Huawei voert live-tests uit op UPS met 160 parallelle modules

Vlak voor de jaarwisseling kwamen 300 energiespecialisten en wetenschappers bij elkaar tijdens een event dat werd georganiseerd door China Data Center Committee (CDCC) en China Power Supply Association (CPAS) in samenwerking met Huawei. Doel van de bijeenkomst was te komen tot betere testen voor modulaire UPS’en. Huawei greep dit event aan om voor het eerst een uit acht parallel geschakelde UPS’en van 800 kVA/KW te demonstreren.

Dit systeem bestaat in totaal uit 160 40 kVA/KW-modules. Interessant aan de demo was dat het systeem live en tegenover een publiek van 300 conferentiebezoekers aan een aantal tests werd onderworpen. De tests werden begeleid door technici van TL Certification Center. In totaal werden 18 tests uitgevoerd (zie figuur 1). Negen daarvan werden uitgevoerd op individuele UPS-systemen en nog eens negen op de parallel geschakelde UPS. Doel van de beproeving was aan te tonen dat dit soort sterk modulair en parallel geschakelde systemen in ‘real life’-situaties toegepast kunnen worden.

Figuur 1. De achttien tests waaraan het nieuwe en uit acht parallel geschakelde UPS’en van 800 kVA/KW bestaande UPS-systeem van Huawei ‘live’ is onderworpen.

Wat tijdens de demo duidelijk werd, is dat deze parallel geschakelde UPS beduidend beter presteert ten opzichte van conventionele oplossingen. Dat bleek met name uit zogeheten ‘same scenario’ testen en uit een vergelijking van de duur van het benodigde onderhoud. Interessanter nog was de reeks van betrouwbaarheidstesten die werden uitgevoerd.

Tijdens de demo werd met name gekeken naar drie aspecten: de betrouwbaarheid van de modules, de mogelijkheden om in het geval van een storing in een van de modules deze van de rest van het systeem te scheiden (fault isolation) en loop current (lusstromen).

Betrouwbaarheid modules

De betrouwbaarheid van het volledige UPS-systeem of de parallel geschakelde deelsystemen is afhankelijk van de betrouwbaarheid van iedere individuele module. In de toelichting hanteerde Lv Yihang, General Manager UPS Products bij Huawei, het begrip ‘Three Friendly’. daarmee bedoelde hij dat een betrouwbare UPS-module ‘grid friendly’ dient te zijn, maar ook ‘load friendly’ en ‘environment friendly’.

•    Grid friendly - Tijdens de tests gebruikte Huawei een input die behoorlijk vervormd was (zie figuur 2). Dit zijn metingen die afkomstig zijn van realistische situaties in de Chinese steden Chengdu en Anshan. Tijdens de live-demo bleek de UPS echter ook onder dit soort omstandigheden stabiel te functioneren bij blokgolven en harmonische componenten tot wel 30 procent.

Figuur 2. Uit het dagelijks leven van de Chinese steden Chengdu en Anshan afkomstige en sterk vervormde input voor de live geteste parallelle UPS. Geel: input spanningsgolfvorm, blauw: output spanningsgolfvorm

•    Load friendly - Uit de tests kon met succes de full-load capaciteit van de UPS worden geverifieerd onder diverse belastingen, zoals RCD, pure capacitative, pure inductive en pure resistive (zie figuur 3).

Figuur 3. Links: output-spanning en de load current met RCD loads, terwijl rechts de output-spanning en load current zichtbar is bij stroom die 90 graden voor loopt op de spanning (pure capacitive).

•    Environment friendly - Onder deze noemer vallen een aantal eisen ten aanzien van de mate waarin de UPS kan omgaan met variaties in temperaturen, de luchtvochtigheid, luchtkwaliteit (met name stof) en weersomstandigheden als zoute lucht bij toepassingen op en nabij de zee. Huawei heeft hiertoe tests uitgevoerd in de Chinese provincie Hainan, waar een testlocatie werd gevonden die zich slechts 300 meter van zee bevindt. Deze locatie is met name interessant om in dit deel van China te maken vanwege hoge temperaturen, een hoge luchtvochtigheid, regelmatig optredende onweersbuien gedurende het gehele jaar en een hoge concentratie zout in de lucht. De snelheid waarmee apparatuur onder dit soort omstandigheden veroudert, is tientallen malen hoger dan in meer landelijke en gematigder omstandigheden. Tijdens de tests kwamen uiteraard soms aspecten van het ontwerp naar voren die verbeterd konden worden. Door deze punten aan te pakken was Huawei uiteindelijk in staat om de testopstelling twee jaar lang zonder problemen te laten functioneren.

Figuur 4. De testopstelling in Hainan bestaat uit een eenvoudige behuizing waar de klimatologische omstandigheden een grote invloed hadden op het functioneren van de nieuwe parallel geschakelde UPS van Huawei.

Foutisolatie

Lv Yihang gaf tijdens de demo aan dat het bereiken van een grote betrouwbaarheid van een module niet automatisch betekent dat daarmee ook de gehele modulaire UPS betrouwbaar is. Het systeem bestaat immers uit meerdere modules die onderling met elkaar verbonden zijn. Een fout in een module kan storingen veroorzaken in andere modules en zelfs ‘output outages’ veroorzaken in het gehele systeem. Er dient dus te allen tijde een mechanisme ingebouwd te worden dat zorgdraagt voor foutisolatie. Zo niet dan is een modulair of parallel systeem simpelweg minder betrouwbaar dan een conventioneel UPS.

Daarom heeft Huawei gekozen voor een ontwerp waarbij kritische componenten dubbel zijn uitgevoerd. Denk aan de main control unit, de communicatiebus, de hulpvoedingen en de ventilatoren. Daarnaast is veel werk gestoken in het ontwikkelen van technologie die bedoeld is om eventuele storingen snel te kunnen detecteren, terwijl ook voorzien is in een goede back-up van de in het systeem aanwezige software en hardware. Dat geldt voor zowel de input-, output- als batterij-poorten van het systeem. Op deze manier kan een module die onverhoopt een storing vertoont snel worden geïsoleerd.

Figuur 5. Links is het moment te waarop zich kortsluiting voordoet in een omvormer (de vlam is licht dat binnen de module wordt gegenereerd), terwijl rechts de blauwe golf laat zien dat ondanks de storing de golfvorm vrijwel niet is vervormd.

In figuur 5 is een storing te zien. Op het moment dat de kortsluiting zich tijdens de testfase in Hainan voordeed, gaf de UPS een alarm. Hoewel door de kortsluiting een IGBT (insulated gate biplot transistor) was beschadigd, bleef de UPS naar behoren in inverter mode functioneren. Zonder dat werd overgeschakeld naar bypass mode en zonder dat verder vlammen of rook werden geproduceerd. Het monitoringssysteem gaf bovendien correct aan om welke module het bij deze storing ging.

10 modules parallel

Binnen de UPS-industrie woedt al lange tijd een discussie over de vraag wat het beste aantal parallel geschakelde modules is. In eerste instantie leek consensus te ontstaan dat we het beste konden kiezen voor maximaal acht of tien modules. Daarbij werd de volgende redenatie gevolgd. De UPS is een producent van wisselspanning. Om dit soort apparaten parallel te kunnen schakelen, dient sprake te zijn van synchronisatie van fase, frequentie en amplitude. Hiervoor zijn krachtige processoren nodig evenals een high-speed communicatie tussen de diverse modules. Daarmee kan vrij eenvoudig de bovengrens worden bepaald: 8 tot 10.

Tot 2000 vormde deze overwegingen inderdaad een bottleneck. Doordat processoren veel krachtiger zijn geworden (met name de speciale digital signaling processors die in dit soort systemen worden gebruikt) en de snelheid waarmee data kan worden uitgewisseld eveneens fors is toegenomen (van kbit/s naar Mbit/s) is van de hiervoor genoemde beperking in het aantal parallelle modules inmiddels helemaal geen sprake meer.

Synchronisatie is nog steeds van cruciaal belang. Ontstaat er een asynchrone situatie dan levert dat onherroepelijk niet te controleren lusstromen binnen het parallelle systeem. Daarmee is de belangrijkste indicator voor het prestatieniveau van een parallelle UPS de lusstroom van het systeem. Die moet volgens de huidige standaarden minder dan 5 procent bedragen. Zijn vier UPS’en parallel geschakeld bij gebruik van de gangbare tower mounted mode dan bedraagt de lusstroom circa 5 procent. Lv Yihang nodigde technici die tijdens de demo aanwezig waren om lusstroomtesten uit te voeren op het systeem met 160 parallelle UPS’en. De tests lieten 1,7 procent als maximum zien (zie figuur 6).

Volgens Lv Yihang kunnen we verwachten dat veel UPS-fabrikanten op basis van de momenteel beschikbare technologie parallelle UPS’en zullen uitbreiden die bestaan uit maximaal 20 tot 40 modules. Huawei wil echter een stap verder en investeert daarom nadrukkelijk in UPS-systemen die uit veel grotere aantallen parallel geschakelde modules kunnen bestaan.