UPS 并联冗余方式

从一般原理上讲，普通在线式 UPS 都可直接并联，但应说明的一点是，这些 UPS 必须由 同一路电网供电。在这种情况下，UPS 的逆变器永远在跟踪旁路市电，由于这些 UPS 都在跟 踪同一路市电，也就相当于互相在相位上跟踪。这些 UPS 在频率和相位上都是一致的，因此 可以并联，但这种并联是不保险的，主要原因如下。  虽然它们都在频率和相位上跟踪旁路，但在相位上有超前和落后之分。一般大容量 UPS 的相位跟踪误差为±3°，如果这两台并联的 UPS 一个是+3°，另一个是-3°，那么它们两 个并联后就有可能在相位上差了 6°，这就有可能使输出电压相差 30V，将会在 UPS 输出端 造成很大的环流，使逆变器因过载而烧毁。如图 1-3（a）第 3 章 交流不间断电源 UPS 19  图 1.33 在两台 UPS 电源之间所可能形成的环流示意图  虽然它们都在频率和相位上跟踪旁路，但在相位上有超前和落后之分。一般大容量 UPS 的相位跟踪误差为±3°，如果这两台并联的 UPS 一个是+3°，另一个是-3°，那么它们两 个并联后就有可能在相位上差了 6°，这就有可能使输出电压相差 30V，将会在 UPS 输出端 造成很大的环流，使逆变器因过载而烧毁。如图 1-3（a）  另外，虽然是同型号、同规格的 UPS 逆变器，但逆变器参数和和变压器参数的微小差异 会导致输出电压不一样，比如一个为 218V 而另一个为 220V，也将会在 UPS 输出端造成很大 的环流，使逆变器因过载而烧毁。如图 1-3（b）  UPS 并联连接的目的是提高 UPS 供电系统的可靠性，增加了 UPS 系统的容量。而并联连 接要解决的关键问题是处于并机状态的各台 UPS 的逆变器，应在同时同步跟踪交流旁路电源 的条件下，满足同幅度、同频率和同相位的要求，以达到均分负载和环流为零的目的。  当并联 UPS 系统中任何一台的逆变器出现故障 (包括过载、短路相蓄电池过放电而停止 工作等)时，均不能将本身的负载单独转到旁路上，而是将负载分配到与其并联的其他 UPS 上去。只有并联系统申所有 UPS 的逆变器都停止工作时，才集体转到旁路上。  因此一套设计完善的 UPS 并机冗余供电系统必需具备以下功能:  锁相同步调节功能  为确保 UPS 电源能安全、可靠地执行市电交流旁路供电与逆变器供电的切换操作，要求 UPS 的逆变器电源的输出频率和相位必须尽可能的与交流旁路的市电电源保持一致，即二者 处于严格的锁相同步跟踪状态。对处于并机系统的二台 UPS 逆变器来说，同步跟踪同一市电 的同时，还必须对出现在两台 UPS 相互之间的相位差进行微调使之尽可能地趋向于 0。从而 实现并机冗余供电系统的锁相同步的完美调控。  均流功能  为充分发挥系统容量、提高可靠性，因此必须对每台 UPS 逆变器的输出电压进行动态微 调，使每台 UPS 各分担负载总电流的平均值。均流不平衡度过大，不仅会导致 UPS 故障率增 大、带载能力下降，严重时还会造成并机系统只能运行在单机状态。  选择性脱机“跳闸”功能  在 UPS 并机系统的运行中，如果某台 UPS 的逆变器出现故障，并机逻辑控制电路必须在 准确地识别出哪台单机出故障的同时，对并机系统执行如下操作： 1． 自动关闭有故障的单台 UPS 逆变器； 2． 通过关断逆变器的输出静态开关或输出断路器，将故障单机从宾机系统脱离开来； 3． 禁止故障单机执行交流旁路静态开关导通的调控操作； 4． 发出“选择性脱机“报警信号。  环流监控功能 能否将整个 UPS 并机系统的环流控制在尽可能接近于零的程度，是判断 UPS 并机供电 系统的可靠性是否高的重要指标之一。如前所述，所谓环流是指因位于并机中的各 UPS 单机 的逆变器电源在不能同时达到同电压、同频率、同相位和同内阻等四项指标之一的要求时， 就会导致从各台 UPS 逆变器所输出的电流不是全部流向负载，而会有部分输出电流在各台 UPS 单机之间流动。环流的出现，轻则造成 UPS 并机系统的运行效率下降和 UPS 单机老化 加速。重则造成并机系统→交流旁路供电或停止向用户供电，从而彻底破坏出 UPS 并机系统 向用户提供高质量和高可靠性的逆变器电源的工作状态。由此可见，设置环流监控电路是何 等的重要。如果在 UPS 并机系统中出现较大的环流时，常会看到如下现象： ·输入到并机系统的总输入电流远远大于从并机系统所输出的负载电流 (在扣除系统效 率的影响因素后)； ·位于并机系统中的各台 UPS 输出功率因数的值不同，提供环流的 UPS 单机的输出功 率因数的佰明显地高于接受环流的 UPS 单机； ·当环流是曲于频率或相位不同步所造成的话，我们还会发现：从各 UPS 单机所输出 的电流/功率因数值总是在不断的变动，很难看到一个稳定值。例如:对于“1+1”并机系统而 言，我们看见一会儿 UPS-1 的功率因数 PF =0.8，UPS-2 的 P F =O.5，但过一会儿，UPS-1 的功 率因数 PF变成 0.5，而 UPS-2 的 PF又变成 0.8，这样的奇怪现象。  并联 UPS 系统虽然比热备份连接的 UPS 系统有很多优越性，但其控制技术要比热备份连 接的 UPS 系统复杂得多。因为在多台 UPS 并联时，其中最重要的指标就是电流均分，也就是 说如果 N 台 UPS 并联，必须保证每台 UPS 的输出电流是总输出电流的 l/N，至少其相互之间第 3 章 交流不间断电源 UPS 21  的最大不平衡度要在要求范围内(一般是小于 2%)。这个指标就限制了并联台数的增加，目前 可以看到各个品牌实现并机的台数也不完全一样。如 Fenton 可高达 6 台并联；IMVSitepro  5OOkVA 以下的机型可做到 4 台并联，5OOkVA 及以上的机型可做到 6 台并联；Siemens 5OOkVA 以下的机型可 4 台并联，5OOkVA 的机型可 8 台并联；三菱 UPS 可高达 8 台并联；SilconUPS 的并联台数达到了 9 台，等等。一般来说，功率在 5OOkVA 以下时，并联台数被限制在 4 台以 内的居多。  并联不一定是冗余的，并不是所有并联 UPS 系统都具有冗余的功能。并联的概念是增容， 而冗余的概念则是可靠性。比如两台 5OkVA UPS 并联给 8OkVA 负载供电，只能说这两台 UPS 实现了并联，但若其中一台因故障而关机，则余下的另一台也会因过载而转入旁路供电。然 而若负载为 4OkVA，那么一台 5OkVAUPS 因故障而关机后，负载并没有被切换到这台 UPS 的旁 路上去，而是由另一台 UPS 继续供电，这就实现了冗余。也就是说，当一个 UPS 并联系统中 的一台或者几台 UPS 故障时，余下的 UPS 仍能向负载正常供电，那么这个系统就是冗余系统。 因此，并联是实现冗余的必要手段而并不一定就是冗余。在谈到这个问题时，可先了解什么 是 UPS 系统的冗余度。  系统冗余度的表达式为 N+X，其中 N 的含义是并联系统中 UPS 单机的总台数，X 的含义是 并联系统中允许出现故障的 UPS 单机台数。例如，在 5 台 UPS 并联系统中，允许其中两台同 时出现故障，那么这个系统的冗余度就是 5+2。  目前市售 UPS 并机系统，因各生产厂家的设计观点和开发人员的技术背景不同而有如下凡种 直接并机方案： “N+1”型直接并机方案 被动式（Passive）并机方案 多功率驱动模块的并机方案 “1+1”或“N+1”型直接并机方案 带并机板 “导航型”主从式同步跟踪型直接并机方案 常见的 UPS 主动式并机方案 采用“并机柜”的直接并机方案 并机方案 “1+1”或“N+1”型直接并机方案 热同步直接并机方案 （带并机板/不带并机板） 公用“系统旁路柜 SBM”直接并机方案 输出端带“总线输出开关”冗余供电设计的直接并机方案 被动式直接并机方案 这足一种技术含量较低，成本较低的直接并机设计方案，它只对位于并机系统中的各台 UPS 单机的逆蛮器电源的频率和相位执行市电同步跟踪调控，并不对它们相互之间的电压幅 度和相位进行实时自动调整。显然，这种并机系统的可靠性是较低的，特别是当遇到用户的 负载突变时，易于发生故障。 主动式直接并机方案 位于这种并机系统中的各台 UPS 在同时同步跟踪同一市电电源的前提下，还对位于该并 机系统中的各台 UPS 之间的逆变器电源输出电压的幅值、频率和相位等参数之间可能出现的 差异执行自动调控，使其尽可能地达到同电压、同频率、同相位的程度。在这种直接并机配 置中，按其锁相同步的调控方式不同可分为： “N 十 l”型冗余直接并机方案：位于该机中的各台 UPS 在进行频率和相位调控操作时， 各台 UPS 处于完全平等的状态之中，无主机和从机之分； “导航型”主-从同步跟踪型的直接并机方案：位于该并机中的各台UPS在进行频率和 相 位调控时，有主-从同步跟踪关系。在市售 UPS 产品中有指定“主导航机”型和随机“导航 机”型两种产品。它下的主要区别是：前者在出厂时或在工程师现场调机时，预先设置好 “导航机”和“从机”之间的同步跟踪顺序。后者则是在用户实际开机时，那台 UPS 先开机， 那台 UPS 就是“导航机”，后开机的那台 UPS 就是“从机”。下面我分别介绍它们的工作原 理及其优缺点。 1. “1+1”型直接并机方案 图 1.34“1+1”型直接并机方案 如图 1.34 所示，它是在两台具有相同额定输出功率和相同型号的 UPS 上，通过各配置 一块“1+1 并机逻辑控制板”的办法，将两台 UPS 的逆变器输出端直接并联起来而形成的直 接并联冗余供电系统。位于该 UPS 供电系统中的“1+1”并机控制板主要完成如下三种调控 功能： ①利用分别位于两台 UPS 单机中的“1+1 并机板”之叫的频率和相位比较调控母线来获 得两台 UPS 之间的频率差和相位差比较信号，并据此从并机逻辑饭上获得对两台 UPS 逆变 器电源执行频率利相位微调的控制命令，从而使得这两台 UPS 的逆变播在同时同步跟踪同一 市电的过程中，将它们的逆变器电源的相位调整到处于同时导前于市电电源或同时滞后于市 电电源的状态，从而确保在这两台 UPS 的逆变器电源之田的相对相位差Δ=Δ 1 －Δ 2 为最小 （Δ 1为 UPS——1 与市电电源间的相位差，Δ2为 UJPS—2 与市电电源间的相位差）。 ②利用分别位于两台 UPS 单机中的“1+1 并机板”之司的电流调控母线来获得两台 UPS 输出电流的均流不平衡度信号，并据此从并机逻辑板上获得对两台 UPS 逆变器的输出电压幅 值进行微调的控制信号，从而使得从这两台 UPS 单机输出的电流总是各为 1/2 负载电流，实 现讨负载的均流供电。 ③利用位于“1+1 并机板”中的环流检测电路，随时检测可能出现的环流的幅值大小和 流动衣向。如果上述 UPS 供电系统中的某台 UPS 因出故障而导致环流异常增大时，在该控 制电路的管理下，自动将有故障的 UPS 从并机系统中脱机，以确保 UPS 并机系统继续向用 户提供 高质量的逆变器电源。 采用这种配置方案的 UPS 供电系统在正常运行时，由每台 UPS 各承担 1/2 负载电流。 如果在运行中，因故造成其中一台 UPS 出故障，它会自动识别并将出故障的 UPS 自动脱机， 让剩下的一台 UPS 电源继续向负载供电。由于此时出现在这台 UPS 的输出端的阶跃性电流 是从 50%负载电流增长到 100%负载电流，所以，对 UPS 逆变器的冲击较小。相反，对主机 一从机型“热备份”UPS 供电系统而言，出现在 UPS“从机”输出端的将是从零上升到 100% 的阶跃性，负载电流“冲击”。 ④“1+1”并机系统还具有增容功能。例如：用 2 台 30kVA 的“1+1”并机系统，用户可 随时将 UPS 的输出功率从 3()kVA 增容到 60kVA。所以，这样的冗余供电系统具有很好的配 置灵活性。对处于“1 十 1”型冗余工作状态下 UPS 供电的系统，只有当两台 UPS 的逆变器 同时出故障时，才会将用户的负载切换到普通的市电供电的电网上。如果考虑到目前大型UPS 单机的平均无故障时间(MTBF)已达 20 一 40 万小时的实际情况，所以，出现这种局面的概率 是极低的。采用上述配置方案的 UPS 供电系统的实测环流可控制在几乎为零的状态 (对于单 机输出功率为 120kVA 的“1 十 1 并饥系统”的环流可小于 1A (安培)。 2. “导航型”UPS 直接并机方案图 1·35 导般型 UPS 直接并机方案 如图 1·35 所示，它是利用并机逻辑控制板将两台或两台以?据说最多可并联 6 台)UPS 单机的逆变器输出端直接并联起来运行。所不同的是 UPS 的逆变器的同步跟踪方式不同。在 这种配置方案中，产品在出厂时将其中的一台 UPS 单机指定为具有优先同步跟踪市电电源的 “导航 UPS”，然后让处于多机并机系统中的其他 UPS 的逆变器去同步跟踪“导航 UPS”的 逆变器电源，而不是去直接同步跟踪市电电源。在这种冗余式 UPS 并机供电系统运行中，如 果它的第 1 台“导航 UPS”出故障时，则由工厂或现场调试工程师所指定的第 2 台 UPS 单机 来承扔“导航 UPS”的任务，此后让其他的各台 UPS 去同步跟踪这台新的“导航 UPS” 电 源。采用这种直接并机的方案的好处是，它可以直接将多台 UPS 单机直接并联起来，共同向 负载供电而不必另加“并机控制柜”。其缺点是:它没有对各台 UPS 从机的逆变器电源之间可 能出现的相位差进行相位差的微调。因此，在这套 UPS 并机供电系统中的各台 UPS 单机之 间所可能出现的相对“相位差”较大，其后果是环流偏大，不利于提高整个 UPS 供电系统的 可靠性。现以由 3 台 UPS 单机组成的并机“系统”为例来说明这个问题。 在此系统中，可能出现在各台 UPS 单机之间的相对“相位差”最大可达Δ== Δ 1 +Δ 2  (Δ 1为第 2 台 UPS 单机与“导航 UPS”之间的相位差，Δ 2为第 3 台 UPS 单机与“导航 UPS” 之间的相位差。在 UPS 运行中，可能出现的Δ 1 +Δ 2并非一定同时为超前或同时为滞后相位， 而很可能是处于一个是超前相位，另一个是滞后相位，此时就会出现Δ为最大。例如：一台 UPS 逆变器超前于“导航 UPS”2.50，另一台 UPS 滞后于“导航 UPS”2.50。此时，就会在 这两台 UPS 之间出现高达 50的相位差)。有的厂家提出另一种做法：由导航 UPS 直接去调控 其他各台 UPS 的逆变器逻辑电路。如果真是这样，则要求位于其余各台 UPS 中的逆变器逻 辑电路的所有元件参数都必须是百分之百的一致。显然，实际上是做不到的。比较细心的用 户就会发现厂家要求在安装 UPS 时，耍尽量使得位于某台 UPS 之间的电力电缆的连线和控 制电缆的长度都尽可能一样。由此可见，这种系统的可靠性是受到限制的。此外，在这种配 置方案中，万一出现 UPS 从逆变器供电状态切换到由交流旁路供电状态时，由于分别位于三 条交流旁路供电通道上的由反相并联的快速可控硅的所组成的“静态开关”的管压降很难保 证完全相同 (在每台 UPS 单机中有三条交流旁路“静态开关”，因此，在一个由 3 套 UPS 所 组成的并机系统中，将同时存在有 9 条交流旁路“静态开关”)。这样，就会造成实际流过各 条交流旁路“静态开关”的电流不一致的问题。显然，在这种采用分散交流旁路供电的直接 并机系统中，所并机的 UPS 的单机数目越多，出现在交流旁路“静态开关”上的“不均流” 现象越利害。严重时，会造成位于某台 UPS 单机申交流旁路静态开关被烧毁或致使这台 UPS 的交流旁路“静态开关”因过流而自动关断，从而造成其他 UPS 的交流旁路出现过载故障。 其最坏情况是直至完全切断市电电网对负载的供电通道。所以当 UPS 运行于这种冗余配置方 案时所带来的明显弱点是环流偏大。例如:对于采用由 120kVA 单机所构成的 3 台并机系统， 其环流可达 4~10A。 3、“热同步”并机技术 当两台 UPS 在执行并机操作时，不需要互相获取对方的实时的输出效率、相位、电压、 电流等参数信息，就能达到相互锁相同步并均匀分担负载电流的目的。这种并机技术在强大 的微处理器的直接数字合成技术和自适应调控功能的支持下，只需要自己关注自己的输出电第 3 章 交流不间断电源 UPS 25  压、电流及相位，就可以达到输出的同步跟踪并均分载电流以及在某台 UPS 出故障时，将其 从 UPS 并机系统中快速脱机等调控功能（执行“选择性脱机跳闸”操作）。该技术的好处在 于无需在两台 UPS 之间敷设信号通过电缆，完全避免了传统并机技术中所常见的因采用相对 脆弱的多芯扁平通信电缆而带来的“瓶颈”型的“公共故障点”的问题（见图 1.36）。 当并机时，两台 UPS 均会同时同步跟踪交流旁路电源的频率和相位，由于这两台 UPS 的交流旁路电源是同一市电电源，因此，这时的两台 UPS 的输出电源的电压及相位已经非常 接近，但为了使得各台 UPS 之间的相位差尽可能地趋于零，并机系统申的 UPS 还会小幅度 地和快速地调整它的输出电源的相位，以使得可能出现在 UPS 并机系统中的各台 UPS 之间 的输出电流的均流不均衡度尽可能地减小。在理想情况下，均流的不平衡度为零。也就是说， 从每台 UPS 单机所输出的电流都完全相等。为提高调节精度，在并机系统中，采用“高频度、 小步长”的调控法，它能在 1 秒内对 UPS 的逆变器执行 3000 次同步跟踪调节。当花这两台 UPS 之间出现微小的相位差时，会导致从每台 UPS 输出的负载电流不相等，此时，位于 UPS 并机系统中的各台 UPS 将会通过各自的监测电路来实时监视其实际的输出电流的幅值，当某 台 UPS 发现它的输出电流增大时，就会控制自己的输出电源的相位向相反方向移动，以减少 负载电流的不均衡度，经过如此反复地多次调节，就能最终找到一个最小的“电流不均衡值” 点，这就是 UPS 并机系统的最佳动态“同相位”调控点。正是基于这种原因，采用“热同步” 并机技术的 UPS 冗余直接并机系统的均流不平衡度可以达到小于 2%，而采用其他并机调控 技术的冗余并机系统的均流不平衡度一般为 2～5%。而采用"被动式"并机方案的冗余并机系 统的均流不平衡度甚至可能高达 9%左右。 图 1.36 “1+1”冗余型并机 UPS 供电系统 4. 采用“并机柜”的多机并机方案 采用本方案的目的是为解决上述的采用分散交流旁路供电技术的多机冗余 UPS 配置方 案中所出现的位于各个分散的交流旁路上的“静态开关”的不均流带载问题。其配置方案如 图 1.41 所示，它用另一个专门的系统旁路“并机柜”来取代分散交流旁路供电通道。位于该 系统旁路“并机控制柜”内的并机逻辑板可利用它的频率母线调控电路，电流母线调控电路 来使得各 台 UPS 单机的逆变器输出总是处于同相位、同频率和均流向负载供电的良好运行 状态 (其控制原理与“1＋1 并机”方案相似，在此不再重述) 。当 UPS 供电系统因故出现从 逆变器电源供电转交流旁路供电时，市电电源将经位于并机柜中的一套交流旁路静态开关 (对三相 UPS 来说，共有三条交流旁路静态开关) 来向负载供电，而不会出现在采用分散交流 旁路供电技术的多机直接并机配置中所出现的由 N 套交流旁路“静态开关”来同时向负载供 电而产生的不均流带载问题。按目前的技术水平，可将 6 一 8 台大型 UPS 进行并机运行。此 外，采用“系统旁路柜”方案带来的另一个好处是，我们可从它的显示屏上同时读取整个 UPS 供电系统和各台 UPS 单机的所有运行参数，从而提高了系统的可维护性。 6. 双总线冗余供电方式 上述所有的 UPS 供电系统都仅仅解决了提高 UPS 本身的 MTBF，即降低整个 UPS 供电 系统的故障率的作用，并没有十全十美地解决好 UPS 供电系统的可维护性问题。问题的发生 是由于在 UPS 供电系统的输出端与负载间还有配电柜、断路器开关、保险丝和电力传输电缆。 如果万一配电柜本身或从 UPS 输出端至配电柜的输电电缆出故障或保险丝被烧毁，断路器开 关跳闸时，我们要进行检修，就必然要对负载执行停电操作。当然，对一般用户来讲，可以 在预先通知用户的条件来执行检修操作。然而，对于某些重要用户是不允许出现对用户执行 停电来执行检修任务的。为此，我们可以来用如图 1.43 所示的双总线冗余供电方式。 在双总线输出冗余供电方案中，分别设置有 UPS 系统 1 和 UPS 系统 2，两套 UPS 供电 系统 (这种 UPS 供电系统既可以是具有相同额定输出功率的 UPS 单机，也可以是 UPS 并机 供电系统。)  从 UPS—1 系统和 UPS—2 系统送出的高质量逆变器电源被分别送到配电柜 1 和配电柜 2。在负载总线控制器的作用下，平时 K1和 K2开关处于相通状态，K 处于断开状态。这样， 从 UPS 系统 1 输出的逆变器电源——配电柜 l——K1开关——A 路输出电缆——向负载 A 供 电。与此同时，UPS 供电系统 2 经配电柜 2、开关 K2向负载 B 供电。一旦 UPS 系统 1 或配 电柜 l 或 K1开关之中的任一部件出故障时，通过负载同步控制器，自动执行同步切换操作， 将 K 开关闭合，就能在保证 UPS 供电系统 2 在继续对负载 A 供电的条件下，对位于有故障 的 UPS 系统 1 的供电通上的相关设备执行检修任务。