UPS 并聯冗余方式

從一般原理上講，普通在線式 UPS 都可直接并聯，但應說明的一點是，這些 UPS 必須由 同一路電網供電。在這種情況下，UPS 的逆變器永遠在跟蹤旁路市電，由于這些 UPS 都在跟 蹤同一路市電，也就相當于互相在相位上跟蹤。這些 UPS 在頻率和相位上都是一致的，因此 可以并聯，但這種并聯是不保險的，主要原因如下。  雖然它們都在頻率和相位上跟蹤旁路，但在相位上有超前和落后之分。一般大容量 UPS 的相位跟蹤誤差為±3°，如果這兩臺并聯的 UPS 一個是+3°，另一個是-3°，那么它們兩 個并聯后就有可能在相位上差了 6°，這就有可能使輸出電壓相差 30V，將會在 UPS 輸出端 造成很大的環流，使逆變器因過載而燒毀。如圖 1-3（a）第 3 章 交流不間斷電源 UPS 19  圖 1.33 在兩臺 UPS 電源之間所可能形成的環流示意圖  雖然它們都在頻率和相位上跟蹤旁路，但在相位上有超前和落后之分。一般大容量 UPS 的相位跟蹤誤差為±3°，如果這兩臺并聯的 UPS 一個是+3°，另一個是-3°，那么它們兩 個并聯后就有可能在相位上差了 6°，這就有可能使輸出電壓相差 30V，將會在 UPS 輸出端 造成很大的環流，使逆變器因過載而燒毀。如圖 1-3（a）  另外，雖然是同型號、同規格的 UPS 逆變器，但逆變器參數和和變壓器參數的微小差異 會導致輸出電壓不一樣，比如一個為 218V 而另一個為 220V，也將會在 UPS 輸出端造成很大 的環流，使逆變器因過載而燒毀。如圖 1-3（b）  UPS 并聯連接的目的是提高 UPS 供電系統的可靠性，增加了 UPS 系統的容量。而并聯連 接要解決的關鍵問題是處于并機狀態的各臺 UPS 的逆變器，應在同時同步跟蹤交流旁路電源 的條件下，滿足同幅度、同頻率和同相位的要求，以達到均分負載和環流為零的目的。  當并聯 UPS 系統中任何一臺的逆變器出現故障 (包括過載、短路相蓄電池過放電而停止 工作等)時，均不能將本身的負載單獨轉到旁路上，而是將負載分配到與其并聯的其他 UPS 上去。只有并聯系統申所有 UPS 的逆變器都停止工作時，才集體轉到旁路上。  因此一套設計完善的 UPS 并機冗余供電系統必需具備以下功能:  鎖相同步調節功能  為確保 UPS 電源能安全、可靠地執行市電交流旁路供電與逆變器供電的切換操作，要求 UPS 的逆變器電源的輸出頻率和相位必須盡可能的與交流旁路的市電電源保持一致，即二者 處于嚴格的鎖相同步跟蹤狀態。對處于并機系統的二臺 UPS 逆變器來說，同步跟蹤同一市電 的同時，還必須對出現在兩臺 UPS 相互之間的相位差進行微調使之盡可能地趨向于 0。從而 實現并機冗余供電系統的鎖相同步的完美調控。  均流功能  為充分發揮系統容量、提高可靠性，因此必須對每臺 UPS 逆變器的輸出電壓進行動態微 調，使每臺 UPS 各分擔負載總電流的平均值。均流不平衡度過大，不僅會導致 UPS 故障率增 大、帶載能力下降，嚴重時還會造成并機系統只能運行在單機狀態。  選擇性脫機“跳閘”功能  在 UPS 并機系統的運行中，如果某臺 UPS 的逆變器出現故障，并機邏輯控制電路必須在 準確地識別出哪臺單機出故障的同時，對并機系統執行如下操作： 1． 自動關閉有故障的單臺 UPS 逆變器； 2． 通過關斷逆變器的輸出靜態開關或輸出斷路器，將故障單機從賓機系統脫離開來； 3． 禁止故障單機執行交流旁路靜態開關導通的調控操作； 4． 發出“選擇性脫機“報警信號。  環流監控功能 能否將整個 UPS 并機系統的環流控制在盡可能接近于零的程度，是判斷 UPS 并機供電 系統的可靠性是否高的重要指標之一。如前所述，所謂環流是指因位于并機中的各 UPS 單機 的逆變器電源在不能同時達到同電壓、同頻率、同相位和同內阻等四項指標之一的要求時， 就會導致從各臺 UPS 逆變器所輸出的電流不是全部流向負載，而會有部分輸出電流在各臺 UPS 單機之間流動。環流的出現，輕則造成 UPS 并機系統的運行效率下降和 UPS 單機老化 加速。重則造成并機系統→交流旁路供電或停止向用戶供電，從而徹底破壞出 UPS 并機系統 向用戶提供高質量和高可靠性的逆變器電源的工作狀態。由此可見，設置環流監控電路是何 等的重要。如果在 UPS 并機系統中出現較大的環流時，常會看到如下現象： ·輸入到并機系統的總輸入電流遠遠大于從并機系統所輸出的負載電流 (在扣除系統效 率的影響因素后)； ·位于并機系統中的各臺 UPS 輸出功率因數的值不同，提供環流的 UPS 單機的輸出功 率因數的佰明顯地高于接受環流的 UPS 單機； ·當環流是曲于頻率或相位不同步所造成的話，我們還會發現：從各 UPS 單機所輸出 的電流/功率因數值總是在不斷的變動，很難看到一個穩定值。例如:對于“1+1”并機系統而 言，我們看見一會兒 UPS-1 的功率因數 PF =0.8，UPS-2 的 P F =O.5，但過一會兒，UPS-1 的功 率因數 PF變成 0.5，而 UPS-2 的 PF又變成 0.8，這樣的奇怪現象。  并聯 UPS 系統雖然比熱備份連接的 UPS 系統有很多優越性，但其控制技術要比熱備份連 接的 UPS 系統復雜得多。因為在多臺 UPS 并聯時，其中最重要的指標就是電流均分，也就是 說如果 N 臺 UPS 并聯，必須保證每臺 UPS 的輸出電流是總輸出電流的 l/N，至少其相互之間第 3 章 交流不間斷電源 UPS 21  的最大不平衡度要在要求范圍內(一般是小于 2%)。這個指標就限制了并聯臺數的增加，目前 可以看到各個品牌實現并機的臺數也不完全一樣。如 Fenton 可高達 6 臺并聯；IMVSitepro  5OOkVA 以下的機型可做到 4 臺并聯，5OOkVA 及以上的機型可做到 6 臺并聯；Siemens 5OOkVA 以下的機型可 4 臺并聯，5OOkVA 的機型可 8 臺并聯；三菱 UPS 可高達 8 臺并聯；SilconUPS 的并聯臺數達到了 9 臺，等等。一般來說，功率在 5OOkVA 以下時，并聯臺數被限制在 4 臺以 內的居多。  并聯不一定是冗余的，并不是所有并聯 UPS 系統都具有冗余的功能。并聯的概念是增容， 而冗余的概念則是可靠性。比如兩臺 5OkVA UPS 并聯給 8OkVA 負載供電，只能說這兩臺 UPS 實現了并聯，但若其中一臺因故障而關機，則余下的另一臺也會因過載而轉入旁路供電。然 而若負載為 4OkVA，那么一臺 5OkVAUPS 因故障而關機后，負載并沒有被切換到這臺 UPS 的旁 路上去，而是由另一臺 UPS 繼續供電，這就實現了冗余。也就是說，當一個 UPS 并聯系統中 的一臺或者幾臺 UPS 故障時，余下的 UPS 仍能向負載正常供電，那么這個系統就是冗余系統。 因此，并聯是實現冗余的必要手段而并不一定就是冗余。在談到這個問題時，可先了解什么 是 UPS 系統的冗余度。  系統冗余度的表達式為 N+X，其中 N 的含義是并聯系統中 UPS 單機的總臺數，X 的含義是 并聯系統中允許出現故障的 UPS 單機臺數。例如，在 5 臺 UPS 并聯系統中，允許其中兩臺同 時出現故障，那么這個系統的冗余度就是 5+2。  目前市售 UPS 并機系統，因各生產廠家的設計觀點和開發人員的技術背景不同而有如下凡種 直接并機方案： “N+1”型直接并機方案 被動式（Passive）并機方案 多功率驅動模塊的并機方案 “1+1”或“N+1”型直接并機方案 帶并機板 “導航型”主從式同步跟蹤型直接并機方案 常見的 UPS 主動式并機方案 采用“并機柜”的直接并機方案 并機方案 “1+1”或“N+1”型直接并機方案 熱同步直接并機方案 （帶并機板/不帶并機板） 公用“系統旁路柜 SBM”直接并機方案 輸出端帶“總線輸出開關”冗余供電設計的直接并機方案 被動式直接并機方案 這足一種技術含量較低，成本較低的直接并機設計方案，它只對位于并機系統中的各臺 UPS 單機的逆蠻器電源的頻率和相位執行市電同步跟蹤調控，并不對它們相互之間的電壓幅 度和相位進行實時自動調整。顯然，這種并機系統的可靠性是較低的，特別是當遇到用戶的 負載突變時，易于發生故障。 主動式直接并機方案 位于這種并機系統中的各臺 UPS 在同時同步跟蹤同一市電電源的前提下，還對位于該并 機系統中的各臺 UPS 之間的逆變器電源輸出電壓的幅值、頻率和相位等參數之間可能出現的 差異執行自動調控，使其盡可能地達到同電壓、同頻率、同相位的程度。在這種直接并機配 置中，按其鎖相同步的調控方式不同可分為： “N 十 l”型冗余直接并機方案：位于該機中的各臺 UPS 在進行頻率和相位調控操作時， 各臺 UPS 處于完全平等的狀態之中，無主機和從機之分； “導航型”主-從同步跟蹤型的直接并機方案：位于該并機中的各臺UPS在進行頻率和 相 位調控時，有主-從同步跟蹤關系。在市售 UPS 產品中有指定“主導航機”型和隨機“導航 機”型兩種產品。它下的主要區別是：前者在出廠時或在工程師現場調機時，預先設置好 “導航機”和“從機”之間的同步跟蹤順序。后者則是在用戶實際開機時，那臺 UPS 先開機， 那臺 UPS 就是“導航機”，后開機的那臺 UPS 就是“從機”。下面我分別介紹它們的工作原 理及其優缺點。 1. “1+1”型直接并機方案 圖 1.34“1+1”型直接并機方案 如圖 1.34 所示，它是在兩臺具有相同額定輸出功率和相同型號的 UPS 上，通過各配置 一塊“1+1 并機邏輯控制板”的辦法，將兩臺 UPS 的逆變器輸出端直接并聯起來而形成的直 接并聯冗余供電系統。位于該 UPS 供電系統中的“1+1”并機控制板主要完成如下三種調控 功能： ①利用分別位于兩臺 UPS 單機中的“1+1 并機板”之叫的頻率和相位比較調控母線來獲 得兩臺 UPS 之間的頻率差和相位差比較信號，并據此從并機邏輯飯上獲得對兩臺 UPS 逆變 器電源執行頻率利相位微調的控制命令，從而使得這兩臺 UPS 的逆變播在同時同步跟蹤同一 市電的過程中，將它們的逆變器電源的相位調整到處于同時導前于市電電源或同時滯后于市 電電源的狀態，從而確保在這兩臺 UPS 的逆變器電源之田的相對相位差Δ=Δ 1 －Δ 2 為最小 （Δ 1為 UPS——1 與市電電源間的相位差，Δ2為 UJPS—2 與市電電源間的相位差）。 ②利用分別位于兩臺 UPS 單機中的“1+1 并機板”之司的電流調控母線來獲得兩臺 UPS 輸出電流的均流不平衡度信號，并據此從并機邏輯板上獲得對兩臺 UPS 逆變器的輸出電壓幅 值進行微調的控制信號，從而使得從這兩臺 UPS 單機輸出的電流總是各為 1/2 負載電流，實 現討負載的均流供電。 ③利用位于“1+1 并機板”中的環流檢測電路，隨時檢測可能出現的環流的幅值大小和 流動衣向。如果上述 UPS 供電系統中的某臺 UPS 因出故障而導致環流異常增大時，在該控 制電路的管理下，自動將有故障的 UPS 從并機系統中脫機，以確保 UPS 并機系統繼續向用 戶提供 高質量的逆變器電源。 采用這種配置方案的 UPS 供電系統在正常運行時，由每臺 UPS 各承擔 1/2 負載電流。 如果在運行中，因故造成其中一臺 UPS 出故障，它會自動識別并將出故障的 UPS 自動脫機， 讓剩下的一臺 UPS 電源繼續向負載供電。由于此時出現在這臺 UPS 的輸出端的階躍性電流 是從 50%負載電流增長到 100%負載電流，所以，對 UPS 逆變器的沖擊較小。相反，對主機 一從機型“熱備份”UPS 供電系統而言，出現在 UPS“從機”輸出端的將是從零上升到 100% 的階躍性，負載電流“沖擊”。 ④“1+1”并機系統還具有增容功能。例如：用 2 臺 30kVA 的“1+1”并機系統，用戶可 隨時將 UPS 的輸出功率從 3()kVA 增容到 60kVA。所以，這樣的冗余供電系統具有很好的配 置靈活性。對處于“1 十 1”型冗余工作狀態下 UPS 供電的系統，只有當兩臺 UPS 的逆變器 同時出故障時，才會將用戶的負載切換到普通的市電供電的電網上。如果考慮到目前大型UPS 單機的平均無故障時間(MTBF)已達 20 一 40 萬小時的實際情況，所以，出現這種局面的概率 是極低的。采用上述配置方案的 UPS 供電系統的實測環流可控制在幾乎為零的狀態 (對于單 機輸出功率為 120kVA 的“1 十 1 并饑系統”的環流可小于 1A (安培)。 2. “導航型”UPS 直接并機方案圖 1·35 導般型 UPS 直接并機方案 如圖 1·35 所示，它是利用并機邏輯控制板將兩臺或兩臺以?據說最多可并聯 6 臺)UPS 單機的逆變器輸出端直接并聯起來運行。所不同的是 UPS 的逆變器的同步跟蹤方式不同。在 這種配置方案中，產品在出廠時將其中的一臺 UPS 單機指定為具有優先同步跟蹤市電電源的 “導航 UPS”，然后讓處于多機并機系統中的其他 UPS 的逆變器去同步跟蹤“導航 UPS”的 逆變器電源，而不是去直接同步跟蹤市電電源。在這種冗余式 UPS 并機供電系統運行中，如 果它的第 1 臺“導航 UPS”出故障時，則由工廠或現場調試工程師所指定的第 2 臺 UPS 單機 來承扔“導航 UPS”的任務，此后讓其他的各臺 UPS 去同步跟蹤這臺新的“導航 UPS” 電 源。采用這種直接并機的方案的好處是，它可以直接將多臺 UPS 單機直接并聯起來，共同向 負載供電而不必另加“并機控制柜”。其缺點是:它沒有對各臺 UPS 從機的逆變器電源之間可 能出現的相位差進行相位差的微調。因此，在這套 UPS 并機供電系統中的各臺 UPS 單機之 間所可能出現的相對“相位差”較大，其后果是環流偏大，不利于提高整個 UPS 供電系統的 可靠性。現以由 3 臺 UPS 單機組成的并機“系統”為例來說明這個問題。 在此系統中，可能出現在各臺 UPS 單機之間的相對“相位差”最大可達Δ== Δ 1 +Δ 2  (Δ 1為第 2 臺 UPS 單機與“導航 UPS”之間的相位差，Δ 2為第 3 臺 UPS 單機與“導航 UPS” 之間的相位差。在 UPS 運行中，可能出現的Δ 1 +Δ 2并非一定同時為超前或同時為滯后相位， 而很可能是處于一個是超前相位，另一個是滯后相位，此時就會出現Δ為最大。例如：一臺 UPS 逆變器超前于“導航 UPS”2.50，另一臺 UPS 滯后于“導航 UPS”2.50。此時，就會在 這兩臺 UPS 之間出現高達 50的相位差)。有的廠家提出另一種做法：由導航 UPS 直接去調控 其他各臺 UPS 的逆變器邏輯電路。如果真是這樣，則要求位于其余各臺 UPS 中的逆變器邏 輯電路的所有元件參數都必須是百分之百的一致。顯然，實際上是做不到的。比較細心的用 戶就會發現廠家要求在安裝 UPS 時，耍盡量使得位于某臺 UPS 之間的電力電纜的連線和控 制電纜的長度都盡可能一樣。由此可見，這種系統的可靠性是受到限制的。此外，在這種配 置方案中，萬一出現 UPS 從逆變器供電狀態切換到由交流旁路供電狀態時，由于分別位于三 條交流旁路供電通道上的由反相并聯的快速可控硅的所組成的“靜態開關”的管壓降很難保 證完全相同 (在每臺 UPS 單機中有三條交流旁路“靜態開關”，因此，在一個由 3 套 UPS 所 組成的并機系統中，將同時存在有 9 條交流旁路“靜態開關”)。這樣，就會造成實際流過各 條交流旁路“靜態開關”的電流不一致的問題。顯然，在這種采用分散交流旁路供電的直接 并機系統中，所并機的 UPS 的單機數目越多，出現在交流旁路“靜態開關”上的“不均流” 現象越利害。嚴重時，會造成位于某臺 UPS 單機申交流旁路靜態開關被燒毀或致使這臺 UPS 的交流旁路“靜態開關”因過流而自動關斷，從而造成其他 UPS 的交流旁路出現過載故障。 其最壞情況是直至完全切斷市電電網對負載的供電通道。所以當 UPS 運行于這種冗余配置方 案時所帶來的明顯弱點是環流偏大。例如:對于采用由 120kVA 單機所構成的 3 臺并機系統， 其環流可達 4~10A。 3、“熱同步”并機技術 當兩臺 UPS 在執行并機操作時，不需要互相獲取對方的實時的輸出效率、相位、電壓、 電流等參數信息，就能達到相互鎖相同步并均勻分擔負載電流的目的。這種并機技術在強大 的微處理器的直接數字合成技術和自適應調控功能的支持下，只需要自己關注自己的輸出電第 3 章 交流不間斷電源 UPS 25  壓、電流及相位，就可以達到輸出的同步跟蹤并均分載電流以及在某臺 UPS 出故障時，將其 從 UPS 并機系統中快速脫機等調控功能（執行“選擇性脫機跳閘”操作）。該技術的好處在 于無需在兩臺 UPS 之間敷設信號通過電纜，完全避免了傳統并機技術中所常見的因采用相對 脆弱的多芯扁平通信電纜而帶來的“瓶頸”型的“公共故障點”的問題（見圖 1.36）。 當并機時，兩臺 UPS 均會同時同步跟蹤交流旁路電源的頻率和相位，由于這兩臺 UPS 的交流旁路電源是同一市電電源，因此，這時的兩臺 UPS 的輸出電源的電壓及相位已經非常 接近，但為了使得各臺 UPS 之間的相位差盡可能地趨于零，并機系統申的 UPS 還會小幅度 地和快速地調整它的輸出電源的相位，以使得可能出現在 UPS 并機系統中的各臺 UPS 之間 的輸出電流的均流不均衡度盡可能地減小。在理想情況下，均流的不平衡度為零。也就是說， 從每臺 UPS 單機所輸出的電流都完全相等。為提高調節精度，在并機系統中，采用“高頻度、 小步長”的調控法，它能在 1 秒內對 UPS 的逆變器執行 3000 次同步跟蹤調節。當花這兩臺 UPS 之間出現微小的相位差時，會導致從每臺 UPS 輸出的負載電流不相等，此時，位于 UPS 并機系統中的各臺 UPS 將會通過各自的監測電路來實時監視其實際的輸出電流的幅值，當某 臺 UPS 發現它的輸出電流增大時，就會控制自己的輸出電源的相位向相反方向移動，以減少 負載電流的不均衡度，經過如此反復地多次調節，就能最終找到一個最小的“電流不均衡值” 點，這就是 UPS 并機系統的最佳動態“同相位”調控點。正是基于這種原因，采用“熱同步” 并機技術的 UPS 冗余直接并機系統的均流不平衡度可以達到小于 2%，而采用其他并機調控 技術的冗余并機系統的均流不平衡度一般為 2～5%。而采用"被動式"并機方案的冗余并機系 統的均流不平衡度甚至可能高達 9%左右。 圖 1.36 “1+1”冗余型并機 UPS 供電系統 4. 采用“并機柜”的多機并機方案 采用本方案的目的是為解決上述的采用分散交流旁路供電技術的多機冗余 UPS 配置方 案中所出現的位于各個分散的交流旁路上的“靜態開關”的不均流帶載問題。其配置方案如 圖 1.41 所示，它用另一個專門的系統旁路“并機柜”來取代分散交流旁路供電通道。位于該 系統旁路“并機控制柜”內的并機邏輯板可利用它的頻率母線調控電路，電流母線調控電路 來使得各 臺 UPS 單機的逆變器輸出總是處于同相位、同頻率和均流向負載供電的良好運行 狀態 (其控制原理與“1＋1 并機”方案相似，在此不再重述) 。當 UPS 供電系統因故出現從 逆變器電源供電轉交流旁路供電時，市電電源將經位于并機柜中的一套交流旁路靜態開關 (對三相 UPS 來說，共有三條交流旁路靜態開關) 來向負載供電，而不會出現在采用分散交流 旁路供電技術的多機直接并機配置中所出現的由 N 套交流旁路“靜態開關”來同時向負載供 電而產生的不均流帶載問題。按目前的技術水平，可將 6 一 8 臺大型 UPS 進行并機運行。此 外，采用“系統旁路柜”方案帶來的另一個好處是，我們可從它的顯示屏上同時讀取整個 UPS 供電系統和各臺 UPS 單機的所有運行參數，從而提高了系統的可維護性。 6. 雙總線冗余供電方式 上述所有的 UPS 供電系統都僅僅解決了提高 UPS 本身的 MTBF，即降低整個 UPS 供電 系統的故障率的作用，并沒有十全十美地解決好 UPS 供電系統的可維護性問題。問題的發生 是由于在 UPS 供電系統的輸出端與負載間還有配電柜、斷路器開關、保險絲和電力傳輸電纜。 如果萬一配電柜本身或從 UPS 輸出端至配電柜的輸電電纜出故障或保險絲被燒毀，斷路器開 關跳閘時，我們要進行檢修，就必然要對負載執行停電操作。當然，對一般用戶來講，可以 在預先通知用戶的條件來執行檢修操作。然而，對于某些重要用戶是不允許出現對用戶執行 停電來執行檢修任務的。為此，我們可以來用如圖 1.43 所示的雙總線冗余供電方式。 在雙總線輸出冗余供電方案中，分別設置有 UPS 系統 1 和 UPS 系統 2，兩套 UPS 供電 系統 (這種 UPS 供電系統既可以是具有相同額定輸出功率的 UPS 單機，也可以是 UPS 并機 供電系統。)  從 UPS—1 系統和 UPS—2 系統送出的高質量逆變器電源被分別送到配電柜 1 和配電柜 2。在負載總線控制器的作用下，平時 K1和 K2開關處于相通狀態，K 處于斷開狀態。這樣， 從 UPS 系統 1 輸出的逆變器電源——配電柜 l——K1開關——A 路輸出電纜——向負載 A 供 電。與此同時，UPS 供電系統 2 經配電柜 2、開關 K2向負載 B 供電。一旦 UPS 系統 1 或配 電柜 l 或 K1開關之中的任一部件出故障時，通過負載同步控制器，自動執行同步切換操作， 將 K 開關閉合，就能在保證 UPS 供電系統 2 在繼續對負載 A 供電的條件下，對位于有故障 的 UPS 系統 1 的供電通上的相關設備執行檢修任務。