UPS冗余并聯(lián)與雙總線連接供電方案

1、UPS冗余并聯(lián)與雙總線連接供電方案(二)時(shí)間：2009-05-04 10:23:25 來源：電源技術(shù)應(yīng)用 作者：王其英22 UPS雙總線供電方案的電路結(jié)構(gòu) 有一種說法，雙總線是根據(jù)美國T4等級(jí)(Tier4)標(biāo)準(zhǔn)的要求而來的。圖6就是這種雙總線UPS冗余供電方案。從圖中可以明顯地看出，雙總線的每一路都是由多臺(tái)UPS并聯(lián)的。就目前的UPS并聯(lián)水平來看，可以做到8臺(tái)并聯(lián)。比如臺(tái)灣至少有5個(gè)數(shù)據(jù)中心采用的就是8臺(tái)并聯(lián)2的雙總線供電系統(tǒng)。如果在8臺(tái)UPS冗佘并聯(lián)之內(nèi)就可以解決的問題，最好不要輕易采用雙總線。尤其是在兩臺(tái)單機(jī)UPS就可以做l+l并聯(lián)冗余的時(shí)候，硬要改用雙總線方案，不但使設(shè)備量成倍增加，而且

2、由于引入了串聯(lián)功能的設(shè)備STS，使能量通道上又多增加了故障點(diǎn)，導(dǎo)致的投資還要遠(yuǎn)高于雙倍1+1并聯(lián)冗余時(shí)的情況，因?yàn)镾TS要比同容量的UPS價(jià)格高得多，同時(shí)還失去了原來直接并聯(lián)時(shí)過載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可靠性比原來也有所降低。 眾所周知，任何解決方案和規(guī)劃都是有條件的，有其特定的使用環(huán)境，也就是有其局限性。因此，不可不講條件、時(shí)間和地點(diǎn)地到處亂用，否則，不但達(dá)不到預(yù)期的目的，反而會(huì)事倍功半。3 兩種供電方案的比較31 兩種供電方案的可靠性及故障率比較 為了有一個(gè)量的概念和直觀而容易理解，仍設(shè)所有設(shè)備的可靠性r都是099；也是為了簡單明了，暫不考慮UPS以前和STS以后的這些共有的配電部分。由此見圖7(

3、a)虛線方框內(nèi)的部分，并由此作出可靠性結(jié)構(gòu)模型圖。從可靠性的觀點(diǎn)出發(fā)，凡是在該環(huán)節(jié)故障時(shí)都能導(dǎo)致系統(tǒng)不正常的情況通通算作串聯(lián)環(huán)節(jié)，因此連接圖7(a)的同步器LBS、靜態(tài)開關(guān)STS和隔離變壓器B1在可靠性上同UPS都是串聯(lián)關(guān)系，如圖8所示。由于兩臺(tái)UPS在STS的輸出端在功能上對(duì)雙電源負(fù)載是并聯(lián)關(guān)系，就認(rèn)為二者是并聯(lián)關(guān)系，由此得出系統(tǒng)可靠性： 不可靠性或故障率就是O001 55，即萬分之十五。從前面的式(3)可以看出，兩臺(tái)UPS直接并聯(lián)時(shí)的供電系統(tǒng)可靠性是萬分之一，而圖7(a)增加了6個(gè)設(shè)備以后，造價(jià)成倍地增加，而可靠性則成十倍地降低。根據(jù)上面的計(jì)算，故障率是前者的15倍。32 雙輸入交流電時(shí)兩

4、種供電方案ATS功能的比較 有人認(rèn)為雙機(jī)冗余并聯(lián)時(shí)只用了一個(gè)ATS，這是個(gè)單點(diǎn)故障點(diǎn)，或稱為瓶頸；而雙機(jī)雙總線時(shí)則用了兩個(gè)ATS，由于有冗余關(guān)系，消除了瓶頸效應(yīng)。 1)雙UPS冗余并聯(lián)ATS的功能 雙交流輸入可能是雙市電，也可能是一路市電和一路燃油發(fā)電機(jī)組。在這里以雙路市電輸入為例。雙機(jī)冗余并聯(lián)時(shí)一般是利用ATS將雙市電互投為一路輸出，如圖9(a)所示。若以市電1為主電源，市電2為備用電源，ATS通常接通市電l到UPS組。當(dāng)市電l故障時(shí)，ATS就斷開市電1而將市電2轉(zhuǎn)接到UPS組上。一旦ATS故障，就無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接功能而使后面的所有UPS失去輸入電壓。這就是所謂的瓶頸效應(yīng)，也有的稱為單點(diǎn)故障。當(dāng)

5、然，為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生，一般都采取了補(bǔ)救措施，比如有的廠家在ATS切換無法進(jìn)行時(shí)就采用搖臂以手動(dòng)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換；也有的廠家有可選擇的旁路開關(guān)，在ATS故障時(shí)用人工的方法把旁路開關(guān)合上去。加了這些措施，瓶頸本身依然存在。 2)雙機(jī)雙總線時(shí)ATS的功能 圖9(b)的雙ATS的連接法就消除了這種隱患呢。首先討論一下它的工作原理。 在正常情況下，一般都是這樣設(shè)置的：ATSl將市電l接通到UPSl，ATS2將市電2接通到UPS2。比如由于某種原因?qū)е率须?斷電，ATSl就自動(dòng)切換到市電2，以使UPSl能夠不間斷地得到輸入電壓；但由于某種故障原因使得ATSl在市電l斷電時(shí)而無法實(shí)現(xiàn)切換，即市電2因ATS

6、l無法切換而使UPSl得不到市電2的支持，仍然會(huì)處于無輸入電壓狀態(tài)，只好待電池放電終結(jié)后而關(guān)機(jī)，但由于STSl的存在，UPS2的輸出電壓會(huì)及時(shí)地經(jīng)STSl切換到UPSl后面的負(fù)載上去，如圖10所示。由于此時(shí)UPS2的輸入電壓尚在正常供電，所以可使UPSl和UPS2的負(fù)載仍然不間斷地工作下去。雙總線的優(yōu)點(diǎn)只有在這里才得到了體現(xiàn)。不過，現(xiàn)在已處于無冗余供電狀態(tài)，維修時(shí)間已成關(guān)鍵，為了改善這種狀況，最好雙總線的每一路增加冗余，比如都變成1+l，不過這時(shí)的設(shè)備量又成倍增加了。 另一方面，在雙總線的情況下，雙電源負(fù)載的兩個(gè)輸入電壓是從兩路引來的同相電壓，即都是A相或都是B相、或C相，這又埋下一個(gè)隱患：

7、當(dāng)一路故障時(shí)(如上例中的市電1故障時(shí)的情況)，最后經(jīng)STS2將UPS2的輸出電壓切換到UPSl的負(fù)載上，可以看出，此時(shí)雙電源負(fù)載的兩路輸入電壓是同一相，如果這時(shí)對(duì)應(yīng)這一相的開關(guān)故障(接觸不良或斷開)，該雙電源負(fù)載就會(huì)因全部斷電而停機(jī)。原來的目的是即使一個(gè)UPS后面的單電源負(fù)載全部斷電時(shí)，該雙電源負(fù)載也不至于斷電，而此時(shí)的目的就達(dá)不到了。4 采用雙總線的適當(dāng)場(chǎng)合41 采用雙總線的場(chǎng)合 雙總線作為冗余并聯(lián)的補(bǔ)充措施在一定的場(chǎng)合下就可顯示出它的優(yōu)越性。這種場(chǎng)合就是容量與可靠性出現(xiàn)矛盾時(shí)。比如一個(gè)信息機(jī)房的用電量是2500kVA，要求并聯(lián)冗余后的供電電源系統(tǒng)的可靠性R=099999，選定了某品牌單機(jī)容

8、量為400kVA的UPS。為了方便分析，假如每臺(tái)UPS的可靠性r相同，取r=099，目前UPS并聯(lián)的臺(tái)數(shù)不超過8，此處取8臺(tái)并聯(lián)。取7+1即可是400kVA7=2800kVA，滿足了2 500kVA的需求，如圖11(a)所示?？纯煽啃訰8是否滿足。根據(jù)可靠性計(jì)算公式： 這一次滿足了要求。但容量只有400kVA6=2400kVA，容量又不能滿足了。如果用戶的容量要求不可更改，只有采用雙總線方可，如圖11(b)所示。在雙總總線的情況下，系統(tǒng)地可靠性就是： 此時(shí)倒是滿足了可靠性的要求，但設(shè)備量增加了一倍多，投資也成倍增加，損耗也顯著增加，這就需要權(quán)衡利弊。 若采用500kVA的6+2方案會(huì)更經(jīng)濟(jì)些。

9、而且容量500kVA6=3000kVA富裕很多，不但減少了投資、降低了損耗，也提高了系統(tǒng)的可靠性。 這個(gè)例子說明，在很多情況下雙總線并不是唯一的和最佳的解決方案。從前面的討論也可看出，當(dāng)容量與可靠性不發(fā)生矛盾時(shí)，如果硬要采用雙總線，不論什么理由都是不可取的。42 減少設(shè)備量的途徑 人們不禁要問：難道為了得到這一點(diǎn)好處就必須花費(fèi)幾倍的投資嗎?實(shí)際上大可不必，正如前面討論的那樣。 (1)即使一個(gè)ATS故障而不能將另一路市電接入時(shí)，仍能保證全部負(fù)載不斷電，從這個(gè)觀點(diǎn)上說，可以將前面的兩個(gè)ATS更換成普通斷路器； (2)既然要求在任何一路市電或UPS故障時(shí)都要保證全部負(fù)載不斷電，冗余并聯(lián)的UPS就可以

10、完全滿足，所以UPS輸出和負(fù)載之間除了必要的開關(guān)之外，沒有必要再增加STS進(jìn)行多余的切換； (3)這里的重點(diǎn)就轉(zhuǎn)到如何在一路市電和ATS同時(shí)故障時(shí)仍能使另一路市電可靠地接入。這個(gè)問題再容易解決不過了，比如給雙機(jī)冗余輸入端的ATS配上旁路開關(guān)(有的是選件，有的就是標(biāo)配)就可解決了，因?yàn)橐宦肥须姷綦娛怯懈婢?，UPSl輸入電壓斷電也是有告警的，值班員就可在確認(rèn)ATS確實(shí)故障后而合上旁路開關(guān)。不要期望全自動(dòng)化，一般這樣的機(jī)房都會(huì)有值班員。當(dāng)然，如果確實(shí)需要全自動(dòng)化，也是可以的，只要向供應(yīng)商提出要求就是了。因此，雙總線的供電效果完全可以用很小的代價(jià)來取得。 (4)減少UPS和STS設(shè)備量的途徑 如果有

11、的用戶確實(shí)對(duì)雙總線結(jié)構(gòu)情有獨(dú)鐘，也未嘗不可，在保證可靠性與可用性的前提下也有節(jié)約的方法。有的認(rèn)為雙總線必定需要用圖11(b)的結(jié)構(gòu)方式，即兩路電源必須用兩個(gè)臺(tái)大容量STS進(jìn)行互相切換。實(shí)際上雙總線也各有不同。如圖12(a)為雙開關(guān)二單機(jī)雙總線結(jié)構(gòu)。 這個(gè)電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于每臺(tái)UPS有兩個(gè)輸入開關(guān)，一個(gè)普通斷路器和一個(gè)ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)。普通斷路器供UPS主電路應(yīng)用，ATS供兩臺(tái)UPS的旁路用電，這樣一來從輸入開關(guān)上就加了一層冗余，即使其中一路市電故障斷電，仍能保證雙電源設(shè)備的雙路供電。這里只用了一個(gè)STS為單電源設(shè)備供電，與雙UPS并聯(lián)冗余相比，增加設(shè)備不多。如果采用分散小型STS結(jié)構(gòu)方案，功耗、

12、價(jià)格和占地面積還可降低。 圖12(b)為雙開關(guān)三單機(jī)雙總線冗余結(jié)構(gòu)。從前面的分析可知，當(dāng)一路市電故障(比如市電1)斷電時(shí)，斷電這一路UPSl的輸出就是通過ATS送過來的市電，這樣一來，雙電源設(shè)備的兩個(gè)輸入就有一路是市電，有可能引入干擾。為此可用第三臺(tái)UPS來代替圖(a)中的市電，如圖(b)所示，此結(jié)構(gòu)同時(shí)也具有了串聯(lián)熱備份的功能?！癟”型連接結(jié)構(gòu)的UPS并聯(lián)運(yùn)行方案南京航空航天大學(xué)航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黃文新 陳宏 胡育文（南京） 摘要：提出一種“T”型連接結(jié)構(gòu)的UPS并聯(lián)運(yùn)行方案，該方案中并聯(lián)運(yùn)行的UPS省去信號(hào)聯(lián)絡(luò)線，屬于主從式UPS并聯(lián)。從“T”型結(jié)構(gòu)UPS將前級(jí)UPS的輸出電流引入并以此

13、電流作并聯(lián)控制信號(hào)，采用電流追蹤型PWM控制信號(hào)發(fā)生方案，可使其輸出電流與前級(jí)輸入電流保持同相，并可達(dá)到均流的目的。文中給出了仿真結(jié)果，表明該方案是可行的。 關(guān)鍵詞：UPS并聯(lián)運(yùn)行拓?fù)?1 引言 在大型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)站、通信設(shè)備機(jī)房等場(chǎng)合，廣泛采用UPS作運(yùn)行電源。隨著設(shè)備的添置，供電可靠性要求的提高，UPS的容量也越來越大，從UPS運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及可靠性考慮，根據(jù)用電設(shè)備容量的增長逐步添置UPS實(shí)行并聯(lián)運(yùn)行具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。由于UPS由電力電子開關(guān)器件組成，其并聯(lián)運(yùn)行在技術(shù)上是較為復(fù)雜的。目前解決UPS并聯(lián)運(yùn)行的辦法根據(jù)其有無采用信號(hào)連絡(luò)線而分為兩種1: （1）UPS間有聯(lián)絡(luò)線方式； （2）UP

14、S間無聯(lián)絡(luò)線方式。 信號(hào)聯(lián)絡(luò)線實(shí)際為并聯(lián)UPS單元之間的控制信號(hào)的傳遞通道，通過控制信號(hào)的傳遞使得并聯(lián)UPS間滿足并聯(lián)條件，實(shí)現(xiàn)負(fù)載容量（有功、無功）的合理分配。UPS間無聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)運(yùn)行文獻(xiàn)已見報(bào)道的控制方案為電壓、頻率外特性“下垂法”，這種并聯(lián)方法可省卻信號(hào)的聯(lián)絡(luò)線，但會(huì)造成輸出電源的頻率、幅度在小范圍內(nèi)波動(dòng)。 本文提出一種“T”型連接結(jié)構(gòu)拓?fù)涞腢PS及其并聯(lián)運(yùn)行控制策略，這種UPS并聯(lián)運(yùn)行的方法簡單可靠，屬于無聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)法。 2 “T”連接拓?fù)浼安⒙?lián)運(yùn)行工作原理 普通UPS并聯(lián)運(yùn)行的連接拓?fù)淙鐖D1所示，UPS的輸出端子連接到共同的配電母線上，再向負(fù)載供電。而“T”型連接的UPS除輸出端子外

15、，還有輸入端子，輸入、輸出在內(nèi)部是相接的，UPS的實(shí)際輸出連接到這兩個(gè)輸入輸出端子之間的聯(lián)線上，構(gòu)成“T”型，即前一臺(tái)UPS的輸出端子連接到后一臺(tái)UPS的輸入端子上，每臺(tái)UPS的輸入電流在內(nèi)部與自身的輸出電流匯合至輸出端子，連接拓?fù)淙鐖D2所示。 并聯(lián)運(yùn)行的原理可用基爾霍夫電流定律來簡單說明。在一臺(tái)“T”型UPS中，應(yīng)滿足電流關(guān)系：i1i2=i3，i1為輸入電流，i2為UPS為輸出電流，i3為總輸出電流，均為瞬時(shí)值。 式（1）為向量式。 顯然，要求與同相，向量圖如圖3所示。若與有相位差，要輸出相同的電流，則在前后相連的UPS間產(chǎn)生環(huán)流，該環(huán)流在實(shí)際并聯(lián)的UPS間不可避免，但要控制其盡可能地小。

16、在公共母線并聯(lián)方式中，控制對(duì)象是UPS輸出電壓的幅度與相位，以求達(dá)到各并聯(lián)USP的輸出電流同相，并按容量進(jìn)行均流的目的?？刂埔蟾咔覐?fù)雜，仿真表明，如兩臺(tái)并聯(lián)UPS的相位相差1，則環(huán)流將達(dá)20額定電流。為保證UPS的并聯(lián)要求，必須高精度地檢測(cè)、控制，為此軟、硬件的開銷較大。并且聯(lián)絡(luò)線的存在有可能產(chǎn)生EMI問題，以至于在有些公司推出的并聯(lián)UPS間采用光纖作聯(lián)絡(luò)線。 在“T”型UPS的并聯(lián)連接中，對(duì)于其中某一級(jí)UPS，我們把控制對(duì)象選定為該級(jí)UPS自身的輸出電流，控制該UPS的輸出電流直接跟蹤其輸入電流（前級(jí)輸出電流），使UPS自身的輸出電流與輸入電流達(dá)到同相位且達(dá)到要求的幅度。輸出電流幅度由該級(jí)

17、UPS容量S與其前面各級(jí)UPS的總?cè)萘縎根據(jù)式（2）確定 式中：i1為該UPS的輸入電流； ir為跟蹤電流的給定值。 這樣可達(dá)到各UPS均流的目的。然后這兩個(gè)基本相同的電流匯流后經(jīng)輸出端子輸出，流向下一級(jí)并聯(lián)的UPS。如圖2所示。對(duì)于第一級(jí)UPS，我們將功能設(shè)定為主UPS，其輸入電流不存在，其任務(wù)是產(chǎn)生符合供電要求的正弦電壓波形，其作用實(shí)際是正弦電壓源。該電壓經(jīng)后面各級(jí)UPS的“T”型連接的橫臂匯流母排加到負(fù)載上。由于匯流母排阻抗很小，可認(rèn)為加到負(fù)載上的電壓與第一級(jí)UPS的輸出電壓相差甚微。后面各級(jí)UPS為從UPS，從UPS實(shí)際為電流控制性電流源。供給負(fù)載的電流為各UPS的總和。 3 “T”型

18、UPS的控制策略 設(shè)定的主UPS具備通常UPS的功能，為并聯(lián)系統(tǒng)的正弦波電壓源。為適合“T”型連接并運(yùn)行，設(shè)定為從UPS的控制檢測(cè)電路與普通UPS最顯著的不同之處在于要對(duì)前級(jí)向本級(jí)的輸入電流進(jìn)行檢測(cè)，然后追蹤此輸入電流的變化，控制本級(jí)的電流輸出。生成電流跟蹤PWM信號(hào)，控制逆變器開關(guān)。電流追蹤PWM控制具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、響應(yīng)快、實(shí)現(xiàn)容易的優(yōu)點(diǎn)。本“T”型UPS構(gòu)造的電流跟蹤PWM控制方式原理如圖4所示，為簡單起見，圖中只給出一條橋臂的控制電路。用霍爾電流傳感器檢測(cè)輸入輸出電流，輸入電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)跟蹤電流給定計(jì)算，得到給定參考電流ir，當(dāng)實(shí)際輸出電流反饋值if與ir之差達(dá)到滯環(huán)的上限值時(shí)，即ifir，使V2導(dǎo)通，V1截止，輸出電流i2將下降。當(dāng)if與ir之差達(dá)到滯環(huán)的下限值時(shí)，即ifir，使V1導(dǎo)通，V2截止，輸出電流i2將上升。這樣，通過V1、V2的交替通斷，使|i2ir|，實(shí)現(xiàn)i2對(duì)ir的自動(dòng)跟蹤。如ir是正弦電流，則if也近似為一正弦電流，如ir是非正弦電流，則if的波形也將與ir一致。為減少跟蹤輸出電流的紋波，須限制跟蹤電流的變化率，根據(jù)仿真結(jié)果，逆變橋輸出電感在10kHz的開關(guān)頻率下應(yīng)不小于2mH。為驗(yàn)證“T”連接結(jié)構(gòu)的UPS并聯(lián)運(yùn)行控