Die nächsten Schritte
Woran gearbeitet wird<br />
„Unpredictable“<br />
Renewable Energy<br />
Bridge the<br />
99.9% Gap<br />
99.99999%<br />
(8 hours/yr downt<strong>im</strong>e) (1 second/yr downt<strong>im</strong>e)<br />
„Adaptive“<br />
PQS<br />
Challenge<br />
Grid Balance<br />
Peak Load<br />
Utility Power<br />
Deregulation, Shortage,<br />
L<strong>im</strong>ited Infrastructure<br />
=<br />
Unreliable & Cost up<br />
Black<br />
UPS is<br />
the Box<br />
hub<br />
“Power<br />
in power<br />
Quality<br />
quality<br />
System”<br />
‘‘Digital World‘‘<br />
Depending on availability and<br />
reliability of electrical energy<br />
„Classic“<br />
UPS & Battery<br />
Application<br />
Local<br />
Energy<br />
Storage<br />
System<br />
Grid balancing<br />
reserves<br />
In der Schweiz wurden März/April 2013<br />
die Investition von fast 3 Mia CHF für<br />
Pumpspeicherkraftwerke auf Eis gelegt<br />
GE job title/32<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Blick in die Zukunft: Multifunktionales PQS<br />
Ziel 1<br />
Niedertarif<br />
PQS<br />
NETZ<br />
GR<br />
WR<br />
LAST<br />
€/kWh<br />
Smart Grid<br />
Ziel 3<br />
Ziel 2<br />
Hochtarif<br />
t<br />
ESS<br />
• Ziel 1:<br />
Klassischer USV-Nutzen (Qualität und Verfügbarkeit)<br />
• Ziel 2:<br />
Verhinderung/Reduktion von Spitzenlast (Netzbelastung & Kosten)<br />
• Ziel 3:<br />
Netzunterstützung - Integration in SMART GRID<br />
GE job title/33<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
Schlussfolgerungen<br />
• Die sichere Stromversorgung für ein RZ wird sich vorerst<br />
«evolutionär» nicht «revolutionär» verändern<br />
• Die Netzqualität wird abnehmen<br />
• Regulierungswut wird weiter zunehmen<br />
• Der Kampf um Energierohstoffe wird härter,<br />
die (gegenseitige) Abhängigkeit wird höher<br />
• Die Politik laviert weiter zwischen «Wählerst<strong>im</strong>men» und «Logik»<br />
Das heisst:<br />
• Die Projektplanung muss komplexere Szenarien berücksichtigen<br />
• Unabhängigkeit und Flexibilität ist ebenso wichtig wie Verfügbarkeit<br />
• Der Lieferant / Partner muss über entsprechende Kompetenzen,<br />
Produkte, Dienstleistungen und Strukturen verfügen.<br />
• Der Planungshorizont soll dem Projekt angepasst sein<br />
GE job title/34<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
GE job title/35<br />
35<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2012<br />
Jürg P. Schwerzmann - 2013
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