Comment construire un centre de données de niveau IV selon le schéma N + 1

Systèmes UPS avec bus parallèle isolé (IP-Bus) - la réponse des développeurs à la croissance des capacités des centres de données. De nombreux centres de données avec IP-Bus ont déjà été construits dans le monde, y compris ceux avec le certificat Tier IV Uptime Institute. De telles décisions sont surveillées par les clients russes.

Dans la pratique de la construction de centres de données, il y a une tendance constante vers leur agrandissement. Des objets d'une capacité de 100 MW sont apparus dans le monde. La Russie ne reste pas non plus en retrait, bien qu'elle suive cette direction avec un certain retard. Il y a 10 ans dans notre pays, un centre de données d'une capacité de 5 MW était considéré comme grand, et aujourd'hui plusieurs grands opérateurs ont annoncé leur intention de construire des installations pour 2000 racks ou plus, ce qui correspond à une consommation d'énergie de 15 MW et plus.

Pour l'organisation de systèmes d'ingénierie de haute puissance, comme l'a montré la pratique mondiale, le plus utile d'un point de vue économique est un circuit avec connexion parallèle N + x (N + 1, N + 2 ...) des appareils. De plus, la capacité unitaire des plus grandes installations d'UPS au monde - dynamique, qui peut être utilisée dans de telles solutions, est limitée par la puissance (et le coût) des plus gros moteurs diesel utilisés pour fonctionner avec les UPS.

Cependant, la connexion parallèle directe de l'onduleur, offrant la possibilité de créer des configurations N + x efficaces, présente un certain nombre d'inconvénients importants:

• Les installations basse tension ne peuvent être utilisées que dans des systèmes jusqu'à 5 MW. Cela est dû à la fois aux restrictions sur les valeurs nominales disponibles des boîtiers basse tension (6300 A) et aux courants de court-circuit élevés, dont les valeurs peuvent dépasser 150 kA.
• Les solutions moyenne tension, qui permettent de construire des systèmes de plus de 5 MW, augmentent le coût du système électrique et ne conviennent pas toujours aux clients en termes de fonctionnement.
• Les composants communs du système - bus d'entrée et de sortie, bypass - sont des points de défaillance courants.

Le schéma N + N (2N), correspondant au niveau de tolérance aux pannes du Tier IV Uptime Institute, permet, en construisant des modules d'énergie séparés, de s'affranchir des principaux inconvénients des systèmes parallèles classiques. Mais cette approche présente d'autres inconvénients évidents:

• Duplication à 100% de l'équipement, c'est-à-dire coûts d'investissement élevés;
• grande empreinte;
• niveau de charge maximum - 50% (en pratique - pas plus de 40%);
• coûts d'exploitation élevés.

Pour ces raisons, la configuration N + N (2N) est rarement utilisée pour les installations d'une capacité supérieure à 10 MW.

En 2005, une solution a été trouvée qui, tout en conservant le principal avantage du circuit parallèle - le nombre optimal de modules UPS dans le circuit N + x - pour mettre en pratique des systèmes d'une capacité allant jusqu'à 20 MW tout en restant à une basse tension de 0,4 kV. Cette solution, baptisée configuration IP-Bus, répond au plus haut niveau de tolérance aux pannes (Tier IV Uptime Institute). L'idée du bus IP est basée sur l'utilisation d'un bus en anneau pour connecter des modules UPS individuels, chacun étant isolé à l'aide d'un réacteur (Fig.1).


Fig. 1. UPS Isolation-Parallel

Dans les systèmes IP-Bus, chaque onduleur fonctionne sur sa propre sortie de charge et est simultanément connecté à un bus commun (IP-Bus) via une self d'isolement, qui remplit plusieurs fonctions importantes:

• vous permet de redistribuer la puissance active entre les ASI - un module ASI avec une charge plus faible «aide» les autres modules en transmettant la puissance excédentaire via un bus IP (Fig. 2);
• fournit une alimentation électrique ininterrompue à la charge en cas d'arrêt de l'onduleur pour des travaux de maintenance ou en cas d'accident (Fig. 3, Fig. 4);
• ralentit l'échange de courants réactifs entre les installations UPS, en raison des impédances des réacteurs, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de contrôler la puissance réactive à l'intérieur du système.

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  - IP-Bus, , N + (N + 1, N + 2…). — 70%, .

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Fig. 2. Un exemple de répartition de la charge dans un système de 16 installations ASI

Contrairement à la configuration parallèle "directe", dans le système IP-Bus, chaque installation ASI contrôle sa tension de sortie indépendamment des autres - il n'y a pas de dispositif de contrôle centralisé et un point de défaillance commun est éliminé. En supposant que le flux d'énergie d'un onduleur disparaisse soudainement pour une raison quelconque, sa charge reste connectée au bus IP à l'aide de la self IP, qui fonctionne maintenant comme source d'alimentation de secours. Dans ce scénario, la charge sera automatiquement et sans interruption alimentée par le bus IP (voir Fig. 3).


Figure. 3. Exemple de redondance du système en cas de panne / arrêt d'une installation UPS

Dans la pratique, le bus IP se présente généralement sous la forme d'un anneau, comme illustré à la Fig. 4. Le deuxième segment du bus IP, souvent appelé bus de retour, agit comme une source de secours pour les charges, vous permettant de les connecter directement au bus IP via des commutateurs séparés - une sorte de dérivation, qui garantit la tension nominale sur la charge même en cas d'urgence. situations ou lors de travaux de maintenance. De tels contournements ne sont pas un point de défaillance commun, car au moment initial, jusqu'à la fermeture du contournement, la charge continue de recevoir une alimentation ininterrompue du bus IP via la self IP comme mentionné ci-dessus.


Figure. 4 Exemple de fonctionnement de la charge n ° 2 directement depuis le bus IP de secours

Le comportement du système IP-Bus dans les scénarios de court-circuit diffère également de manière significative des processus dans une configuration parallèle «directe». Dans le circuit IP-Bus, les éventuels courts-circuits dus à l'utilisation de selfs IP n'ont qu'un effet négligeable sur les charges. Dans ce cas, les courants de court-circuit ne dépassent pas 100 kA, ce qui permet l'utilisation d'équipements de commutation, de protection et de bus standard.

En cas de court-circuit côté charge de l'onduleur (voir Fig.5), l'effet d'un tel court-circuit sur l'ensemble du système est relativement insignifiant du fait que les charges restantes sont isolées de l'onduleur au moyen de deux réacteurs connectés en série. En revanche, le courant de court-circuit fourni par l'onduleur à un bus IP commun est limité par la résistance de la self IP. Par conséquent, les changements de tension sur des charges non affectées sont insignifiants et restent dans la zone sûre de la courbe ITI (CBEMA).


Figure. 5. Exemple de distribution et de valeurs des courants de court-circuit dans le système IP-Bus avec court-circuit sur le bus de puissance de charge connecté à l'ASI 2

En cas de court-circuit sur le bus IP, une seule self IP est située entre le point de défaut et l'onduleur ou la charge. Par conséquent, la chute de tension aux bornes des charges dans ce scénario sera beaucoup plus importante par rapport au court-circuit dans le système de distribution de charge. Avec une faible résistance de transition, la chute de tension initiale aux bornes de la charge sera de 30%. Pour les alimentations de serveurs sensibles, selon la courbe ITI (CBEMA), cette chute de tension est acceptable pour un maximum de 500 ms. L'utilisation d'une protection directionnelle segmentée, spécialement adaptée aux exigences du système IP-Bus, vous permet de nettoyer le court-circuit sur le bus IP pendant 60 ms en isolant sélectivement le court-circuit et en même temps permet à la partie du système IP-Bus qui n'est pas directement affectée de rester complètement réalisable.

Le système de bus IP se compose de plusieurs installations d'onduleur, dont le nombre est déterminé par le niveau de redondance N + x défini et comprend les composants principaux suivants: un onduleur avec un dispositif de stockage d'énergie, une inductance IP pour connecter l'installation de l'onduleur au bus IP et les commutateurs nécessaires pour un fonctionnement sûr du système.

En figue. La figure 6 montre un mode de réalisation d'un système de bus IP basé sur un onduleur rotatif.

Éléments du système:

1. Réseau externe
2. Bus
IP 3. Bus de retour IP
4. DIBP rotatif avec volant
5. DGU pour une longue interruption du réseau (en option)
6. Inductance IP
7. Commutateur de dérivation
8. IP -interrupteurs
9. Charge




Figure. 6. Un exemple de système de bus IP utilisant un onduleur Piller UNIBLOCK rotatif et un DGU externe avec un allumage «inférieur».

Selon l'expérience pratique de Piller, les onduleurs dynamiques avec volants (Fig. 6) comme dispositifs de stockage d'énergie de secours sont idéaux pour les systèmes de bus IP car Les entraînements cinétiques du DIBP peuvent fonctionner en mode d'absorption d'énergie instantanée et de décharge instantanée, ce qui est important pour stabiliser les paramètres de fonctionnement du système IP-Bus avec une charge changeante.

De plus, les moteurs-générateurs du DIBP ont la capacité de fournir des courants de court-circuit élevés pouvant atteindre 20 x Inom, ce qui permet aux systèmes IP-Bus de faire face au nettoyage en court-circuit pendant très longtemps sans exposer les charges voisines aux effets négatifs d'un court-circuit.
Les ASI statiques avec batteries ont une capacité limitée d'envoyer et de recevoir instantanément des courants élevés et, en outre, les courants de court-circuit des ASI eux-mêmes sont relativement faibles. Pour ces raisons, les solutions IP-Bus sur les onduleurs statiques sont plutôt une expérience, et elles ne se trouvent pratiquement pas dans les centres de données existants.

Le premier système de bus IP au monde a été mis en œuvre en 2007 pour un centre de données de 36 MW à Ashburn (Virginie, États-Unis). Deux systèmes IP-Bus distincts ont été installés sur le site, chacun comprenant 16 onduleurs Piller UNIBLOCK UBT 1670 kVA avec volants dans une configuration 14 + 2. En cas de panne à long terme du réseau externe, chaque DIBP est réservé par un générateur diesel 2810 kVA séparé avec une «mise en marche plus faible», qui fonctionne à la fois sur des charges d'alimentation sans coupure et garanties
Après le succès du premier système IP-Bus, cette configuration a rapidement gagné en popularité dans l'industrie des centres de données. Un autre jalon dans le développement et la reconnaissance de la technologie IP-Bus a été la réception du certificat Tier IV Design & Facility Uptime Institute en septembre 2017 par le centre de données australien NEXTDC B2 avec système d'alimentation IP-Bus N + 1.

Le marché russe des datacenters n'entre dans la phase de construction de grandes installations d'une capacité supérieure à 10 MW. Sur la base des résultats des premiers calculs de concept et des évaluations budgétaires des solutions IP-Bus dans plusieurs projets de centres de données en Russie (dans la gamme de capacités de 5 à 15 MW), les conclusions suivantes peuvent être tirées. Par rapport à la configuration 2N sur les onduleurs statiques, les solutions IP-Bus basées sur DIBP ne sont pas plus chères en coûts d'investissement initiaux, elles donnent un gain de 30 à 60% dans l'espace occupé, plus de 50% plus rentable en termes de coût de possession (TCO) pour une période de 10 ans. Par rapport à la configuration redondante distribuée N + 1 (DR 3/2, 4/3), mise en œuvre sur les onduleurs statiques et dynamiques, les solutions de bus IP basées sur les DIBP ne sont pas plus coûteuses en coûts d'investissement initiaux (pour 10 centres de données) MW ou plus), soit un gain de 20 à 50% dans la zone occupée, 50% plus rentable en termes de TCO pour une durée de 10 ans.

Ainsi, je suis sûr que la mise en œuvre de systèmes IP-Bus dans les centres de données russes n'est qu'une question de temps.