Интеллектуальные решения на базе литиевых батарей SmartLi для модульных ИБП

В первую очередь внимания заслуживают источники бесперебойного питания. У Huawei они делятся на две категории: (а) серии UPS2000, рассчитанные на небольшие нагрузки — от 1 до 20 кВА; (б) серии UPS5000, рассчитанные на средние и большие нагрузки — от 25(30) до 1600 кВА. Все ИБП имеют топологию двойного преобразования (on-line), то есть обеспечивают максимальную защиту нагрузки от любых аварий в сети. Традиционно все бесперебойники Huawei работают со свинцово-кислотными АКБ (VRLA). С прошлого года компания производит решения с литий-ионными АКБ (SmartLi) для модульных ИБП серии UPS5000 (о них далее). В III квартале 2020 года мы собираемся начать выпускать ИБП малой мощности с литий-ионными АКБ.

Далее, в линейку NetworkEnergy входят устройства распределения питания как стоечного типа, так и уровня ЦОДа, состоящие из одного или нескольких силовых шкафов. В особую категорию выделяется система поэлементного мониторинга для свинцово-кислотных аккумуляторов под названием iBattery.

Существуют также комплексные решения, состоящие из нескольких продуктов, таких как ИБП с АКБ, устройства распределения питания, прецизионные кондиционеры, ИТ-шкафы, системы изоляции коридоров, система мониторинга. Под относительно небольшие ЦОДы (серверные или коммутационные) Huawei предлагает комплексные решения для установки внутри подготовленных помещений FusionModule500 (3–9 кВт для ИТ-нагрузки), FusionModule800 (до 25 кВт для ИТ-нагрузки), FusionModule2000/50000 (до 400 кВт для ИТ-нагрузки на модуль), комплексные решения для размещения снаружи (в составе контейнерных ЦОДов) — начиная со стандартной модели «всё в одном» FusionModule1000-A (до 54 кВт для ИТ-нагрузки) и заканчивая рассчитанной на префаб-ЦОД FusionModule1000-B под любые задачи.

Важно упомянуть и системы охлаждения, к которым относятся рядные и шкафные прецизионные кондиционеры. Все они делятся на две группы — по типу хладагента (фреон или охлаждённая вода). Имеется решение с непрямым охлаждением ЦОД — NetCol8000-E (FusionCol), которое предусматривает режим работы с фрикулингом и обладает холодопроизводительностью до 400 кВт на один модуль.

Все перечисленные решения могут быть объединены с помощью DCIM-системы централизованного мониторинга NetEco6000, способной взаимодействовать как с ранее упомянутыми моделями Huawei, так и с оборудованием сторонних производителей по стандартным протоколам SNMP или Modbus.

Подробнее остановимся на решениях Huawei мегаваттного класса, объединённых под брендом UPS5000-S (FusionPower). Несколько таких систем уже работают в ЦОДах крупных российских заказчиков.

Семейство модульных ИБП высокой мощности FusionPower5000

В прошлом году мы анонсировали модели FusionPower5000 мощностью 1,2 и 1,6 МВт (слева и в центре иллюстрации) с силовыми модулями мощностью 55 кВА. В 2020-м Huawei намерена анонсировать модель мощностью 1,2 МВт с силовыми модулями на 100 кВА. Отметим, эта мощность будет доступна в том же форм-факторе высотой 3U. Доступны для заказа ИБП с модулями 100 кВА станут в сентябре нынешнего года.

Напомним также, что помимо изображённых на иллюстрации Huawei поставляет модульные ИБП с силовыми модулями 30 и 50 кВА.

Коротко об архитектуре FusionPower5000. В состав решения входит до трёх шкафов с силовыми модулями по 55 кВА. В отдельных шкафах размещены статический и ручной байпасы, в отдельной стойке располагаются автоматические выключатели производства ABB, защищающие силовые шкафы по входу и выходу. Таким образом, Huawei предлагает высокоинтегрированное решение для систем бесперебойного питания, которое на сегодняшний день является наиболее компактным по сравнению с конкурирующими.

В рассматриваемом ИБП применяются силовые модули мощностью 55 кВА, а максимальная мощность составляет 1,2 или 1,6 МВА в зависимости от комплектации. Коэффициент мощности инвертора равен единице. Итого активная выходная мощность систем составляет 1,2 и 1,6МВт соответственно.

Номинальная эффективность системы достигает 97%, а это объективно один из лучших показателей в мировой индустрии модульных ИБП. И значимость параметра носит отнюдь не формальный характер: при таких мощностях каждая десятая процента эффективности напрямую влияет на величину счетов за электроэнергию.

Если ИБП необходимо установить задней стенкой вплотную к стене, целесообразно воспользоваться опциональными комплектами с выводом нагретого воздуха вверх. Комплекты шириной 400 мм позволяют поддерживать нормальный температурный режим ИБП, исключая формирование «горячего коридора». Это даёт возможность дополнительно сэкономить площадь под размещение ИБП. Такой же комплект будет доступен и для ИБП с силовыми модулями 100 кВА.

Надёжность за счёт резервирования и защиты

На иллюстрации выше видно, как силовые модули подключаются к системе управления. В целях резервирования в каждом ИБП обязательно присутствуют два модуля управления, использующие две CAN-шины для связи с силовыми модулями и статическим байпасом. Благодаря этому выход из строя любого силового модуля или информационной шины CAN не приведёт ни к аварии, ни к отключению ИБП. Силовые модули, модули статического байпаса и модули управления поддерживают «горячую замену», что позволяет выполнять обслуживание или ремонт ИБП в кратчайшие сроки без привлечения сервисных инженеров вендора.

Каждый силовой модуль оборудован быстрыми предохранителями, которые автоматически изолируют его от общей системы при аварии или внутреннем коротком замыкании. Если происходит авария с самим силовым блоком (шкафом), в дело вступают размещённые в отдельной стойке автоматы защиты.

Надёжность благодаря системе мониторинга iPower

Все модульные ИБП Huawei, включая базовые, с силовыми модулями 25 кВт, оборудованы системой мониторинга iPower. В её ведении находится контроль работы вентиляторов и срока службы конденсаторов. В больших ИБП, которые соединяются силовыми шинами, iPower получает дополнительную информацию с датчиков температуры, расположенных в местах соединения шин.

При необходимости — опционально — ИБП укомплектуется системой iBattery, позволяющей организовать поэлементный мониторинг свинцово-кислотных батарей в реальном времени. Так, iBattery способна контролировать температуру батарей, их напряжение, внутреннее сопротивление и уровень тока всего массива. Система позволяет экономить значительные средства на периодическом обслуживании АКБ.

Технологии повышения КПД

Не в последнюю очередь высокий КПД у ИБП обеспечивает интеллектуальная система гибернации. Если регистрируется низкий уровень нагрузки, избыточные силовые модули автоматически выключаются, а при росте нагрузки поэтапно вводятся обратно в строй. Так что практически при любом уровне нагрузки ИБП имеет высокую эффективность.

Как и в решениях других компаний, в ИБП Huawei есть функция автоматического перевода нагрузки с инвертора на статический байпас (режим ECO), при условии что электропитание на входе находится в допустимых пределах. По умолчанию этот режим не активирован, но может быть включён по решению эксплуатанта. В таком случае показатель КПД превышает 99%.
Обратное переключение занимает не более 2 мс.

Ещё одно преимущество FusionPower5000 — возможность быстро подключать входную и выходную проводку с помощью стандартных трёхфазных шин. Таким образом, по нашим оценкам, удаётся экономить до 60% времени, требующегося на инсталляцию и запуск.

Архитектура аккумуляторного шкафа

Решения FusionPower могут работать как со свинцово-кислотными, так и с литий-ионными батареями SmartLi. В настоящее время Huawei использует аккумуляторы, произведённые по технологии LFP (LiFePO4), являющейся одной из наиболее безопасных. Оговоримся, что сами аккумуляторные ячейки Huawei не производит, доверив этот процесс проверенному поставщику.

Стандартный аккумуляторный шкаф шириной 600 мм оснащён 16 батарейными модулями (две группы по восемь модулей). Общая ёмкость всего шкафа составляет 80 А·ч. Наряду с ними здесь установлены преобразователь DC-DC, контроллер и блок защиты. Автомат производства ABB оберегает систему от перегрузок и коротких замыканий. Контроллер снабжён семидюймовым цветным экраном на двери шкафа, где выводятся текущие параметры работы системы. Сами аккумуляторные шкафы можно объединять в параллельные массивы до восьми штук для повышения общей ёмкости АКБ и времени автономной работы нагрузки.

Трёхуровневая система BMS

Дополнительную надёжность решениям SmartLi обеспечивает комплексная система трёхуровнего мониторинга.

Первый уровень обеспечивает безопасность каждого из батарейных модулей. Каждый батарейный модуль снабжён собственным контроллером. Он контролирует напряжение каждой ячейки, а также температуру внутри модуля. Вся собранная информация передаётся на центральный контроллер стойки (второй уровень), откуда выводится на дисплей или направляется в удалённый центр мониторинга. Также контроллер второго уровня реализует ряд функций по управлению батарейными модулями, о которых будет сказано далее.

Третий уровень позволяет управлять несколькими шкафами с литий-ионными АКБ как с самого ИБП, так и с помощью централизованной системы мониторинга NetEco6000.

Активное управление балансом тока и модульная конструкция

В решениях Huawei на базе литий-ионных аккумуляторных ячеек используется система активного управления балансом тока. В первую очередь она необходима для совместной работы старых и новых батарейных шкафов или батарейных модулей, параллельно подключённых к общей шине.

Допустим, заказчик уже применяет решение SmartLi. При росте нагрузки необходимо обеспечить прежний уровень автономности, что требует подключения дополнительных батарейных шкафов или установки добавочных батарейных модулей. При совместном использовании старых и новых батарейных групп срок службы последних будет сокращаться. Во избежание подобного негативного сценария как раз и используется запатентованная технология управления балансом токов.

Заметим, 16 батарейных модулей, установленных в один шкаф, не поддерживают «горячую замену», однако их можно менять, отключая автомат защиты. Вся ёмкость шкафа поделена на две группы по восемь штук. В каждой из групп допускается выход из строя одного батарейного модуля.

Причём батарейный шкаф не отключается: происходит лишь незначительное снижение потенциального времени автономности нагрузки. При таком сценарии частичного отказа для того, чтобы уравнять напряжение на выходе шкафа, задействует преобразователь DC-DC.

В результате для замены батарейного модуля не потребуется ни сложных технических процедур, ни вызова инженеров вендора.

Сравним системы электроснабжения модулей мониторинга в батарейных модулях Huawei (слева) с решениями ряда других производителей (справа). Основное отличие нашей системы заключается в том, что второй ввод на устройство мониторинга осуществляется непосредственно от батареи. Кроме того, это решение не требует внешней коммутационной аппаратуры.

Безопасные литий-железо-фосфатные ячейки

08.10.2020