UPS冗余并联与双总线连接供电方案

UPS冗余并联与双总线连接供电方案(二)时间：2009-05-0410:23:25来源：电源技术应用作者：王其英2．2UPS双总线供电方案的电路结构有一种说法，双总线是根据美国T4等级(Tier4)标准的要求而来的。图6就是这种双总线UPS冗余供电方案。从图中可以明显地看出，双总线的每一路都是由多台UPS并联的。就目前的UPS并联水平来看，可以做到8台并联。比如台湾至少有5个数据中心采用的就是8台并联×2的双总线供电系统。如果在8台UPS冗佘并联之内就可以解决的问题，最好不要轻易采用双总线。尤其是在两台单机UPS就可以做l+l并联冗余的时候，硬要改用双总线方案，不但使设备量成倍增加，而且由于引入了串联功能的设备STS，使能量通道上又多增加了故障点，导致的投资还要远高于双倍1+1并联冗余时的情况，因为STS要比同容量的UPS价格高得多，同时还失去了原来直接并联时过载能力强的优点，可靠性比原来也有所降低。众所周知，任何解决方案和规划都是有条件的，有其特定的使用环境，也就是有其局限性。因此，不可不讲条件、时间和地点地到处乱用，否则，不但达不到预期的目的，反而会事倍功半。3两种供电方案的比较3．1两种供电方案的可靠性及故障率比较为了有一个量的概念和直观而容易理解，仍设所有设备的可靠性r都是0．99；也是为了简单明了，暂不考虑UPS以前和STS以后的这些共有的配电部分。由此见图7(a)虚线方框内的部分，并由此作出可靠性结构模型图。从可靠性的观点出发，凡是在该环节故障时都能导致系统不正常的情况通通算作串联环节，因此连接图7(a)的同步器LBS、静态开关STS和隔离变压器B1在可靠性上同UPS都是串联关系，如图8所示。由于两台UPS在STS的输出端在功能上对双电源负载是并联关系，就认为二者是并联关系，由此得出系统可靠性：不可靠性或故障率就是O．00155，即万分之十五。从前面的式(3)可以看出，两台UPS直接并联时的供电系统可靠性是万分之一，而图7(a)增加了6个设备以后，造价成倍地增加，而可靠性则成十倍地降低。根据上面的计算，故障率是前者的15倍。3．2双输入交流电时两种供电方案ATS功能的比较有人认为双机冗余并联时只用了一个ATS，这是个单点故障点，或称为瓶颈；而双机双总线时则用了两个ATS，由于有冗余关系，消除了瓶颈效应。1)双UPS冗余并联ATS的功能双交流输入可能是双市电，也可能是一路市电和一路燃油发电机组。在这里以双路市电输入为例。双机冗余并联时一般是利用ATS将双市电互投为一路输出，如图9(a)所示。若以市电1为主电源，市电2为备用电源，ATS通常接通市电l到UPS组。当市电l故障时，ATS就断开市电1而将市电2转接到UPS组上。一旦ATS故障，就无法实现转接功能而使后面的所有UPS失去输入电压。这就是所谓的瓶颈效应，也有的称为单点故障。当然，为了防止上述现象发生，一般都采取了补救措施，比如有的厂家在ATS切换无法进行时就采用摇臂以手动的方式进行转换；也有的厂家有可选择的旁路开关，在ATS故障时用人工的方法把旁路开关合上去。加了这些措施，瓶颈本身依然存在。2)双机双总线时ATS的功能图9(b)的双ATS的连接法就消除了这种隐患呢。首先讨论一下它的工作原理。在正常情况下，一般都是这样设置的：ATSl将市电l接通到UPSl，ATS2将市电2接通到UPS2。比如由于某种原因导致市电1断电，ATSl就自动切换到市电2，以使UPSl能够不间断地得到输入电压；但由于某种故障原因使得ATSl在市电l断电时而无法实现切换，即市电2因ATSl无法切换而使UPSl得不到市电2的支持，仍然会处于无输入电压状态，只好待电池放电终结后而关机，但由于STSl的存在，UPS2的输出电压会及时地经STSl切换到UPSl后面的负载上去，如图10所示。由于此时UPS2的输入电压尚在正常供电，所以可使UPSl和UPS2的负载仍然不间断地工作下去。双总线的优点只有在这里才得到了体现。不过，现在已处于无冗余供电状态，维修时间已成关键，为了改善这种状况，最好双总线的每一路增加冗余，比如都变成1+l，不过这时的设备量又成倍增加了。另一方面，在双总线的情况下，双电源负载的两个输入电压是从两路引来的同相电压，即都是A相或都是B相、或C相，这又埋下一个隐患：当一路故障时(如上例中的市电1故障时的情况)，最后经STS2将UPS2的输出电压切换到UPSl的负载上，可以看出，此时双电源负载的两路输入电压是同一相，如果这时对应这一相的开关故障(接触不良或断开)，该双电源负载就会因全部断电而停机。原来的目的是即使一个UPS后面的单电源负载全部断电时，该双电源负载也不至于断电，而此时的目的就达不到了。4采用双总线的适当场合4．1采用双总线的场合双总线作为冗余并联的补充措施在一定的场合下就可显示出它的优越性。这种场合就是容量与可靠性出现矛盾时。比如一个信息机房的用电量是2500kVA，要求并联冗余后的供电电源系统的可靠性R=0．99999，选定了某品牌单机容量为400kVA的UPS。为了方便分析，假如每台UPS的可靠性r相同，取r=0．99，目前UPS并联的台数不超过8，此处取8台并联。取7+1即可是400kVA×7=2800kVA，满足了2500kVA的需求，如图11(a)所示。看可靠性R8是否满足。根据可靠性计算公式：这一次满足了要求。但容量只有400kVA×6=2400kVA，容量又不能满足了。如果用户的容量要求不可更改，只有采用双总线方可，如图11(b)所示。在双总总线的情况下，系统地可靠性就是：此时倒是满足了可靠性的要求，但设备量增加了一倍多，投资也成倍增加，损耗也显著增加，这就需要权衡利弊。若采用500kVA的6+2方案会更经济些。而且容量500kVA×6=3000kVA富裕很多，不但减少了投资、降低了损耗，也提高了系统的可靠性。这个例子说明，在很多情况下双总线并不是唯一的和最佳的解决方案。从前面的讨论也可看出，当容量与可靠性不发生矛盾时，如果硬要采用双总线，不论什么理由都是不可取的。4．2减少设备量的途径人们不禁要问：难道为了得到这一点好处就必须花费几倍的投资吗?实际上大可不必，正如前面讨论的那样。(1)即使一个ATS故障而不能将另一路市电接入时，仍能保证全部负载不断电，从这个观点上说，可以将前面的两个ATS更换成普通断路器；(2)既然要求在任何一路市电或UPS故障时都要保证全部负载不断电，冗余并联的UPS就可以完全满足，所以UPS输出和负载之间除了必要的开关之外，没有必要再增加STS进行多余的切换；(3)这里的重点就转到如何在一路市电和ATS同时故障时仍能使另一路市电可靠地接入。这个问题再容易解决不过了，比如给双机冗余输入端的ATS配上旁路开关(有的是选件，有的就是标配)就可解决了，因为一路市电掉电是有告警的，UPSl输入电压断电也是有告警的，值班员就可在确认ATS确实故障后而合上旁路开关。不要期望全自动化，一般这样的机房都会有值班员。当然，如果确实需要全自动化，也是可以的，只要向供应商提出要求就是了。因此，双总线的供电效果完全可以用很小的代价来取得。(4)减少UPS和STS设备量的途径如果有的用户确实对双总线结构情有独钟，也未尝不可，在保证可靠性与可用性的前提下也有节约的方法。有的认为双总线必定需要用图11(b)的结构方式，即两路电源必须用两个台大容量STS进行互相切换。实际上双总线也各有不同。如图12(a)为双开关二单机双总线结构。这个电路结构的特点在于每台UPS有两个输入开关，一个普通断路器和一个ATS转换开关。普通断路器供UPS主电路应用，ATS供两台UPS的旁路用电，这样一来从输入开关上就加了一层冗余，即使其中一路市电故障断电，仍能保证双电源设备的双路供电。这里只用了一个STS为单电源设备供电，与双UPS并联冗余相比，增加设备不多。如果采用分散小型STS结构方案，功耗、价格和占地面积还可降低。图12(b)为双开关三单机双总线冗余结构。从前面的分析可知，当一路市电故障(比如市电1)断电时，断电这一路UPSl的输出就是通过ATS送过来的市电，这样一来，双电源设备的两个输入就有一路是市电，有可能引入干扰。为此可用第三台UPS来代替图(a)中的市电，如图(b)所示，此结构同时也具有了串联热备份的功能。“T”型连接结构的UPS并联运行方案南京航空航天大学航空电源重点实验室黄文新陈宏胡育文（南京210016）摘要：提出一种“T”型连接结构的UPS并联运行方案，该方案中并联运行的UPS省去信号联络线，属于主从式UPS并联。从“T”型结构UPS将前级UPS的输出电流引入并以此电流作并联控制信号，采用电流追踪型PWM控制信号发生方案，可使其输出电流与前级输入电流保持同相，并可达到均流的目的。文中给出了仿真结果，表明该方案是可行的。关键词：UPS并联运行拓扑1引言在大型计算机数据站、通信设备机房等场合，广泛采用UPS作运行电源。随着设备的添置，供电可靠性要求的提高，UPS的容量也越来越大，从UPS运行的经济性及可靠性考虑，根据用电设备容量的增长逐步添置UPS实行并联运行具有重大的现实意义。由于UPS由电力电子开关器件组成，其并联运行在技术上是较为复杂的。目前解决UPS并联运行的办法根据其有无采用信号连络线而分为两种[1]:（1）UPS间有联络线方式；（2）UPS间无联络线方式。信号联络线实际为并联UPS单元之间的控制信号的传递通道，通过控制信号的传递使得并联UPS间满足并联条件，实现负载容量（有功、无功）的合理分配。UPS间无联络线并联运行文献已见报道的控制方案为电压、频率外特性“下垂法”，这种并联方法可省却信号的联络线，但会造成输出电源的频率、幅度在小范围内波动。本文提出一种“T”型连接结构拓扑的UPS及其并联运行控制策略，这种UPS并联运行的方法简单可靠，属于无联络线并联法。2“T”连接拓扑及并联运行工作原理普通UPS并联运行的连接拓扑如图1所示，UPS的输出端子连接到共同的配电母线上，再向负载供电。而“T”型连接的UPS除输出端子外，还有输入端子，输入、输出在内部是相接的，UPS的实际输出连接到这两个输入输出端子之间的联线上，构成“T”型，即前一台UPS的输出端子连接到后一台UPS的输入端子上，每台UPS的输入电流在内部与自身的输出电流汇合至输出端子，连接拓扑如图2所示。并联运行的原理可用基尔霍夫电流定律来简单说明。在一台“T”型UPS中，应满足电流关系：i1＋i2=i3，i1为输入电流，i2为UPS为输出电流，i3为总输出电流，均为瞬时值。式（1）为向量式。显然，要求与同相，向量图如图3所示。若与有相位差，要输出相同的电流，则在前后相连的UPS间产生环流，该环流在实际并联的UPS间不可避免，但要控制其尽可能地小。在公共母线并联方式中，控制对象是UPS输出电压的幅度与相位，以求达到各并联USP的输出电流同相，并按容量进行均流的目的。控制要求高且复杂，仿真表明，如两台并联UPS的相位相差1°，则环流将达20％额定电流。为保证UPS的并联要求，必须高精度地检测、控制，为此软、硬件的开销较大。并且联络线的存在有可能产生EMI问题，以至于在有些公司推出的并联UPS间采用光纤作联络线。在“T”型UPS的并联连接中，对于其中某一级UPS，我们把控制对象选定为该级UPS自身的输出电流，控制该UPS的输出电流直接跟踪其输入电流（前级输出电流），使UPS自身的输出电流与输入电流达到同相位且达到要求的幅度。输出电流幅度由该级UPS容量S与其前面各级UPS的总容量S根据式（2）确定式中：i1为该UPS的输入电流；ir为跟踪电流的给定值。这样可达到各UPS均流的目的。然后这两个基本相同的电流汇流后经输出端子输出，流向下一级并联的UPS。如图2所示。对于第一级UPS，我们将功能设定为主UPS，其输入电流不存在，其任务是产生符合供电要求的正弦电压波形，其作用实际是正弦电压源。该电压经后面各级UPS的“T”型连接的横臂汇流母排加到负载上。由于汇流母排阻抗很小，可认为加到负载上的电压与第一级U