No contexto do aumento do consumo de eletricidade em Data Centers impulsionado pelas demandas de IA e HPC, conforme destacado na Chamada de Analistas UPS de 2023 da Omdia, o papel das fontes de alimentação ininterrupta (UPS) torna-se cada vez mais significativo.

Com os principais fornecedores de serviços em nuvem projetados para aumentar seu uso de eletricidade em 50% somente este ano, garantir energia ininterrupta se torna fundamental.

Nesse cenário, os sistemas UPS com backup de bateria distribuída desempenham papel vital na proteção das operações do setor, mantendo a qualidade da energia, protegendo os equipamentos eletrônicos da instabilidade da rede e garantindo um serviço ininterrupto para aplicações críticas.

Para compreender plenamente a importância e a funcionalidade dos sistemas UPS com baterias distribuídas, é essencial aprofundar seu funcionamento e benefícios. Aprender como esses sistemas operam e seu profundo impacto na resiliência do Data Center revela informações valiosas sobre como proteger a continuidade operacional em meio a crescentes demandas de energia e possíveis interrupções.

Continue lendo para explorar a tecnologia por trás da UPS com baterias distribuídas e seu papel crucial na alimentação da infraestrutura digital de amanhã.

Visão geral dos sistemas UPS

Os operadores e proprietários de Data Centers geralmente escolhem entre várias arquiteturas de UPS para aplicações de sistemas de maior potência, especialmente aquelas que executam instalações de grande escala. O tipo de sistema UPS é um fator essencial para a configuração de backup de bateria de energia elétrica. Isso inclui sistemas UPS monolíticos e modulares.

Sistema UPS monolítico: Um UPS monolítico oferece proteção de energia satisfatória para operações críticas, funcionando como uma unidade singular ou dentro de um conjunto integrado de subsistemas. Embora possa fazer parte de sistemas paralelos e de barramento duplo, falta redundância interna e escalabilidade para mudanças significativas de energia.

Sistema UPS modular: Um sistema UPS modular consiste em uma estrutura preenchida com módulos de energia que podem ser organizados com base na capacidade e redundância. Cada módulo de energia em um UPS modular funciona de forma independente, permitindo a remoção ou instalação segura mesmo em um sistema ativo, conhecido como “hot swapping” e “hot scaling”.

A importância da integração da bateria na confiabilidade e infraestrutura do UPS

As baterias desempenham um papel vital no funcionamento do sistema de energia quando a rede falha. Eles armazenam energia elétrica durante as operações normais da rede e oferecem energia de backup durante interrupções.

Nos Data Centers, eles facilitam uma transição perfeita para fontes de armazenamento de energia de backup de longo prazo, como geradores, mantendo as operações de TI ininterruptas. Proprietários e operadores escolhem entre diferentes opções de suporte ao sistema UPS com benefícios e compensações variados.

Arquitetura de bateria centralizada

A arquitetura centralizada da bateria nos sistemas UPS conecta todas as baterias a um ponto, oferecendo instalação simples e economia para os componentes primários. No entanto, isso pode levar a custos mais altos para dispositivos auxiliares, como disjuntores de bateria.

Embora os sistemas centralizados tenham limitações no isolamento de falhas, os proprietários e operadores de Data Centers podem aplicá-los em no-breaks monolíticos e modulares.

Arquitetura de bateria distribuída

A arquitetura de bateria distribuída usa uma abordagem modular, emparelhando cada módulo de energia com gabinetes de bateria dedicados para proteção aprimorada da carga. Os no-breaks monolíticos não têm modularidade e não podem funcionar com baterias distribuídas em um único sistema.

Essa arquitetura é compatível apenas com sistemas UPS modulares. No entanto, nem todos os no-breaks modulares suportam configurações de bateria distribuída devido às limitações de configuração da barra de alimentação CC.

Comparando a dependência do sistema de configurações de bateria centralizadas e distribuídas

As baterias distribuídas aumentam as vantagens de um sistema UPS modular, enquanto as baterias centralizadas vêm com várias compensações a serem consideradas. Ter um sistema UPS modular com baterias distribuídas oferece inúmeros benefícios, especialmente em termos de interrupções de energia entre o disjuntor da bateria (BCB) e o UPS, isolamento de falha da bateria, custos de proteção de energia elétrica e disponibilidade e confiabilidade.

Curto-circuito BCB e UPS

Os sistemas de bateria distribuída são mais eficientes em caso de curto-circuito entre o disjuntor da bateria (BCB) e o no-break. Esse problema pode surgir da perda de isolamento do cabo de alimentação CC devido a fatores ambientais, problemas de equipamento, interferência externa e infraestrutura envelhecida.

Riscos de interrupção de energia em configurações de bateria centralizadas

Um curto-circuito entre o BCB e o UPS em um sistema centralizado pode interromper a energia, danificar o equipamento e causar tempo de inatividade. Fusíveis queimados no conversor DC/DC desligam a energia de backup do UPS em caso de falha da rede elétrica, comprometendo a transição perfeita do backup da bateria.

Resiliência do sistema de energia de baterias distribuídas

Em contraste, a configuração da bateria distribuída é mais resiliente. Apenas o grupo de baterias conectadas é afetado se ocorrer um curto-circuito entre o BCB e o no-break, deixando o restante operacional.

Esse isolamento evita um desligamento em todo o sistema, garantindo o fornecimento contínuo de energia para cargas não afetadas. Ao contrário das arquiteturas centralizadas com vulnerabilidades inerentes, as baterias distribuídas aumentam a disponibilidade do sistema e a tolerância a falhas.

Isolamento de falha da bateria

Os sistemas UPS podem enfrentar falhas de bateria em diferentes cenários, apresentando desafios para a confiabilidade e o desempenho da infraestrutura de energia de backup. Podem ocorrer problemas como perdas de isolamento, curtos-circuitos e mau funcionamento. O UPS faz interface com o BCB para controlar viagens para maior segurança.

Caso 1: BCB pode eliminar a falha

Durante uma falha no gabinete da bateria em um sistema de bateria centralizado, as baterias restantes ainda podem alimentar totalmente a carga se o BCB conseguir isolar a falha. No entanto, essa redundância é apenas por um tempo mais curto devido à capacidade reduzida com um gabinete de bateria a menos.

Por outro lado, a carga continua a ser fornecida por meio de baterias em plena carga em um sistema distribuído durante a falha do gabinete com isolamento de falha do BCB. O núcleo impactado inicialmente extrai energia das baterias restantes e continua a fornecer carga total com o núcleo restante em sobrecarga.

Caso 2: BCB não pode eliminar a falha

Se o BCB não puder eliminar a falha da bateria, as arquiteturas de bateria distribuídas oferecem melhor tolerância a falhas do que as centralizadas. Em configurações centralizadas, uma única falha no banco de baterias pode se espalhar pela distribuição de energia CC, arriscando fusíveis de conversor CC/CC queimados e perda de energia de backup.

Por outro lado, as baterias distribuídas aumentam a resiliência do sistema isolando as conexões elétricas. Isso limita as falhas em grupos específicos de baterias, evitando interrupções generalizadas.

Custos de proteção de energia CC

Em configurações de sistema de energia centralizado, cada BCB deve lidar com a corrente de strings "N-1" ou quando o sistema continua a operar em capacidade total, mesmo com a falha de uma string.

Durante um curto-circuito interno em uma corda, todas as outras cordas de bateria insistirão em suportar a falha, o que pode sobrecarregar o dispositivo de proteção. Os padrões globais exigem que os dispositivos de proteção de energia sejam dimensionados para garantir a interrupção da corrente sem ruptura.

O aumento do número de gabinetes de bateria representa desafios em termos de custo e disponibilidade de componentes. Por exemplo, em uma configuração com quatro gabinetes, os BCBs devem lidar com a corrente de três gabinetes, enquanto em uma configuração de oito gabinetes (ver Fig. 4), eles devem gerenciar a corrente de sete gabinetes.

Os BCBs, geralmente externos, precisam de dimensionamento com base nos requisitos de capacidade de armazenamento, levando a BCBs com classificação de corrente mais alta e maiores custos de proteção de energia CC.

As arquiteturas de armazenamento de energia distribuída envolvem a distribuição de módulos de bateria em gabinetes separados. Como cada BCB é responsável apenas por gerenciar a corrente dentro de seu grupo de gabinetes designado, essa configuração reduz significativamente a carga atual e os custos associados.

Embora normalmente esteja ligado a custos mais altos, isso só às vezes acontece quando se considera o custo geral da solução.

Disponibilidade e confiabilidade do sistema

As configurações de bateria distribuída têm vantagens de manutenção, principalmente na instalação do BCB. Um sistema de bateria centralizado com um BCB para todas as baterias tem uma vulnerabilidade crítica – um único ponto de falha.

Essa configuração faz com que todas as baterias sejam desconectadas simultaneamente pelo disjuntor. A manutenção ou substituição das baterias torna-se difícil porque qualquer ação em um gabinete de bateria afeta todos os gabinetes, evitando falhas de energia de backup durante a manutenção.

As configurações de bateria distribuída oferecem melhor facilidade de manutenção e contenção de falhas. Várias redes de bateria aumentam a confiabilidade, evitando pontos únicos de falha, garantindo o fornecimento contínuo de energia durante falhas. Este sistema aumenta a confiabilidade da energia, reduz interrupções, otimiza a capacidade de armazenamento de energia e reduz os custos operacionais.

Instalação de BCBs individuais por gabinete de bateria ou grupo

Quer as baterias sejam centralizadas ou distribuídas, BCBs individuais podem ser instalados para cada gabinete ou grupo de baterias, eliminando pontos únicos de falha e desconexão. Isso minimiza o tempo de inatividade e aumenta a disponibilidade do sistema, mas com custos mais altos.

No entanto, devido à lógica centralizada, o no-break ainda não pode controlar cada BCB individualmente em configurações de bateria centralizadas e sistemas de no-break monolíticos.

Conclusão

Os sistemas de bateria distribuída oferecem soluções robustas com melhor tolerância a falhas, disponibilidade e economia de custos em relação aos sistemas centralizados. Eles se destacam em isolar falhas, garantir o fornecimento de energia ininterrupto e reduzir os riscos de desligamentos em todo o sistema.

Ao gerenciar módulos de bateria em gabinetes separados, esses sistemas reduzem os custos de proteção de energia CC e aumentam a eficiência, tornando-os uma escolha atraente para infraestrutura UPS confiável.

O UPS Vertiv Liebert Trinergy Cube é um exemplo de inovação tecnológica e excelência operacional, destacando-se como a solução de UPS modular preferida para empresas que buscam confiabilidade e escalabilidade incomparáveis.

Ele se integra a sistemas de bateria para energia, controle e monitoramento ininterruptos, garantindo resiliência e eficiência. Com o suporte da Vertiv, este UPS protege operações críticas e apoia o crescimento futuro com seu design modular dinâmico.

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