UPS Rotanti e gruppi elettrogeni. Configurazioni UPS totalmente flessibili ad alta efficienza

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1 UPS Rotanti e gruppi elettrogeni Configurazioni UPS totalmente flessibili ad alta efficienza

2 Content 1 Introduzione Caratteristiche dei moderni UPS rotanti Tempo di autonomia Combinazioni tra UPS e Diesel Aspetti funzionali delle combinazioni tra UPS rotanti e genset Configurazioni degli UPS rotanti con i genset Conclusioni Riferimenti

3 1 Introduzione Per proteggere le installazioni critiche contro le interruzioni di rete, l'installazione di gruppi di continuità (UPS) è la soluzione standard. Se è necessaria la protezione per corte e lunghe interruzioni, i sistemi UPS statici possono essere integrati con dei gruppi elettrogeni esterni oppure in alternativa, possono essere scelti i gruppi rotanti con diesel integrato (DRUPS). La combinazione di UPS rotanti con gruppi elettrogeni esterni non è nuova nelle grandi installazioni e a causa dei vantaggi indotti da questa unione, i più recenti e importanti data center, classificati TIER III e TIER IV, applicano questa tecnologia. Con gli ultimi moderni UPS rotanti (RUPS), il progettista può scegliere un elevato numero di configurazioni insieme agli alti rendimenti ai bassi carichi, spesso usuali nei primi anni di vita dei data center. Questo documento descrive i requisiti generali di un gruppo elettrogeno per essere integrato con UPS rotanti e illustra le varie combinazioni con gruppi elettrogeni installati a monte o a valle dell'ups. Questa versatilità include un aumento della manutenibilità, una ampia scelta tra le diverse taglie dei motori e la soluzione può essere realizzata sia in bassa che in media tensione. Inoltre, si illustra come il gruppo elettrogeno può essere integrato nella logica di controllo di un UPS rotante per costituire un sistema efficace e multifunzionale, denominato Diesel UPS elettricamente accoppiato DeRUPS (Diesel electrically coupled Rotary UPS). Questa integrazione permette di utilizzare gruppi elettrogeni esterni in configurazioni più complesse, come il Parallelo Isolato IP-Systems [1], pur mantenendo i vantaggi della separazione fisica degli UPS e dei Diesel. 2 Caratteristiche dei moderni UPS rotanti I moderni UPS rotanti abbinano l elevata affidabilità e un altissimo rendimento con la libertà di scelta del tipo di accumulatore di energia. La manutenzione ordinaria è semplice e non intrusiva rispetto alla soluzione con UPS statici. Affidabilità: gli UPS rotanti adottano il più semplice e affidabile metodo di produzione dell energia utilizzando una macchina sincrona. Questo principio operativo abbinato al più avanzato controllo digitale e una semplice interfaccia garantiscono la più alta affidabilità tra tutti gli UPS presenti sul mercato. 3

4 Efficienza e Costi: i moderni UPS rotanti utilizzano materiali avanzati per raggiungere un rendimento nominale fino al 97% e del 95% ai carichi ridotti. Grazie alle basse perdite e una struttura robusta, gli UPS rotanti non richiedono il condizionamento, in tal modo li rendono una soluzione molto conveniente nel ciclo di vita del sistema. Fig. 1 Confronto dei costi del ciclo di vita per tre diverse soluzioni UPS Sebbene il costo iniziale di un sistema rotante può talvolta essere maggiore rispetto alla soluzione statica, la ridotta complessità della manutenzione ordinaria, la lunga vita attesa e l elevato rendimento del rotante contribuiscono a ridurre il costo del ciclo di vita (TCO), mentre il break-even point rispetto agli statici si ottiene in pochi anni. Flessibilità: i sistemi UPS rotanti possono essere realizzati in bassa e in media tensione, utilizzare le batterie o i volani come accumuli di energia, indifferentemente per piccole o grandi unità. La combinazione di UPS rotanti con volano consente di avere una elevatissima riduzione degli spazi rispetto a qualsiasi sistema a batteria. Questo produce un significativo risparmio di spazio occupato, il quale può essere utilizzato per altre apparecchiature oppure per incrementare lo spazio netto per la produzione. 4

5 Gli UPS rotanti possono essere facilmente parallelabili per incrementare la potenza totale o per ottenere una ridondanza. Non ci sono regolazioni complesse in quanto il parallelo di generatori sincroni è semplice, forte e autostabilizzante. Dato che si utilizzano generatori sincroni gli UPS rotanti sono in grado di fornire potenza attiva senza la necessità di un derating in caso di carichi capacitivi (0,8 ant.). La loro elevata corrente di corto circuito pari a 14 volte la nominale garantisce una facile selettività delle protezioni a valle ed elimina la necessità di trasferire il carico sul by-pass per eliminare il guasto. Fig.2 Alcune caratteristiche dei moderni UPS Rotanti e la loro flessibilità Tutto ciò dimostra l idoneità e i benefici degli UPS rotanti per quelle applicazioni in cui l affidabilità combinata con i costi del ciclo di vita contano realmente. Per tali ragioni molti grandi data center, banche, fabbriche di semiconduttori, impianti a ciclo continuo e ospedali utilizzano gli UPS Rotanti e rimangono con questa tecnologia se vengono installati nuovi sistemi 5

6 3 Tempo di autonomia Secondo le statistiche oltre il 96% delle interruzioni di rete hanno una durata inferiore ai 3 secondi. Fig. 2 Statistica dei guasti di una rete in media tensione I tempi tipici di reazione e di autonomia degli accumulatori di energia sono: Volani: Batterie: Generatori Diesel: 0 s s 0 s min. (o più) 10 s... N ore Confrontando questi dati con la statistica dei guasti di rete si evince che semplici volani UPS sono in grado di coprire più del 96% di tutte le interruzioni di rete. Le batterie UPS potrebbero - a seconda delle dimensioni della batteria - essere in grado di colmare circa un altro 3%. Un generatore Diesel non è in grado di colmare i primi 10 secondi di un guasto di rete. Quindi, per essere certi di coprire tutti i tipi di guasti di rete è obbligatoria la combinazione di un accumulatore di energia di breve durata ed un dispositivo di lunga durata come un generatore Diesel. La questione se una combinazione UPS a batteria e generatore Diesel ha senso rispetto all utilizzo di un volano con minore autonomia ma sufficiente per far partire il motore diesel, è oggetto di una ben nota discussione, già trattata in un altro documento [2]. 6

7 4 Combinazioni tra UPS e Diesel La Fig.4 mostra la disposizione tipica di un UPS ed un generatore Diesel, in cui il generatore Diesel funziona come sostituto della rete dopo un guasto. Questa disposizione è in genere usata per la soluzione con l'ups statico. Questo è il modo più semplice per ricaricare l'accumulatore di energia durante il funzionamento con Diesel poiché gli inverter normalmente utilizzati negli UPS statici non sono progettati per operare in modo bidirezionale. Se l UPS statico è a doppia conversione le fluttuazioni di frequenza del Diesel non vengono trasferite al carico e le armoniche del carico non vengono trasferite al genset. Se l UPS opera in Eco-mode aumenterà la sua efficienza, ma le armoniche del carico non saranno filtrate, non verrà effettuato il rifasamento all ingresso dell UPS e le variazione di frequenza del Diesel andranno verso il carico. Fig.4 Una tipica combinazione di UPS statico con batterie ed un generatore Diesel Viceversa, i moderni RUPS funzionano con lo stesso rendimento, rifasano e filtrano le armoniche contemporaneamente, sia con rete che con il diesel. Ma, naturalmente, un UPS rotante può essere abbinato anche a gruppi elettrogeni esterni. La combinazione di UPS Rotanti elettricamente accoppiati a generatori Diesel, denominati DeRUPS, offre una variante più interessante rispetto al semplice utilizzo del gruppo elettrogeno come sostituzione alla rete. Con l UPS Rotante è anche possibile collegare il gruppo elettrogeno alla sbarra di uscita dell UPS. Questo offre alcune funzionalità avanzate per quanto riguarda la ripartizione del carico, la stabilizzazione della frequenza e la manutenibilità. 7

8 Fig.5 DeRUPS Rotanti in combinazione con gruppi elettrogeni, che possono essere situati a monte o a valle. I RUPS possono essere dotati di batterie come pure di volani. I gruppi elettrogeni possono inoltre alimentare anche carichi short-break. Ogni gruppo elettrogeno esterno permette in sostanza di alimentare carichi no-break nonché carichi short-break (Fig.5). Se il gruppo elettrogeno è collegato all'ingresso dell UPS, i carichi no-break e short-break rimangono isolati anche durante il funzionamento con Diesel, una caratteristica che è molto apprezzata nel mondo dei data center. Poiché quasi tutti gli UPS Rotanti sono disponibili anche in versione in media tensione, tutte le combinazioni con i gruppi elettrogeni esterni possono essere realizzate con tale tensione. In questo caso i gruppi elettrogeni possono essere equipaggiati con generatori in media tensione, se il livello della stessa non supera i limiti tecnici di queste macchine. 8

9 5 Aspetti funzionali delle combinazioni tra UPS rotanti e genset Un aspetto generale che deve essere considerato quando si associa un UPS ad un generatore Diesel è l'interazione tra le due sorgenti di alimentazione, vale a dire l'accumulo di energia dell UPS ed il motore Diesel. Questa interazione fà la differenza tra una semplice combinazione UPS con gruppo elettrogeno e un DeRUPS nel quale il genset è totalmente integrato nella funzionalità dell UPS. Per capire questa interazione è utile distinguere tra fonti di energia attiva e fonti di energia reattiva, come mostrato nella Fig. 6. Fig.6 Relazioni tra sorgenti di energia e potenza A prescindere dal generatore Diesel che sia collegato a monte o a valle dell'ups, il motore Diesel deve essere in grado di fornire la potenza attiva al carico, di caricare l'accumulatore di energia e coprire le perdite degli UPS. Il generatore di un genset a monte deve fornire la corrente richiesta dall UPS, deve anche essere in grado di fornire la potenza reattiva richiesta dall UPS e di far fronte alle armoniche dei circuiti raddrizzatori all'ingresso del UPS. Grazie alla generazione di una onda naturale sinusoidale gli UPS Rotanti non creano alcuna armonica ed il loro fattore di potenza in ingresso è vicino a

10 Avere gruppi elettrogeni collegati a valle, consente di avere un miglior rendimento perché si riducono al minimo le perdite negli UPS durante il funzionamento con Diesel. Lo scambio di potenza reattiva tra l'ups e il generatore deve essere evitato utilizzando controlli di corrente reattiva. E preferibile che sia l UPS o il gruppo elettrogeno a fornire potenza reattiva al carico. Un UPS con un generatore Diesel a monte si comporta normalmente come un UPS in funzionamento da rete, anche se ad alimentarlo è un generatore Diesel. Pertanto l'ups trasferisce tutte le variazioni di carico alla rete, che ora non è più stabile in quanto c è il genset. Gradini di carico tra l 80% fino al 100% possono quindi causare facilmente il sovraccarico del motore e fermarsi, a prescindere che esso si trovi a carico o a vuoto. Un UPS rotante accoppiato elettricamente con un volano è in grado di gestire entrambe le direzioni di potenza e quindi stabilizzare la frequenza di un generatore Diesel. In questo caso non ha importanza se il gruppo elettrogeno è collegato a monte o a valle dei RUPS. Tuttavia, poiché la regolazione di frequenza è assegnata al lato di uscita del DeRUPS, la prestazione è migliore se il gruppo elettrogeno è collegato a valle. Il confronto tra Fig. 7 e Fig. 8 mostra l'influenza della stabilizzazione di frequenza bidirezionale in una rete alimentata da un generatore Diesel. Fig.7 Risposta in frequenza di un generatore Diesel durante la disconnessione del 50% del carico e la successiva riconnessione, qui senza la stabilizzazione di frequenza supplementare. 10

11 Fig. 8 La risposta in frequenza di un DeRUPS in funzionamento con diesel, durante la disconnessione del 50% del carico e la successiva riconnessione, con la stabilizzazione di frequenza bidirezionale tramite un UBT UNIBLOCK Piller dotato di un dispositivo di accumulo energia con volano POWERBRIDGE a e un gruppo elettrogeno esterno. Inoltre, un volano accoppiato elettricamente può essere caricato e scaricato nella stessa maniera e permette un breve tempo di ricarica, riducendo il tempo di funzionamento del diesel con conseguenti risparmi. Questo non è possibile con UPS a batteria e questo tipo di sistema a volano è sempre pronto contro i disturbi multipli della rete. 11

12 6 Configurazioni degli UPS rotanti con i genset Nel seguito si confrontano le diverse configurazioni degli UPS e dei generatori Diesel UPS rotanti (RUPS) con genset installati a monte I generatori Diesel a monte sono utilizzati per operare come un sostituto della rete durante una interruzione di corrente. Essi possono operare in parallelo alimentando una sbarra comune da cui alimentare gli UPS o, nel caso di grossi UPS, ciascuno può essere assegnato ad un singolo UPS. Se i generatori Diesel sono collegati in parallelo è preferibile che alimentino una sbarra isolata che può essere collegata alla sbarra di ingresso degli UPS tramite un interruttore principale, come mostrato nella fig. 9. La sbarra isolata permette l avvio dei Genset tramite una loro sincronizzazione durante l avviamento dei gruppi denominata dead bus synchronisation. In questo caso tutti i genset partono e si connettono alla sbarra appena sono disponibili, quindi non vi sono tempi aggiuntivi di sincronizzazione. Questo metodo di avviamento assieme ad un controllo di alta qualità, permette avviamenti veloci e garantisce che il carico sia alimentato in maniera affidabile anche utilizzando UPS a volano. Fig. 9 Esempio di controllo dei gruppi elettrogeni adatto per una sincronizzazione veloce 12

13 Una volta avviati tutti i gruppi elettrogeni e alimentata la loro sbarra isolata, l'interruttore principale sarà chiuso per energizzare la sbarra di ingresso degli UPS. Ciò impedisce che il generatore più veloce vada in sovraccarico in quanto sarebbe il primo a prendere il carico. Questo interruttore principale insieme al generale saranno gli unici ad essere controllati quando vi sarà la sincronizzazione alla rete una volta che questa ritornerà nuovamente disponibile. Fig. 10 Una serie di generatori Diesel che alimentano la sbarra di ingresso di un gruppo di UPS Rotanti, in configurazione parallelo. Un vantaggio di questa disposizione è che il numero dei motori Diesel può essere diverso dal numero degli UPS, anche se occorre tener conto della ridondanza dei generatori Diesel. La manutenzione dei gruppi elettrogeni può essere fatta indipendentemente dalla manutenzione degli UPS, disconnettendo una singola unità ridondante. In caso di gravi problemi al sistema UPS i generatori Diesel sono in grado di alimentare in modo permanente i carichi attraverso il bypass di manutenzione UPS che potrebbe essere una caratteristica interessante, nei paesi con una pessima qualità della rete. 13

14 UPS rotanti (RUPS) con genset installati a valle Installare i gruppi elettrogeni sul lato del carico dell'ups è un metodo meno consueto poiché la maggior parte degli UPS statici non è in grado di gestire questa situazione. La Fig. 11 mostra una possibile configurazione con alcuni vantaggi da considerare. Fig. 11 Un gruppo UPS Rotanti abbinato ciascuno ad un gruppo elettrogeno collegato al suo lato carico. In questa configurazione, è necessario controllare la ripartizione di potenza tra l'accumulo di energia dell'ups e il generatore Diesel. Questa capacità viene quindi utilizzata per trasferire la potenza che l UPS fornisce al carico, dopo il guasto di rete, al generatore Diesel una volta avviato e collegato alla sbarra di carico. Questa funzionalità, che fa in modo che la combinazione tra RUPS e genset sia realmente un DeRUPS, è già implementata negli UPS Rotanti più moderni e permette anche la ricarica dell accumulatore di energia dell UPS durante il funzionamento con Diesel. Nel caso di un accumulatore bidirezionale come un volano collegato elettricamente, esso può essere pertanto usato per mantenere stabile la frequenza di uscita. Ciò si realizza con la fornitura di energia da parte del volano nel caso di aumento del carico fino a quando subentra il Diesel, o con l assorbimento di energia dal Diesel nel caso di diminuzione del carico. A causa di questa interazione il DeRUPS è in grado di controllare anche tutti i processi di sincronizzazione come, per esempio, il ritorno del DeRUPS in rete una volta che questa si renderà disponibile. Come per i gruppi elettrogeni collegati a monte, non è strettamente necessario avere uno gruppo elettrogeno assegnato ad un RUPS, come è anche possibile avere un diverso numero di RUPS e di gruppi elettrogeni combinati mantenendo la stessa funzionalità. Il DeRUPS è adatto anche per 14

15 essere implementato in un sistema di parallelo isolato (IP-System) [1]. La Fig. 12 mostra un esempio di tale configurazione in cui il generatore Diesel viene usato anche per alimentare i carichi short-break. Fig. 12 DeRUPS integrato in un sistema di parallelo-isolato (IP-System). Altro vantaggio è che essendo i generatori Diesel collegati a valle degli RUPS, questi possono funzionare indipendentemente dall'ups, se necessario. Pertanto la manutenzione di un gruppo elettrogeno può essere eseguita separatamente dalla manutenzione UPS. Durante la manutenzione del gruppo elettrogeno il carico può ancora avere una breve durata di protezione da parte del RUPS che copre la maggior parte delle interruzioni di rete senza il supporto Diesel. Fig. 13 Generatori Diesel separati dall UPS permettono la manutenzione individuale su ogni tipo di alimentazione mantenendo il sistema rimanente funzionale. 15

16 7 Conclusioni Il DeRUPS, che è la combinazione di un UPS Rotante e un generatore Diesel è molto più interessante rispetto al semplice utilizzo dei gruppi elettrogeni come sostituti della rete. L interazione controllata tra i due componenti offre una più ampia varietà di configurazioni con caratteristiche superiori di gestione del carico, affidabilità e costi nel ciclo di vita. Rispetto ai Diesel-UPS Rotante, il DeRUPS con un generatore Diesel collegato a valle offre ulteriori prestazioni. La possibilità di far lavorare il generatore Diesel e il RUPS in modo indipendente offre una migliore manutenibilità, mentre la combinazione di entrambi garantisce un'eccellente stabilità di frequenza anche nel funzionamento con Diesel. La combinazione di una elevata efficienza, affidabilità e bassi costi operativi con la flessibilità di più configurazioni, rende il sistema DeRUPS una soluzione molto interessante per qualsiasi progetto. 8 Riferimenti [1] Dipl.-Ing. Frank Herbener Sistemi UPS in configurazione Parallelo Isolato Piller White Paper 051, 2009 [2] Dipl.-Ing. Frank Herbener Batterie e Volani Piller White Paper 056, 2011 Piller Group GmbH, Frank.Herbener@piller.com, Germany White Paper No / May