Soluzioni UPS per la media tensione Quando e perché?

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1 Soluzioni UPS per la media tensione Quando e perché?

2 Sommario 1 Introduzione La domanda di alimentazione e distribuzione nelle applicazioni critiche odierne Limiti della distribuzione in BT nelle applicazioni di alta potenza e la soluzione Integrazione dei Sistemi UPS nella distribuzione in MT Concetti di ridondanza Lo spazio e le perdite sono fattori chiave per i sistemi di grandi dimensioni UPS in MT per illuminare un area aeroportuale Alimentazione di una fabbrica di semiconduttori da 35 MW Sistemi UPS in MT ridondanti presso un Data Center multipiano Conclusione Riferimenti

3 1 Introduzione La tendenza verso la costruzione di Mega Data Centers in ambito Internet e IT richiede una crescente domanda di potenza con elevata affidabilità in singoli siti. Anche i processi critici industriali richiedono sempre più un alto livello di qualità che non può essere fornito dalla rete pubblica. La distribuzione elettrica all'interno di tali impianti è realizzata in media tensione (MT), poiché la distribuzione in bassa tensione (BT) con i suoi alti livelli di corrente è fisicamente ed economicamente limitata. Allo stesso modo un sistema UPS centralizzato di alta potenza rappresenta una soluzione tecnologica ragionevole, soprattutto se concepita come un UPS in media tensione o un UPS rotante con Diesel (DRUPS). La tecnologia UPS in media tensione riduce le perdite di distribuzione a valle dell UPS e riduce lo spazio grazie al minor numero di trasformatori necessari. Le correnti di corto circuito sono limitate ad un valore gestibile, mentre l'affidabilità della distribuzione di potenza è mantenuta ad un alto livello quando si utilizza un sistema UPS di alta qualità. La distribuzione MT consente di mettere in parallelo molti UPS o sistemi DRUPS di alta potenza su una sbarra comune di uscita in una configurazione N + x, evitando così l'utilizzo di un elevato numero di dispositivi di commutazione in bassa tensione per creare la ridondanza a valle. La progettazione modulare di un UPS line interactive consente la sostituzione dell interfaccia rete e carico degli elementi in bassa tensione con quelli in media tensione, conservando le parti fondamentali dell UPS e l accumulatore in BT. In questo modo è assicurata la familiare esperienza con la funzionalità e la manutenibilità di un UPS in BT. Il documento descrive la progettazione di una unità UPS in MT e la sua integrazione in un sistema ridondante UPS. Vengono altresì presentati aspetti di risparmio di spazio e di perdite, come pure le configurazioni realizzate in campo per un Data Center, un aeroporto e una fabbrica di semiconduttori. 3

4 2 La domanda di alimentazione e distribuzione nelle applicazioni critiche odierne La rapida crescita dell'e-commerce negli ultimi dieci anni ha imposto un rapido aumento sia dello spazio che della potenza elettrica necessaria al funzionamento dei Data Centre. La densità di potenza in kilowatt per metro quadrato diventa maggiore, quindi la potenza di raffreddamento diventa un problema critico. Gli operatori ed i clienti di tali Data Center si aspettano una alimentazione sicura e affidabile garantita da un sistema UPS. Spesso, contro il rischio di deriva termica, tutta la potenza elettrica necessaria è assicurata dagli UPS. Considerando che un tipico Data Center nei primi anni Novanta richiedeva da uno a tre megawatt circa, oggi non è rara la richiesta per installazione dai dieci ai 20 megawatt. Anche le industrie come le fabbriche di semiconduttori, chimiche e dell alimentazione richiedono più spesso una fornitura di energia sicura, perché non possono tollerare le maggiori perdite di produzione causate dalle interruzioni di rete. Sono cresciuti numerosi siti, che richiedono una fornitura di energia fino a 40 MVA. Inoltre la zona di produzione è spesso molto estesa rendendo necessaria la distribuzione di una elevata quantità di energia elettrica da un capo all altro dello stabilimento. Anche per gli aeroporti e per l illuminazione della pista, sono presenti lunghe distanze nella distribuzione elettrica. 3 Limiti della distribuzione in BT nelle applicazioni di alta potenza e la soluzione Si raggiunge rapidamente una capacità massima di circa 5 MVA, utilizzando livelli di tensione di 400 volt. La limitazione a 5 MVA è dovuta da una parte, dalla capacità delle sbarre e dagli interruttori di circa 6000 ampere e dall altra, dalla tenuta al cortocircuito dei quadri elettrici, in genere pari a 100 ka. Prestazioni più elevate di entrambi faranno aumentare notevolmente i costi e le dimensioni delle apparecchiature, mentre la disponibilità dei componenti sul mercato è molto limitata. Inoltre, elevate correnti causano perdite resistive e richiedono elevate sezioni di rame, con conseguente aumento dei costi di trasmissione della potenza. 4

5 Un modo per ridurre le correnti e per consentire un ulteriore aumento della potenza è il passaggio ad un sistema in media tensione (MT). Ad un livello di 13,2 kv, che è abbastanza comune negli Stati Uniti, la potenza massima del sistema sale fino a 27 MVA utilizzando un interruttore MT di dimensioni standard da 1200 A e fino a 57 MVA con un interruttore da 2500 A. I livelli saliranno per 34,5 kv, consentendo di arrivare fino a 70 MVA. La distribuzione di energia utilizzando UPS, segue le stesse regole dell elettrotecnica: mettendo in parallelo i moduli UPS in bassa tensione su una sbarra comune, essi sono soggetti esattamente alle stesse limitazioni. La figura 1 illustra una possibile situazione: - Il lato sinistro mostra un gruppo di moduli UPS in parallelo. L'aggiunta di un quarto modulo comporta una situazione di sovraccarico (evidenziata in rosso) dell'avvolgimento secondario del trasformatore di alimentazione e delle sbarre a valle. - Nel mezzo il gruppo UPS è stato spostato sul lato del trasformatore MT, eliminando la situazione di sovraccarico sulle sbarre a monte dei moduli UPS. Ma operando con un solo trasformatore MT si ha ancora un sovraccarico sui suoi avvolgimenti secondari e sulle sbarre in BT. - Sul lato destro sono state spostate anche alcune parti della distribuzione sul lato MT e vi sono tre trasformatori separati per alimentare il carico. Dividendo la distribuzione BT in tre percorsi separati si elimina la situazione di sovraccarico al trasformatore e sulle sbarre in BT. Figura 1 Posa in parallelo dei moduli UPS in una distribuzione ad alta potenza 5

6 4 Integrazione dei Sistemi UPS nella distribuzione in MT Un modo semplice per integrare uno o più moduli UPS in bassa tensione in una distribuzione MT è di aggiungere un trasformatore sia all ingresso che all uscita. Questa soluzione aumenta il numero totale dei componenti, richiede spazio aggiuntivo e riduce l'efficienza del sistema di alimentazione. Utilizzando un sistema integrato MT-UPS entrambi i trasformatori possono essere eliminati. Come illustrato nella figura 2 ulteriori componenti possono essere risparmiati se un UPS di alta potenza sostituisce quattro o cinque moduli BT UPS. Questa configurazione offre un risparmio di spazio intorno al sistema di alimentazione e funziona con maggior rendimento. Figura 2 La tecnologia MT-UPS riduce il numero totale dei componenti Dalle diverse configurazioni UPS presenti sul mercato, gli UPS line-interactive offrono la scelta migliore per l'integrazione in un sistema MT. La figura 3 fornisce una panoramica: - Gli interruttori MT e la reattanza (coupling choke) sostituiscono le corrispondenti parti in BT e si inseriranno nel quadro MT. - Il trasformatore MT è un elemento aggiuntivo e rappresenta l'interfaccia per i restanti componenti standard dell'ups in BT. Questi componenti BT standard dell'ups sono costituiti da un moto-generatore sincrono che fornisce potenza continua e stabilizzata per il carico, un convertitore di frequenza che collega l'accumulo di energia ed un motore Diesel opzionale collegato tramite un giunto a ruota libera. L'accumulatore di energia può essere una batteria chimica o un volano (POWERBRIDGE) a spazio ridotto, per colmare brevi interruzioni di rete, fino a quando il motore Diesel ha preso il carico. 6

7 Il vantaggio principale di tale configurazione è il fatto che tutti i componenti in bassa tensione compreso il controllo e il software operativo provengono da unità standard in BT che sono ampliamente collaudate. Figura 3 Progettazione di un sistema integrato MT Diesel UPS Rotante (DRUPS) tipo UBTD, ove è evidenziata la parte elettrica (schema unifilare) e quella fisica (caselle grigie), dei componenti dei sistemi. 5 Concetti di ridondanza Una alimentazione di alta qualità per applicazioni in situazioni critiche presuppone un concetto di ridondanza. Per i progetti BT vi sono alcuni concetti ben noti e collaudati come il sistema N +1 ridondante in parallelo o la configurazione N + N ridondante, con due alimentazioni ridondanti A e B a cui possono essere collegati carichi a doppio ingresso. Senza grande sforzo, questi concetti possono essere direttamente adattati ad un layout MT. Essi rappresentano installazioni semplici e conosciute, mantenendo i sistemi gestibili dagli operatori e dal personale addetto alla manutenzione. La Figura 4 mostra gli schemi unifilari di tali sistemi. Ancora una volta, la distribuzione avviene in MT fino ai trasformatori. Figura 4 Moduli MT-UPS in configurazioni di sistema ridondanti 7

8 Un concetto nuovo e moderno per ottenere la ridondanza, limitando la potenza di corto circuito è il sistema cosiddetto Parallelo Isolato (IP-System). I carichi vengono alimentati singolarmente da distinti moduli UPS caricati in una certa misura al di sotto del pieno carico. Un guasto del modulo causa il trasferimento del relativo carico sotto la sbarra IP, che è connessa a ciascuno dei moduli UPS tramite una reattanza IP. La Figura 5 mostra lo schema di base di un IP-System in media tensione, che permette la realizzazione di un sistema di alimentazione altamente affidabile con alcuni vantaggi rispetto ai precedenti due sistemi [1]. Figura 5 Moduli MT-UPS integrati in un sistema parallelo isolato (IP-System) 6 Lo spazio e le perdite sono fattori chiave per i sistemi di grandi dimensioni Uno dei principali costi in un Data Center o in un impianto di produzione è lo spazio occupato. Riducendo lo spazio per le infrastrutture di alimentazione, ne consegue un nuovo spazio per l'it o per gli impianti di produzione. Spesso l'area disponibile per il sistema UPS è circoscritta e limitata, in particolare negli edifici già esistenti, tuttavia la potenza richiesta è in aumento. I moduli UPS ad alta potenza con accumulo di energia cinetica a tecnologia BT o MT ben si adattano a superare questa sfida. Nella Tabella 1 è mostrato un confronto tra gli spazi occupati di installazioni ridondanti in BT e in MT. Tali confronti sono basati considerando 10 MVA di carico e un livello di tensione di alimentazione di 13,2 kv. Valori tipici per l ingombro dei moduli statici e rotanti UPS, batterie 8

9 da 5 minuti e i quadri elettrici sono tratti dai cataloghi dei produttori. Il trasformatore e l induttanza MT sono del tipo resina a secco con ingombri presi da progetti reali. L'intero sistema è composto da 7 gruppi da 1670 kva ciascuno, realizzati con 3 unità statiche UPS in parallelo o 1 unità rotante per gruppo. Ogni unità statica è dotata di una batteria da 5 minuti, l'unità rotante con accumulatore cinetico. La ridondanza è ottenuta dal 7 gruppo, quindi la configurazione è Tabella 1 Confronto tra lo spazio richiesto da un sistema ridondante UPS, N +1, 10 MVA, a 13,2 kv, nelle diverse soluzioni progettuali Un confronto della prima e della seconda linea nella tabella 1, evidenzia che lo spazio totale richiesto dal sistema aumenta di circa il 33% se le unità statiche BT UPS sono disposte tra due trasformatori. Una drastica riduzione di spazio è ottenuta utilizzando un UPS rotante sia in BT che in MT, come mostrato nelle linee 3 e 4. Oltre all ingombro, anche le perdite elettriche sono un punto importante da considerare. Le perdite di distribuzione diventano un problema per lunghe distanze di distribuzione degli impianti industriali di grandi dimensioni o nelle aree estese aeroportuali. Nella Figura 6 è mostrato un confronto con le configurazioni di cui sopra con un cavo di 100 metri (328 ft) tra UPS ed il carico. Le perdite tipiche degli UPS e dei trasformatori sono ricavate dalle brochure. Le perdite per il cavo sono state calcolate utilizzando un adeguato tipo di cavo adatto per trasportare la relativa corrente. Il cavo BT in questo esempio genera 1,5% di perdite (linea 1), mentre il cavo di MT ha soltanto lo 0,1% di perdite. La soluzione con due trasformatori comporta un altro 2,4% di perdite dei trasformatori (linea 2) e non rappresenta la soluzione ideale. Il modulo singolo rotante UPS di alta potenza genera uno 0,5% in meno di perdite (linea 3), ma rimuovendo i due trasformatori, le perdite diminuiscono 9

10 sostanzialmente (linea 4). Sommando le perdite accumulate ogni anno, la differenza tra gli ultimi due esempi è più di 1 milione di kilowattora o US $ circa. Per distanze di distribuzione più lunghe l influenza del cavo aumenterà, dando anche in questo caso un risultato migliore a favore della distribuzione MT. Figura 6 Confronto delle perdite di 10 MVA, 13.2 kv di distribuzione di UPS in diverse soluzioni progettuali Per quanto riguarda i costi di investimento i moduli UPS in MT e gli interruttori MT hanno ovviamente un maggior costo rispetto ai componenti BT. Questi costi maggiori possono essere parzialmente compensati utilizzando meno rame per la distribuzione, in particolare in caso di reti di distribuzione lunghe e complesse. Se per motivi tecnici è richiesta una soluzione MT, l'utilizzo di veri e propri moduli MT di UPS è più conveniente e più efficiente rispetto a qualsiasi integrazione di moduli standard BT di UPS in una distribuzione MT. 10

11 7 UPS in MT per illuminare un area aeroportuale Gli impianti aeroportuali, come l illuminazione delle luci di pista, i sistemi radar e le torri di controllo, sono le applicazioni classiche per alimentazioni ad alta affidabilità. Questi carichi critici sono distribuiti su una vasta area lungo il campo d'aviazione e la distribuzione elettrica è spesso realizzata in media tensione. Nella figura 7 è illustrato un esempio, dove viene alimentato un carico totale di 3,8 MW da un sistema di alimentazione MT a un livello di tensione di 20 kv costituito da quattro moduli UPS da 1670 kva Diesel in una configurazione ridondante parallela. La lunghezza totale della rete MT è di 56 km. L'UPS è inserito in serie nella rete esistente. I quattro DRUPS sono disposti in due gruppi, ciascuno di due unità in parallelo. A seconda delle esigenze di carico l interruttore permette di operare come n +1 o come sistema n+n ridondante. Figura 7 Configurazione DRUPS per la fornitura di illuminazione in una pista aeroportuale 11

12 8 Alimentazione di una fabbrica di semiconduttori da 35 MW Il secondo esempio mostra un sistema di alimentazione in una fabbrica di semiconduttori [2], che comprende un impianto di cogenerazione con nove gruppi a gas naturale da 3,9 MW ciascuno. Sia l elettricità che l energia termica viene trasportata per diverse centinaia di metri dalla centrale alla struttura di produzione. Il livello di tensione è interamente a 20 kv. Il ruolo del sistema UPS è l'interfacciamento della sbarra di alimentazione di alta qualità con la sbarra di rete (utility) al fine di fornire il backup alla rete, bloccando anche tutti i disturbi che provengono dalla rete. Come secondo compito, l UPS con il suo accumulatore cinetico, fornisce potenza di stabilizzazione per la tensione e la frequenza durante le condizioni transitorie. L'unico modo di funzionamento che l accumulatore con volano consente è l'erogazione e l'assorbimento della potenza rispetto ad altri sistemi UPS. La capacità di poter avere un flusso di potenza bidirezionale, permette un ottimo controllo della frequenza in particolare in condizioni transitorie, mantenendo l intera frequenza dei sistemi entro limiti ristretti. Nella Figura 8 è mostrato uno schema unifilare del layout principale. Figura 8 Combinazione di cogenerazione e backup di rete ad un'alimentazione di alta qualità per la fabbricazione di semiconduttori 12

13 9 Sistemi UPS in MT ridondanti presso un Data Center multipiano Il terzo esempio, da vedere nella Figura 9, illustra l'alimentazione di un data center di grandi dimensioni. L'intero carico è quasi 40 MVA, suddiviso in 28,8 MVA senza interruzione e carico di breve interruzione di 10,8 MVA. Il sistema di alimentazione è configurato come ridondante isolato ad un livello di tensione di 11 kv. Le unità UPS sono disposte in sei gruppi primari di tre moduli ciascuno più un gruppo ridondante di quattro moduli per fornire back up di potenza in caso di guasto di uno dei sei gruppi primari. Così il numero totale di unità UPS è di 22, ognuno dei quali composto da un Diesel UPS in MT, fornendo 1600 kva di no break e 600 kva di potenza short break. L'ulteriore distribuzione a valle viene eseguita in media tensione ai piani individuali del data center e finisce nei trasformatori e poi nei commutatori statici vicino alle apparecchiature IT. La linea del back up isolato ridondante è realizzata con due percorsi alternativi di alimentazione ai carichi: la prima a livello MT con i commutatori di trasferimento automatici (ATS) a monte dei trasformatori di alimentazione e la seconda a livello BT alimentando direttamente i commutatori statici (STS) collegati ai carichi. Figura 9 Schema unifilare di sistema ridondante da 40 MVA per internet data center 13

14 10 Conclusione Nel settore IT e industriale, le tendenze attuali sono per un aumento della densità di potenza, un aumento della domanda di energia totale in singoli siti e con un crescente fabbisogno di potenza di elevata affidabilità. Il sistema di alimentazione elettrica deve rispondere con adatti sistemi UPS e adeguate soluzioni di distribuzione. Se da un lato, sistemi in BT di alta potenza hanno una limitazione sui valori massimi di corrente e dall'altro spesso si devono colmare lunghe distanze, il passo ad un sistema in media tensione è la soluzione tecnica appropriata. I sistemi MT riducono le dimensioni dei cavi e le perdite, aumentando l'efficienza della rete di distribuzione. Inoltre, l'utilizzo di moduli UPS in MT di alta potenza riduce al minimo il numero dei componenti. Le parti fondamentali di tali moduli sono apparecchiature standard in BT e quindi ben collaudate, compreso il controllo hardware e software. L'UPS in MT consente una chiara configurazione del sistema, mantenendo la sua complessità entro limiti gestibili. 11 Riferimenti [1] Frank Herbener Iso-Parallel UPS Configuration [2] Stephan Schroeter Präzisions-Power Energie & Management-Magazin, 15. Februar 2007 Frank Herbener, Piller Group GmbH, Frank.Herbener@piller.com, Germany White Paper No / Aug