Сама идея строительства большого дата-центра в Ярославле вызвала оживление среди технических специалистов. Задача — создание оптимального по площадям и максимально эффективного технического сооружения.
Вот заданные параметры:
- Среднегодовой показатель Power Usage Effectiveness не должен превышать 1,3 при потреблении одной стойки около 20 кВт;
- Должна быть возможность поэтапного (модульного) строительства;
- Категория надежности электроснабжения по требованиям UPTIME INSTITUTE – TIRE 4 (100% дублирование узлов);
- ЦОД должен быть удобным в эксплуатации.
Ещё вводные: система охлаждения должна продолжать работу даже после отключения основного питания, плюс кейс дожен быть экономически-обоснованным. Про другие условия можно прочитать в предыдущем топике про строительство дата-центра.
Выбор решения
В качестве источников гарантированного и бесперебойного электроснабжения решили применить ДДИБП (дизельный динамический источник бесперебойного питания), он же Flywheel UPS или DRUPS. Технология применялась ещё в СССР и носила название УГП (установка гарантированного питания). Принцип работы машины основан на обеспечении вращения альтернатора (синхронной обратимой электрической машины), которая может работать в режиме мотора или генератора.
Непрерывность вращения электрической машины во время проблем с внешним питанием обеспечивается за счет накопленной кинетической энергии. В качестве накопителя кинетической энергии используется громадный маховик прикрепленный к валу обратимой машины.
Маховики в качестве накопителей кинетической энергии используются в ДДИБП, ограничиваясь линейкой в 1 МВт. В более мощных устройствах ДДИБП имеют применение так называемые кинетические модули. Работа этих устройств основана на сочетании механических и электрических принципов.
Как это работает
При наличии удовлетворительного внешнего питания (из города)
- Синхронная электрическая машина (альтернатор — 3) вращается на холостом ходу в режиме электрического мотора;
- Кинетический модуль (накопитель энергии — 4) вращается на одном валу с синхронной электрической машиной (альтернатором);
- Дизель (1) с подогретым картером находится в режиме ожидания быстрого старта;
- Сцепление (2), соединяющее дизель с электрическими машинами, разомкнуто;
- Дроссель (5), используя энергию альтернатора «чистит» питание и на выходе получается почти идеальная синусоида.
- Байпасный автомат (9) разомкнут.
Если внешнее питание пропадает или становится неудовлетворительным
Раскрученный маховик по инерции продолжает вращаться, отдавая накопленную кинетическую энергию синхронной электрической машине. Она, в свою очередь, из режима электрического мотора переходит в режим генератора и вырабатывает электричество к потребителю.
- Кинетический модуль (накопитель энергии — 4) вращается и продолжает вращать синхронную электрическую машину (альтернатор — 3);
- Дизель (1) получает команду старт и раскручивается до необходимой скорости;
- Включается сцепление (2), соединяя вал дизеля с валом электрической машины;
- Электрическая машина продолжает вращаться за счет энергии дизеля;
- Кинетический модуль (накопитель энергии — 4) вращается, накапливая энергию.
Потребители электрической энергии продолжают получать электричество, не замечая проблему.
По статистике производителей ДДИБП, 98% инцидентов с внешним электричеством носит кратковременный характер, и времени автономии ДДИБП на раскрученном маховике достаточно для их устранения. Проблемы, которые носят более длительный характер, сопровождаются запуском и подключением дизельного двигателя к электрическим машинам путем сцепления муфты.
12 «за»
- Единичная система способна зарезервировать большую мощность;
- Просто в эксплуатации (особенно важно в регионах);
- Не требует установки кондиционеров для охлаждения (экономим на кондиционерах и мощности для них);
- Низкие операционные затраты на содержание в эксплуатации;
- Высокий КПД при минимальном объеме загрузки (практически линейный график от 40%);
- Минимальное количество силовой электроники.;
- Высокая наработка до вывода в капитальный ремонт (10 лет);
- Не требует резерва мощности для заряда аккумуляторных батарей (10-15% от объема мощности потребления систем ИБП);
- Устойчив к токам короткого замыкания;
- По стоимости сопоставимы с классическими системами гарантированного и бесперебойного питания применяемыми в современных ЦОД;
- Занимает меньшую площадь чем классический статический ДДИБП.
- На холостом ходу работает, как синхронный компенсатор.
На последнем остановится чуть подробнее. Перевозбуждённый синхронный двигатель на холостом ходу применяют в качестве компенсатора реактивной мощности. Мы получаем возможность не оплачивать реактивную составляющую электрической мощности, компенсируя ее применением ДДИБП.
Что такое активная и реактивная мощность?
В большинстве случаев электрические цепи содержат как активное, так и реактивное сопротивление. В цепях с активным сопротивлением электрическая энергия полностью преобразуется в тепло, совершая полезную работу. Единица измерения Ватт (Вт). В цепях переменного тока, содержащих наряду с активными сопротивлениями индуктивные и емкостные нагрузки, имеют место потери на реактивную мощность, обусловленную наличием магнитных и электрических полей в электрических цепях. Условно эта мощность не расходуется на полезную работу. Единица измерения вольт-ампер реактивный (вар) или киловольт-ампер реактивный (квар).
Учитывая, что ЦОД в Ярославле строится, как ранее писалось, у стен пивного завода Ярпиво, для наглядности можно рассмотреть пример на бокале пива. Бокал наполнен слоем бесполезной пены (реактивной мощности). Мы платим за нее в составе выпитого пива, но полезную работу выполняет только объем активной жидкости (активной мощности).
Сумма активной и реактивной мощности, — полная мощность.
Отношение активной мощности электрической цепи к полной мощности принято называть коэффициентом мощности или «косинусом фи» (cos φ):
Коэффициент мощности = Активная мощность/Полная мощность
Коэффициент мощности не может быть больше единицы. В случае, если активная мощность равна полной мощности, а это говорит об отсутствии реактивной нагрузки, cos φ = 1 (единице). Для практического примера,- cos φ сервера = 0,95, а cos φ кондиционера = 0,7. Отсюда уже видно, сколько в процентах заплатим за пену).
Практический выбор
При исследовании рынка мы выяснили, что передовых производителей, чье оборудование установлено в ЦОД всего четыре, все расположены на территории европейских стран.
- Piller – Германия
- Hitec – Голандия
- Hitzinger – Австрия
- Evrodisel – Бельгия
Все работают в больших диапазонах мощностей, имеют хорошую производственную базу, все представлены в ЦОДах и имеют положительную историю и отзывы. Соответственно конкурентная среда есть.
Интересные конструктивные особенности
Hitzinger, Evrodisel, Hitec
ДДИБП данных производителей имеют классическую схему размещения агрегатов (соосно). Кинетический накопитель двухопорный. Имеет жесткое соединение с альтернатором.
Вот так выглядит:
Преимущества: простота и минимальное количество силовой электроники.
Piller
Он работает по тому же примерно принципу, что и классические ДДИБП – но накопитель кинетической энергии не размещен на одной раме с остальными компонентами устройства. Кинетический накопитель имеет вертикальное расположение, по принципу «волчка». В данных устройствах применяется не механическая связь агрегатов а электрическая.
Принципиальная схема:
Выглядит это так:
Преимущества: кинетический накопитель может быть установлен отдельно от самого силового агрегата, накопитель помещен в герметичную оболочку заполненную газом, таким образом снижено сопротивление, что позволяет увеличить время автономии без запуска дизеля.
А вот фотографии устройств в реальности (не в нашем ЦОД):
P.S. Это топик был обещан в первом про ярославский ЦОД. Если у вас есть другие вопросы по работе дата-центра — постараюсь ответить в комментариях.
Автор:
