Gesicherte Wechselstromversorgung - USV Anlagen

USV steht für Unterbrechungsfreie StromVersorgung (eng. UPS - uninterruptible power supply) und beschreibt Stromversorgungsanlagen, die gerade im IT/ Rechenzentrumsbereich weit verbreitet sind. Die Anlagen bestehen aus einem Gleichrichter, welcher die Wechselspannung des Versorgungsnetzes in Gleichspannung umwandelt und einen Wechselrichter, welcher diese zurück in Wechselspannung wandelt. Jetzt kann man sich fragen weshalb den Aufwand betreiben, wenn am Ende das selbe herauskommt? Das hat mehrere Gründe. Zum einen wird im "Zwischenkreis", dem DC Teil, eine Batterie parallel geschaltet. Diese kann bekanntlich ausschließlich mit Gleichstrom betrieben werden und eine unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage benötigt dem Wortsinn entsprechend ein Speichermedium um eventuelle Netzausfälle zu überbrücken. Zum anderen wird für die zu versorgende Technik häufig eine bestimmte Netzqualität gefordert, welche durch die USV Anlage bereitgestellt werden kann. So können je nach Klasse der USV etwa Über-/ Unterspannungen sowie Spannungsspitzen ausgeregelt werden.

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Da sich die Anforderungen an Größe und Qualität je nach Anwendungsgebiet stark unterscheiden können werden verschiedene Anlagenklassen angeboten. Zunächst kann zwischen dynamischen und statischen USV Anlagen unterschieden werden.

• Dynamische USV Anlagen haben statt dem weiter verbreiteten Batteriespeicher einen kinetischen Speicher in Form einer Schwungmasse. D.h. es wird im Normalbetrieb ein Schwungrad mit großer Masse angetrieben, dessen Energie bei Stromausfall durch entsprechende Umformung die Versorgung der Verbraucher übernimmt. Da die hiermit möglichen Überbrückungszeiten verhältnismäßig gering sind (typisch < 20 Sekunden) wird der Anlagentyp häufig in Kombination mit Netzersatzanlagen oder sogar direkt darin integriert, sogenannte dieseldynamische Anlagen, verwendet. Die Schwungmasse übernimmt nach Netzausfall die Versorgung bis die Netzersatzanlage angelaufen und synchronisiert ist. Die Erstinvestition für eine dynamische Anlage ist meist etwas höher. Diese Kosten können sich jedoch aufgrund der längeren Lebensdauer sowie des geringeren Wartungsaufwandes je nach Ausführung nach etwa 9-10 Jahren amortisieren. Hinzu kommt der ökologische Vorteil, da im Vergleich zu Batterien weniger potenziell gefährliche Rohstoffe (Blei/ Säure) zur Anwendung kommen. Die dynamische Anlage ist zudem weniger temperaturempfindlich, so das eine Klimatisierung oder Zwangsbelüftung je nach Umgebungsbedingungen nicht oder nur in geringerem Maße bereitgestellt werden muss. Bekannte Hersteller von dynamischen USV Anlagen sind z.B.: Piller, Hitzinger oder Euro-Diesel.
• Statische USV Anlagen bestehen aus einem Gleichrichter, einem Wechselrichter und einer parallelgeschalteten Batterieanlage. Die Netzspannung wird durch den Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt, in diesem "Zwischenkreis" wird die Batterie angeschlossen. Die mögliche Überbrückungszeit dieser Anlagen hängt von der gewählten Batterieleistung ab. Häufig werden kurze Überbrückungszeiten von 10 Minuten realisiert, diese reichen z.B. aus um Server kontrolliert herunter zu fahren bzw. einen Dieselgenerator zu starten. Aber auch Reservezeiten von mehreren Stunden sind nicht unüblich. Die Gleichspannung im Zwischenkreis wird durch den Wechselrichter zurück in Wechselspannung gewandelt, durch welche auch die Verbraucher versorgt werden. Namhafte Hersteller sind u.a.: Vertiv (ehem. Emerson Network Power), ABB, AEG Power Solutions, Eltek, Benning, Delta, Gustav Klein, Huawei uvm.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal bietet die Klassifizierung nach IEC 62040-3, welche eine Unterscheidung in drei Klassen und drei Stufen vorsieht. Die Norm sieht vor den Anwendern detailliert aufzuzeigen gegen welche Störungen die jeweilige USV absichern kann. Die möglichen Fehler sind Stromausfälle, Spannungseinbrüche (Schwankungen), Spannungsstöße, Unterspannung, Überspannung, Blitzeinwirkungen/ Schaltspitzen, Störspannungen, Frequenzänderungen und harmonische Oberschwingungen. Die Klassifizierung sieht folgende Unterscheidung vor:

• Klasse 3: VFD - Voltage and Frequency Dependent USV (früher Offline oder Stand-By USV) Hier werden die Verbraucher im Normalbetrieb direkt mit dem Normalnetz versorgt, welches auch den Gleichrichter versorgt um die Batterien auf Erhaltungsladung zu halten. Kommt es zu einem Netzausfall oder auszuregelnden Spannungungsschwankungen, so wird auf den Ausgang des Wechselrichters umgeschaltet, so dass die Versorgung über die Batterien läuft. Die Umschaltung kann bis zu 10 ms dauern, das Ausregeln von Spannungsschwankungen bis zu 16 ms. Diese Zeitspanne kann für sensible Verbraucher bereits zu lang sein und zu Störungen führen.

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• Klasse 2: VI - Voltage Independent USV (früher Netzinteraktive oder Single Conversion USV) Diese USV Anlagen versorgen die Verbraucher ähnlich wie VFD Anlagen direkt mit dem Normalnetz. Zentrales Element ist hier ein bidirektionaler Wechselrichter, dieser versorgt im Normalbetrieb die Batterieanlage. Kommt es zum Netzausfall, kehrt sich der Stromfluss um und die Batterieanlage übernimmt die Versorgung der Verbraucher. Die Umschaltzeit ist deutlich kleiner und liegt bei ca. 2-4 ms und schützen damit nicht nur bei Netzausfall sondern auch bei Unter- und Überspannung.

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• Klasse 1: VFI - Voltage and Frequency Independent USV (früher Online USV) Hier wird der Netzeingang direkt auf den Gleichrichter geführt, welcher die Batterien versorgt. Über den danach geschalteten Wechselrichter werden die Verbraucher versorgt. Die Verbraucherspannung ist damit durchgängig unabhängig von der Eingangsspannung, die Umschaltung bei Netzausfall erfolgt unterbrechungsfrei. Dieser Anlagentyp ist der hochwertigste, hat jedoch aufgrund des ständig laufenden Gleich- und Wechselrichters durch deren Eigenverbrauch auch eine geringeren Wirkungsgrad (inzwischen bis zu 98 %). Um auch bei Wartungen und Störungen der Anlage eine unterbrechungsfreie Versorgung der Verbraucher zu gewährleisten ist meist ein Bypass realisiert. Hiermit kann die Anlage umgangen und Normalnetz zugeschaltet werden.

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Die Stufen 1-3 hingegen beschreiben etwa die Qualität der Ausgangssinuskurve bzw. das Verhalten bei Betriebsartwechseln etwa von Normal- auf Batteriebetrieb.

Auch kann eine Unterscheidung zwischen einzelblock Anlagen und modularen Systemen getroffen werden. 

Modulare Anlagen sind so aufgebaut, dass sich die mögliche maximal Leistung auf einzelne Module aufteilt, diese sind meist "hot plug" fähig, können also im laufenden Betrieb nachgerüstet werden. Damit kann auf Leistungsänderungen durch Anpassung der Modulanzahl flexibel reagiert werden. Dies ermöglicht es auch die Auslastung der Anlage effizient zu steuern, so dass alle Module nach ihrem Lastprofil optimal ausgelastet werden und damit der Wirkungsgrad ideal ist. Häufig können mehrere der Modulschränke parallel aufgebaut werden, so dass die Anlagen auch für große Leistungen (20 kVA - 1,5 MVA) realisiert werden können. Vorteile sind die gute Skalierbarkeit und die Möglichkeit Leistungserhöhungen im laufenden Betrieb durchführen zu können. 

Einzel- oder monoblock Anlagen können nicht über Einschübe erweitert werden. Dies ermöglicht weniger Flexibilität und erfordert somit bereits während der Planung detaillierte Kenntnis des maximalen Leistungsbedarfs, da eine Umrüstung/ Erweiterung ggf. Abschaltungen notwendig machen kann. Auch diese Anlagen sind für mit einem Leistungsspektrum zwischen 20 kVA - 2 MVA für nahezu jeden Einsatzzweck geeignet. Sehr kleine Anlagen (z.B. 500 VA), etwa zur Absicherung einer Workstation können auch als einzelblock Anlage gesehen werden.

Auch dies kann wieder nur einen groben Überblick über die Thematik geben, auf weitere Details, gerade zu den bereits erwähnten Speichermedien werde ich in den kommenden Artikeln weiter eingehen.

MW, 18.08.2017

Gesicherte Gleichstromversorgung - Übersicht

In einigen Branchen wie z.B. der Telekommunikation wird die zu versorgende Technik häufig mit Gleichstrom versorgt. Da sich für die Netzversorgung aufgrund der einfacheren Transformierung und Übetragung Wechselspannung (in Deutschland bekanntlich 230/ 400 V) durchgesetzt hat ist es notwendig diese über entsprechende Komponenten in die benötigte Gleichspannung umzuwandeln. 

Während für Vermittlungstechnik in Deutschland auf 60 V DC gesetzt wurde, hat sich international 48 V DC als Standard durchgesetzt. Auch in Deutschland findet diese Spannung immer mehr Einzug, neue Techniken werden heute fast ausschließlich mit 48 V realisiert. Für spezielle Techniken werden ebenfalls, wenn auch seltener 24 V verwendet. Derzeit wird mit 380 V DC Anlagen experimentiert, diese bieten die Möglichkeit die Leitungsquerschnitte deutlich zu reduzieren und können somit bei größeren Leistungen/ Wegstrecken Einsparungen generieren. Es gibt sicherlich noch weitere Anwendungsfälle, das zugrunde liegende Prinzip ist jedoch vergleichbar. 

Jede der Spannungsebenen bietet gewisse Vor- und Nachteile. Bekanntlich sinkt nach folgender Formel mit steigende Spannung bei gleicher Leistung der Strom:

Somit wird nach folgendem Zusammenhang mit steigender Spannung ein kleinerer Leitungsquerschnitt benötigt um etwaige Vorgaben beim Spannungsfall/ der Strombelastbarkeit einzuhalten:

Während im Beispiel für 48 V bei 10 kW Leistung eine 300 mm² Leitung verlegt werden muss, reicht für die 380 V eine 6 mm² Leitung aus. Nicht nur, dass der Aufwand für die Verlegung deutlich geringer ist, auch die Kosten unterscheiden sich erheblich. 

Nachteilig bei der erhöhten Spannung ist hingegen, dass aufgrund der Gefährlichkeit für den Menschen unter anderen Sicherheitsvoraussetzungen gearbeitet werden muss. Auch das Schalten höherer Spannungen ist gerade im DC Bereich eine Herausforderung, da aufgrund des fehlenden Nulldurchganges (wie bei der Wechselspannung) Lichtbögen entstehen können, welche es im Schalter/ der Sicherung o.ä. zu löschen gilt.

Alles in allem gilt es für jeden Anwendungsfall genau zu Prüfen welche Anforderungen zu erfüllen sind um die Ideale Anlage auszuwählen.

Nun möchte ich ein übliches Szenario kurz erläutern und auf die mögliche Versorgungsinfrastruktur näher eingehen. Es soll die Versorgung einer typischen Vermittlungsstelle eines Telekommunikationsunternehmens beschrieben werden.

Im Regelfall wird die Stromversorgung des Gebäudes über einen Hausanschluss eines Energieversorgungsunternehmens bereitgestellt. Über die Niederspannungshauptverteilung wird eine Gleichrichteranlage gespeist, welche die Netzspannung von 230/ 400 V AC in z.b. 60 V DC umwandelt. Die Vermittlungstechnik (der Verbraucher) wird von der Gleichrichteranlage mit Gleichspannung versorgt.

Gäbe es nun einen  Stromausfall, so würde auch die gleichstromversorgte Technik ausfallen, damit wäre in dem betroffenen Gebiet keine Telefonie oder Internetnutzung mehr möglich. Um einen Ausfall der Anlagen und die damit einhergehenden Schäden/ Datenverluste zu vermeiden sind zu der Gleichrichteranlage im Regelfall Batterien parallel geschaltet. Auf das Thema der Batteriespeicher gehe ich in einem folgenden Artikel genauer ein. Zunächst sind die Batterien als Speicher zu sehen, welcher im Regelbetrieb von der Gleichrichteranlage geladen wird und bei Netzausfall unterbrechungsfrei die Verbraucherlasten mit der nötigen Gleichspannung versorgt. Da Batteriespeicher recht kostenintensiv sind, werden Sie meist nur zur Überbrückung von kurzen Zeitspannen genutzt. Um längere Stromausfälle zu kompensieren kommen meist Netzersatzanlagen zum Einsatz. Dies sind Dieselmotoren, welche einen Generator antreiben und somit Wechselspannung erzeugen. Diese können netzparallel oder mit entsprechender Regelung netzsynchron laufen, auch dieses Thema wird zu einem späteren Zeitpunkt behandelt. Da Dieselgeneratoren eine gewisse Zeit benötigen um zu starten ist für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung stehts auch ein Speicher notwendig, welcher ohne Zeitverzögerung die Versorgung sicherstellt. Dies sind wie beschrieben meist Batteriespeicher, können aber z.B. auch Schwungmassen sein.

Im Normalbetrieb, d.h. die Energie wird durch das Energieversorgungsunternehmen bereitgestellt ergibt sich somit folgende Prinzipskizze:

Kommt es nun zu einer Unterbrechung der Stromversorgung auf Seite des Energieversorgers, übernimmt sofort die parallel auf der Stromschiene der Gleichrichteranlage aufgeschaltete Batterieanlage die Versorgung der Verbrauchertechnik:

Konnte der Dieselgenerator gestartet werden, so versorgt er die Gleichrichteranlage wiederum AC Seitig. Damit kann auch die Batterie wieder geladen werden (wenn gewünscht). 

Steht die Netzversorgung schließlich wieder bereit, so kann bei möglichem Synchronbetrieb der Netzersatzanlage eine Synchronisierung und Zuschaltung stattfinden. Ist keine Synchronisation möglich, muss die Netzersatzanlage abgeschaltet werden, die Batterien übernehmen wiederum die Versorgung und dann kann das Netz wieder zugeschaltet werden. Diese Schaltvorgänge sind zumeist über entsprechende Steuerungen/ Regelungen automatisiert.

Natürlich gibt es noch viele weitere Möglichkeiten der Realisierung. So kann etwa ein Wechselrichter hinter die Gleichrichteranlage geschaltet sein um auch AC-Verbraucher versorgen zu können. Ebenso denkbar ist der Einsatz von DC/DC-Wandlern um verschiedene DC Spannungen bereitstellen zu können. Auch die verschiedenen Betriebsarten der Anlagen sind ein eigenes Kapitel wert. Ich möchte zunächst jedoch einen groben Überblick geben bevor ich auf Details zu den möglichen Versorgungskonzepten komme. Als nächstes werde ich etwas zu USV (Unterbrechungsfreie Strom Versorgung) Anlagen schreiben, das sind Anlagen für die unterbrechungsfreie AC-Versorgung und deutlich weiter Verbreitet als DC-Anlagen.

MW, 14.08.2017

Gesicherte Energieversorgung - Grundlagen und Konzepte

Für die meisten ist es selbstverständlich, dass der Strom aus der Steckdose kommt. Auch zerbrechen sich nur die wenigsten den Kopf über die Verfügbarkeit und Sicherheit unserer Stromversorgung. Das hängt sicherlich auch damit zusammen, dass Ausfälle in unseren Breiten äußerst selten sind und wenn dann temporär und regional begrenzt. 
Das dies keine Selbstverständlichkeit ist habe ich das erste Mal 2012 auf einer dreiwöchigen Reise in Äthiopien erlebt. Aufgrund der Versorgungsknappheit werden abgelegenere Regionen jeweils ein paar Stunden versorgt, bevor die Energie in andere Regionen umgeleitet wird. Sogar in der Hauptstadt Addis Abeba gab es regelmäßige Stromausfälle. Um diese zu überbrücken haben etwa Hotels und Krankenhäuser so wie viele Betriebe Dieselgeneratoren für eine autarke bzw. redundante Versorgung. Die Tatsache, dass die Ausfälle mit einer gewissen Regelmäßigkeit auftreten ermöglichen es den Menschen sich auf die Ausfälle vorzubereiten und verankern das Problem in den Köpfen. 
In der westlichen Welt hat man sich hingegen so an die nahezu unterbrechungsfreie Versorgung gewöhnt, dass auf die Ausfälle kaum jemand vorbereitet ist und die Auswirkungen gravierend sein können. In Deutschland fiel im Jahr 2015 bei jedem Endkunden im Schnitt 12,7 Minuten lang der Strom aus, damit hat Deutschland mit der Schweiz und Luxemburg das sicherste Netz in Europa.
Was passiert wenn es in einem Industrieland doch einmal zu einem größeren Blackout kommt, kann man immer wieder in der Presse lesen. Erst im September 2016  gab es in Australien nach einem Sturm eine Ausfall, dieser wurde auch hierzulande diskutiert, nachdem sich Elon Musk anbot dort innerhalb von 100 Tagen einen Batteriespeicher zu errichten.
Auch in der Literatur wird das Thema aufgegriffen, Marc Elsberg hat mit seinem Buch "Blackout" ein realistisches Szenario entworfen, welches durchaus Stoff für Diskussionen aufwirft.

Mit zunehmendem Vernetzungsgrad und der mit modernen Medien und Technologien wachsenden Abhängigkeit von einer zuverlässigen Netzversorgung wird das Thema gesicherte Versorgung auch hierzulande zunehmend an Relevanz gewinnen. 
Heute wird vor allem kritische Infrastruktur wie etwa die Stromversorgung in Krankenhäusern, Rechenzentren oder Energieversorgern und Telekommunikationsunternehmen durch entsprechende Anlagen vor Unterbrechungen geschützt. Die Firma Vertiv hat erst kürzlich ein Ranking der "Most Critical Industries" erstellt, welches die Auswirkungen auf verschiedene Branchen untersucht.

Um für Stromausfälle gerüstet zu sein gibt es verschiedene technische Lösungen und Konzepte, welche je nach Anwendungsgebiet variieren. Es ist grob zwischen folgenden Fällen zu unterscheiden:

1. Unterbrechungsfreie Versorgung
2. Versorgung mit kurzen Unterbrechungen

Um eine unterbrechungsfreie Versorgung zu gewährleisten sind umfangreiche technische Maßnahmen notwendig. Diese umfassen je nach zu versorgender Technik unterbrechungsfreie Wechsel- und/oder Gleichstromversorgung (USV/ UGV Anlagen), welche durch Batterieanlagen gepuffert sind und somit ein unterbrechungsfreies Umschalten ermöglichen. 

Die integrierten Batteriespeicher sind im Normalbetrieb zu den Anlagen parallel geschaltet, so dass die Versorgung bei Netzausfall sofort übernommen wird und für die versorgte Technik keine Beeinträchtigungen entstehen. Meist sind die Batterien für eine Überbrückungszeit von 10-30 Minuten dimensioniert. Diese Zeit reicht aus um etwa Server kontrolliert herunterzufahren bzw. einen meist ebenfalls installierten Dieselgenerator hochlaufen zu lassen. Dieselgeneratoren sind für die Versorgung über längere Zeiträume konzipiert und häufig mit großen Kraftstofftanks für mehrere Stunden/Tage gerüstet. Bis ein Dieselgenerator angelaufen ist benötigt er jedoch einige Sekunden, diese Unterbrechung wäre für einige Techniken bereits nicht tolerierbar. 

Bei tolerierbaren Unterbrechungen sinkt der Aufwand zur Realisierung, so ist es z.B. möglich "nur" einen Dieselgenerator zur Ersatzversorgung bereitzustellen und diesen im Einsatzfall manuell oder automatisch zuschalten zu lassen.

Die geschilderten Anlagen und Konzepte decken nur einen kleinen Teil der Möglichkeiten ab, in den nächsten Artikeln werde ich darauf näher eingehen.

10.08.2017, MW