Hầu hết các UPS ngày nay đều đã được trang bị tính năng tiết kiệm điện. Nhưng theo các dữ liệu thu thập, rất ít TTDL kích hoạt tính năng này vì chứa đựng nhiều rủi ro tiềm ẩn.
Thuật ngữ “Eco-mode” (chế độ tiết kiệm) xuất hiện trên một sản phẩm để định nghĩa trạng thái tiêu hao ít năng lượng hơn bình thường, chứ không đề cập đến phương diện kinh tế. Với điện thoại di động hay ô tô, chế độ này mô tả tình trạng hoạt động tối thiểu, chỉ sử dụng những tính năng cơ bản nhất ở công suất thấp nhằm giảm thiểu năng lượng cần thiết. Điều này ảnh hưởng đến hoạt động tổng thể của thiết bị, và tùy thuộc vào công việc mà thiết bị đang thực hiện.
Riêng với UPS, ngoài tính năng chính là bảo vệ thiết bị quan trọng không bị mất điện nhờ nguồn cung cấp dự phòng, UPS còn một tính năng khác là cung cấp nguồn điện “sạch” với tần số ổn định. Tương tự các thiết bị khác, mục tiêu của “eco-mode” là nâng hiệu suất và giảm thiểu năng lượng cần dùng trong UPS. Hiệp hội Green Grid (*) định nghĩa “eco-mode” là “một trong những chế độ hoạt động của UPS giúp cải thiện hiệu quả tiết kiệm năng lượng, nhưng tùy vào công nghệ UPS, có thể phải đánh đổi bằng hiệu năng sử dụng”.
(*) Hiệp hội Green Grid (thegreengrid.org) là hiệp hội phi lợi nhuận, hỗ trợ các công ty công nghệ thông tin và truyền thông (ICT), các nhà hoạch định chính sách, các nhà cung cấp công nghệ, các kiến trúc sư cơ sở và các công ty tiện ích làm việc để cải tiến và hiệu quả thiết bị công nghệ thông tin (CNTT) và tài nguyên trung tâm dữ liệu (TTDL) trên khắp thế giới.
Câu hỏi đặt ra là, liệu chế độ eco có ảnh hưởng đến hoạt động của UPS, khiến hệ thống tổng thể ít tin cậy hơn và đặt các thiết bị được bảo vệ vào nguy cơ cao hơn chế độ hoạt động thông thường? Có cách nào để chế độ eco vẫn tiết kiệm điện mà không ảnh hưởng đến hiệu suất hoặc độ tin cậy? Mục tiêu của bài viết này là xem xét kỹ hơn các chế độ hoạt động của UPS, cách thức chúng ảnh hưởng đến TTDL và các cơ sở quan trọng khác.
Hiệu quả điện năng
Có thể đo lường hiệu quả điện năng trong TTDL bằng nhiều số liệu khác nhau, trong đó, hiệu quả sử dụng điện năng (PUE) do Green Grid tạo ra là chỉ số thường được sử dụng nhất. Chỉ số này so sánh tổng năng lượng của TTDL với năng lượng sử dụng để vận hành thiết bị CNTT. TTDL tối ưu sẽ có giá trị PUE là một, trong đó tất cả năng lượng điện đi vào TTDL đều được trực tiếp sử dụng để cấp nguồn cho thiết bị CNTT. PUE lớn hơn một nghĩa là một phần của tổng công suất đã chuyển cho các hệ thống phụ trợ, như hệ thống làm mát, ánh sáng, và truyền dẫn điện. Chỉ số PUE càng cao, lượng điện tiêu thụ bởi các hệ thống phụ trợ càng nhiều, đồng nghĩa TTD hoạt động càng kém hiệu quả.
Khi thiết kế TTDL, hầu hết các kỹ sư, chủ đầu tư và các nhà khai thác tập trung vào những hệ thống làm mát tự nhiên như gió, khí hậu lạnh… để giảm chỉ số PUE và tăng hiệu quả TTDL. Tuy nhiên, chính hệ thống truyền dẫn cũng bị thất thoát điện do thiết bị và hệ thống phân phối kém hiệu quả.
Trung bình, tổn thất hệ thống phân phối điện có thể chiếm từ 10 - 12% tổng năng lượng tiêu thụ bởi TTDL. Ví dụ: một TTDL có công suất tổng thiết bị CNTT là 2 MW và PUE trung bình 1,45 (2,9 MW tổng tải) sẽ thiệt hại 348 kW điện và tốn khoảng 300.000 USD mỗi năm cho năng lượng bị lãng phí.
Việc lãng phí chi phí năng lượng trong khi ngân sách ngày càng siết chặt đã buộc các kỹ sư và chủ sở hữu phải xem xét kỹ hơn các hệ thống điện để tìm cách loại bỏ tổn thất càng nhiều càng tốt.
Hệ thống phân phối điện điển hình
Trong hệ thống phân phối điện TTDL điển hình, có bốn thành phần gây thất thoát điện nhiều nhất:
1. Trạm biến áp: Biến áp không tải gây tổn thất
2. Các thanh phân phối nguồn (PDU): Biến áp không tải gây tổn thất
3. Bộ nguồn các thiết bị CNTT: Bộ chỉnh lưu và biến áp gây tổn thất
4. UPS: Bộ chỉnh lưu và biến tần gây tổn thất
Phương pháp đầu tiên để giảm tổn thất năng lượng và không ảnh hưởng đến hoạt động của TTDL, là sử dụng các biến áp có hiệu suất cao hơn. Năm 2005, tiêu chuẩn NEMA TP-1: Guide for Determining Energy Efficiency for Distribution Transformers đã được thông qua, yêu cầu hiệu suất biến áp tối thiểu phải từ 97 - 99% tùy thuộc vào chủng loại và kích cỡ. Năm 2016, hiệu suất yêu cầu đã tăng để giảm thiểu tiêu hao năng lượng, các máy biến áp hiệu suất cao phải đạt tỉ lệ trên 99,5%.
Một phương pháp khác là loại bỏ các thiết bị gây tổn thất cao. Phương pháp này đòi hỏi chiến lược triển khai phù hợp, như thực hiện phân phối dòng điện xoay chiều (AC) và dòng một chiều (DC) cao áp để loại bỏ các biến áp trong PDU, biến tần trong UPS, và bộ chỉnh lưu trong bộ nguồn các thiết bị CNTT. Mỗi chiến lược có những ưu điểm và thách thức có thể ảnh hưởng đến hoạt động của TTDL, vì vậy, cần được đánh giá kỹ càng khi lập kế hoạch triển khai.
Phương pháp thứ ba, hiện đang được các nhà sản xuất thiết bị điện xúc tiến và một số TTDL bắt đầu triển khai, liên quan đến hoạt động của chế độ eco trong hệ thống UPS. Chế độ này giúp tăng hiệu quả bằng cách loại bỏ hao tổn của bộ chỉnh lưu và biến tần UPS.
Phân loại UPS
Tổ chức International Electrotechnical Commission (IEC) phân UPS thành từng loại theo hiệu suất:
• Điện áp/tần số phụ thuộc nguồn vào (Voltage/frequency dependent - VFD): UPS bảo vệ tải tránh mất điện, có điện áp và tần số đầu ra phụ thuộc nguồn điện lưới.
• Điện áp độc lập với nguồn vào (Voltage independent - VI): là bản nâng cấp của VFD. UPS cung cấp điện áp ổn định nhờ bộ ổn áp được tích hợp sẵn. Tần số đầu ra vẫn phụ thuộc nguồn vào.
• Điện áp/tần số độc lập với nguồn vào (Voltage/frequency independent - VFI): Là loại UPS có cách thức hoạt động khác biệt hoàn toàn, có thể cung cấp dòng điện ổn định cả về tần số so với VI. Điện áp đầu ra và tần số độc lập với nguồn đầu vào.
Trọng tâm bài viết này sẽ dựa trên mô hình UPS VFI, hay còn gọi là UPS “trực tuyến” (online) hay UPS chuyển đổi kép. Khi hoạt động bình thường, các mạch chỉnh lưu/biến tần đều hoạt động. Điện năng được chuyển đổi từ AC sang DC ở bộ chỉnh lưu và sau đó từ DC trở về AC tại biến tần, qua hai lần chuyển đổi nên được gọi là chuyển đổi kép (double-conversion). Ngoài ra, UPS chuyển đổi kép cũng được trang bị một đường vòng (bypass), tránh đi qua mạch chỉnh lưu/biến tần trong điều kiện UPS bị lỗi.
Chế độ eco truyền thống
Trước đây, UPS hoạt động ở chế độ eco nghĩa là dòng điện từ công ty điện lực sẽ theo đường bypass trực tiếp cung cấp cho tải, không được điều chỉnh để cung cấp nguồn điện “sạch”, có sóng sin chuẩn 100%. Lúc này, biến tần ở trạng thái chờ (standby) và hoạt động ngay khi mất nguồn điện lưới, giúp hạn chế tối đa tổn hao năng lượng ở bộ chỉnh lưu và biến tần.
Hệ thống UPS khi hoạt động chuyển đổi kép có hiệu suất trung bình là 90% ở mức tải 30%, và đến 94% ở mức tải 100%. Tỷ lệ này có thể tăng lên hoặc giảm xuống tùy vào công nghệ sử dụng và việc có lắp đặt thêm một máy biến áp ở nguồn đầu vào của UPS hay không.
Khi bộ chỉnh lưu và biến tần ở trạng thái standby (chế độ eco), hiệu quả UPS có thể tăng lên 98% hoặc 99%. Sự gia tăng hiệu năng đồng nghĩa ít sinh nhiệt, giảm yêu cầu làm mát. Green Grid ước tính, giá trị PUE sẽ cải thiện khoảng 6% khi chuyển cơ chế hoạt động từ chuyển đổi kép sang eco.
Hạn chế của chế độ eco truyền thống
• Nguồn điện không “sạch”: Các tải quan trọng được cung cấp trực tiếp bởi điện lưới, một nguồn điện không ổn định và không đảm bảo tin cậy 100%.
• Thời gian chuyển mạch: Cần một ít thời gian khoảng vài mili giây để UPS thực hiện một loạt thao tác khi mất nguồn điện, gồm khởi động bộ biến tần, chuyển năng lượng từ pin lên và ngắt đường bypass. Thời gian này có thể vẫn nằm trong giới hạn cho phép của máy chủ, nhưng lại có tác động đến các thành phần khác trong cả hệ thống phân phối điện.
• Sóng hài: Chế độ chuyển đổi kép ngăn cách nguồn điện lưới và máy phát khỏi sóng hài của tải. Trong khi ở chế độ eco, chức năng lọc sẽ bị ngắt và sóng hài sinh ra từ tải sẽ truyền ngược trở lại cả hệ thống điện. Sóng hài làm tăng nhiệt độ trong các thiết bị và dây dẫn, giảm tuổi thọ của thiết bị.
• Sốc nhiệt: Khi UPS chuyển tải sang sử dụng biến tần có thể gây ra sốc nhiệt, làm hư hỏng các bảng mạch điện tử ngay thời điểm UPS cần thực hiện đúng vai trò quan trọng nhất.
• Phân biệt sự cố: Dưới chế độ chuyển đổi kép, khi có lỗi xảy ra trong quá trình hoạt động, UPS sẽ chuyển sang đường bypass để đảm bảo vẫn có nguồn điện cung cấp cho các thiết bị bên dưới. Nhưng khi ở chế độ eco, UPS sẽ khó xác định nguyên nhân sụt giảm điện áp là do có lỗi xảy ra hay thật sự bị mất nguồn điện đầu vào, và vị trị lỗi là ở nguồn điện đầu vào hay ở tải mà UPS cung cấp, hay do chính bản thân UPS đang xảy ra lỗi? “Phán đoán sai lầm” khiến UPS vẫn chuyển sang dùng biến tần trong khi chính bản thân UPS bị lỗi, kéo theo nhiều hệ lụy làm tăng thời gian chẩn đoán lỗi và tệ hơn nữa là gây ra nguy hiểm cháy nổ cho thiết bị và tính mạng con người.
Nâng cấp chế độ eco
Với những tiến bộ trong các chương trình điều khiển, nhiều nhà sản xuất đã nâng cấp và tạo ra chế độ eco cao cấp hơn. Ở chế độ mới này, biến tần vẫn duy trì hoạt động song song với đường bypass nhưng không thực sự xử lý tải.
Khi biến tần vẫn hoạt động, phần lớn thách thức của chế độ eco truyền thống sẽ bị loại bỏ hoặc giảm thiểu hậu quả.
Nguồn điện không “sạch”: Vì biến tần vẫn được kết nối, nên bất kỳ dao động điện nào nằm ngoài giới hạn định trước, tải sẽ được bảo vệ ngay lập tức ở trạng thái chuyển đổi kép.
Thời gian chuyển mạch: Với eco mới, biến tần không cần thời gian để khởi động. Nguồn điện có thể cung cấp không gián đoạn từ ắc-quy; hoặc UPS chuyển sang chế độ chuyển đổi kép với thời gian chuyển mạch bằng không khi điều kiện dòng điện vượt quá giới hạn định trước.
Sóng hài: Biến tần vẫn hoạt động nên có thể hấp thụ và lọc dòng điện có mang sóng hài.
Một điểm cần lưu ý với chế độ eco mới: do biến tần vẫn hoạt động “ngầm” nên vẫn có một ít tổn hao xảy ra. Nhưng tựu chung, hiệu suất tổng thể vẫn cao hơn và vẫn đảm bảo được độ tin cậy mà chế độ eco truyền thống không thể đảm bảo.
Kết luận
Chế độ eco truyền thống có nhiều tác động tiêu cực làm suy giảm độ tin cậy. Do đó, các nhà khai thác TTDL trước đây không sẵn lòng đặt các tải quan trọng hoạt động ở chế độ tiết kiệm này. Nhưng khi ngân sách bị siết chặt và chi phí hoạt động tiếp tục tăng cao, nhiều nhà khai thác đang hướng tới eco như một phương thức để cắt giảm chi phí.
Các nhà sản xuất ngành điện đã nhanh chóng đáp ứng với các thế hệ UPS mới có chế độ eco tiên tiến hơn, loại bỏ những nguy cơ của chế độ eco truyền thống. Tuy nhiên, một số vấn đề như sốc nhiệt và phân biệt sự cố vẫn tồn tại, cần được xem xét khi triển khai và vận hành chế độ eco. Chìa khóa cho một thiết kế tốt là không làm suy giảm độ tin cậy của cơ sở trong quá trình hoạt động.
Lâm Tấn Minh Tâm
Theo : Theo CSE Magazine.
