Fortschrittliche USV-Regelungsstrategien reduzieren Infrastrukturbelastungen durch KI-Workloads

Der steigende Einsatz von KI-Anwendungen verändert die Anforderungen an die Energieversorgung von Rechenzentren grundlegend. Insbesondere hochdynamische GPU-Workloads führen zu extremen Leistungsschwankungen, die klassische USV-Konzepte an ihre Grenzen bringen. Der folgende Fachbeitrag zeigt, wie moderne USV-Regelungsstrategien dazu beitragen können, Batteriesysteme und vorgelagerte Infrastruktur gezielt zu entlasten und die Betriebssicherheit in KI-Rechenzentren nachhaltig zu erhöhen. Von Thomas Raggi und Puya Forghani

Moderne KI-Computing-Umgebungen stellen neue und erhebliche Anforderungen an das Energiemanagement in Rechenzentren. Insbesondere GPU-Cluster zeichnen sich durch extrem dynamische Lastprofile aus: Leistungswechsel von Leerlauf zu Volllast erfolgen innerhalb von Millisekunden. Diese schnellen Lastsprünge belasten nicht nur die Stromversorgung, sondern wirken sich auf die gesamte elektrische Infrastruktur aus – von Batteriesystemen über Schaltanlagen bis hin zu Netz- und Generatoranbindungen.

Konventionelle USV-Konzepte sind für diese Dynamik nur begrenzt ausgelegt. Neue Regelungsansätze auf USV-Ebene ermöglichen es jedoch, die durch KI verursachten Leistungsschwankungen gezielt abzufangen und sowohl Batteriesysteme als auch vorgelagerte Infrastruktur wirksam zu schützen.

Schutz der Batteriesysteme durch intelligente Lastentkopplung

In klassischen USV-Betriebsmodellen werden Batteriesysteme häufig bereits bei sehr kurzen Laständerungen aktiviert. Die Folge sind zahlreiche Mikro-Entladezyklen, die die Batterien altern lassen und ihre Lebensdauer deutlich verkürzen.

Ein moderner Regelungsansatz setzt hier an, indem schnelle Lastsprünge intern innerhalb der USV abgefangen werden. Technisch erfolgt dies über eine dynamische Regelung der Zwischenkreisspannung (DC-Link). Dadurch steht ausreichend Energie zur Verfügung, um plötzliche Leistungsanforderungen abzufedern, ohne das Batteriesystem einzubeziehen.

Laboruntersuchungen zeigen, dass auf diese Weise Lastsprünge von 0 auf 100 Prozent sowie kurzfristige Überschreitungen darüber hinaus absorbiert werden können, während die Batterien von unnötigen Lade- und Entladevorgängen entkoppelt bleiben.

Für den Rechenzentrumsbetrieb ergeben sich daraus mehrere Vorteile:

• Die volle Backup-Energie bleibt für tatsächliche Netzausfälle verfügbar
• Die Batterielebensdauer verlängert sich signifikant
• Wartungs- und Austauschzyklen werden reduziert
• Die Gesamtzuverlässigkeit der Stromversorgung steigt
• Unterschiedliche Batterietechnologien wie Lithium-Ionen-, VRLA- oder Nickel-Zink-Batterien können unterstützt werden

Glättung der Eingangsleistung zum Schutz vorgelagerter Infrastruktur

Neben den Batteriesystemen geraten durch KI-Lastprofile auch vorgelagerte Komponenten unter Stress. Transformatoren, Schaltanlagen, Generatoren und Netzanschlüsse sind in der Regel nicht für extrem schnelle Leistungsänderungen ausgelegt.

Ein ergänzender Regelungsmechanismus zielt darauf ab, diese Lastschwankungen zu glätten, bevor sie an die vorgelagerte Infrastruktur weitergegeben werden. Die USV fungiert dabei als aktiver Leistungspuffer: Leistungsspitzen werden temporär aufgenommen oder abgegeben, sodass die Eingangsleistung für Netz oder Generatoren stabil und vorhersehbar bleibt.

Technische Validierungen belegen unter anderem:

• Deutlich reduzierte thermische und elektrische Belastung vorgelagerter Komponenten
• Verbesserte Generatorstabilität bei wechselnden KI-Lasten
• Bessere Einhaltung von Vorgaben seitens der Netzbetreiber
• Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Lastprofile und Betriebszustände

Die Regelung basiert auf der kontinuierlichen Berechnung der mittleren Ausgangsleistung. Schwankungen werden innerhalb eines definierbaren Toleranzbereichs kompensiert.

Intelligentes State-of-Charge-Management

Eine zentrale Rolle spielt dabei das Ladezustandsmanagement (State of Charge, SOC) der Batterie. Ziel ist es, die Glättungsfunktion zuverlässig bereitzustellen, ohne die primäre Aufgabe der Batterie – die Notstromversorgung – zu beeinträchtigen.

Hierfür wird der Lade- und Entladebetrieb auf ein definiertes SOC-Fenster begrenzt. Bei Generatorbetrieb kann dieser Bereich erweitert werden, um zusätzliche Stabilität auf der Eingangsseite zu erreichen. Auf diese Weise wird ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Betriebssicherheit, Batterieverfügbarkeit und Infrastrukturentlastung erzielt.

Validierung unter realistischen KI-Lastbedingungen

Die beschriebenen Regelungsstrategien wurden in umfangreichen Tests mit realitätsnahen KI-Lastprofilen untersucht. Dabei kamen unter anderem unterschiedliche Lastsprünge, Frequenzen, Duty-Cycles sowie verschiedene Batteriekonfigurationen zum Einsatz.

Über alle Szenarien hinweg zeigte sich ein konsistentes Bild: Trotz extremer Schwankungen auf der Ausgangsseite blieb der Eingangsstrom stabil. Damit konnte nachgewiesen werden, dass sowohl Batteriesysteme als auch vorgelagerte Infrastruktur wirksam geschützt werden.

Ausblick: Energieversorgung für KI-Rechenzentren neu denken

Mit dem weiteren Wachstum von KI-Anwendungen wird die Fähigkeit, hochdynamische Leistungsprofile sicher zu beherrschen, zu einem entscheidenden Faktor für die Verfügbarkeit von Rechenzentren. Fortschrittliche USV-Regelungen zeigen, dass bestehende Stromversorgungskonzepte durch intelligente Steuerungsstrategien deutlich leistungsfähiger gemacht werden können.

Anstatt Batteriesysteme ausschließlich als passive Notstromreserve zu betrachten, werden sie integraler Bestandteil eines aktiven Energiemanagements. Für Betreiber von KI- und High-Performance-Rechenzentren eröffnet dies neue Möglichkeiten, ihre Infrastruktur stabiler, effizienter und langlebiger auszulegen.

Mehr dazu unter Advanced UPS controls mitigate risks of infrastructure stress from AI workloads' power swings