浅析直接并机型冗余式UPS供电系统

金 薇

(苏州工业职业技术学院 电子与通信工程系，江苏 苏州 215104)

一些重要用户如：国家计算机中心、银行结算中心、通讯中心等大型数据中心的服务器、路由器等要求UPS供电系统的故障率非常之低，最好故障率为零.虽然现在大型UPS电源的平均无故障时间可达20万 h以上，但并不能确保故障率为零，因此必须采用具有容错功能的冗余配置以增加供电系统的可靠性.冗余配置方式有：主机-从机“热备份”供电方式、直接并机冗余供电方式、双总线冗余供电方式.

主机-从机“热备份”供电方式对UPS单机的同步跟踪特性要求不高，但是要求所选用的UPS单机必须具有优良的带“阶跃性负载”的能力，而且其供电系统没有扩容能力.为了克服上述弱点，可以采用直接并机型冗余式供电系统，即将具有相同额定输出功率的UPS电源输出端并联起来向负载供电.本文阐述直接并机型冗余式UPS供电系统的技术难题，并对常见的5种直接并机方案的工作原理及其优缺点进行分析.

1 直接并机型冗余式UPS供电系统的技术难题

直接并机型冗余式UPS供电系统要解决的技术难题是：不能在直接并机的各台UPS之间出现环流，也就是说直接并机的UPS电源输出的电流只能流向负载，而不能在各个UPS电源之间流动[1].2台UPS并机后不出现环流有以下两个条件.

1)2台UPS的逆变器电源应处于同相位、同频率的同步跟踪状态.如果2台UPS的逆变器输出电源仅达到输出幅度相同，但未达到同相位和同频率的要求(如图1(a)所示)，将会在UPS-1和UPS-2之间形成幅度和极性都随时间而变化的瞬态电压差.例如：在t=t1时刻，由于UPS-1电源的电压瞬态值大于UPS-2电源的瞬态值，在此条件下所形成的“环流”是从UPS-1流向UPS-2的.相反，当t=t2时，环流是从UPS-2流向UPS-1的.

2)2台具有同相位、同频率的UPS逆变器电源的幅度必须相等.如图1(b)所示的是2台具有同相位和同频率同步关系而输出电压幅值不同的UPS电源.由于UPS-1电源的电压瞬态值始终大于UPS-2的，所以环流的方向是固定不变的，总是从UPS-1流向UPS-2，而大小随时间而变化[2].

上述两种导致“直接并机系统”出现环流的因素中，不能满足第一个条件的危害程度远远大于第二个.如果直接并机系统出现过大的环流，会烧毁UPS的逆变器电源.

另外，即使满足了以上条件，采用相同的电路设计和生产工艺，还是不能保证生产出的UPS电源具有相同的内阻.这种情况下，并联的UPS电源仍会出现各台UPS对负载所提供的电流不同的现象.各台UPS电源长期这样工作将出现明显不同的老化程度，从而造成整个UPS供电系统使用寿命缩短[3].

2 直接并机型冗余式UPS供电系统的并机方案

目前的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，主要有5种直接并机方案：“1+1”型直接并机方案；“导航型”直接并机方案；“并机柜”直接并机方案；多逆变器功率驱动模块直接并机方案；Best 4000型并机方案.

2.1 “1+1”型直接并机方案

“1+1”型直接并机方案如图2所示，将2台具有相同型号和相同额定输出功率的UPS的逆变器输出端直接并联，并给每一台UPS配置了一块“1+1”并机控制板.在正常工作时，每台UPS承担一半的负载电流.如果其中一台出故障，系统会自动将这台UPS脱机，让另一台UPS继续向负载供电[4].这时这台UPS输出端向负载提供的电流从50%增长到100%，对UPS的“冲击”较小.而对于主机-从机型“热备份”UPS供电系统来说，在这种情况下，“从机”输出端向负载提供的电流是从0上升到100%，这种阶跃负载电流对UPS的“冲击”较大.

2.2 “导航型”直接并机方案

采用“导航型”直接并机方案的产品在出厂时将其中的一台UPS单机指定为具有优先跟踪市电电源的“导航UPS”，让处于多机并机系统中的其它的逆变器跟踪“导航UPS”的逆变器电源，而不是去直接跟踪市电电源，如图3所示.这种冗余式UPS供电系统运行中，如果它的第1台“导航UPS”出故障时，则由工厂所指定的第2台UPS单机来承担“导航UPS”的任务.采用这种直接并机的方案的好处是：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”.而缺点是：在这套UPS供电系统中可能出现各UPS单机的相位差较大，环流偏大，不利于整个UPS供电系统的可靠性.例如，对于采用120 kVA单机所构成的3台并机系统，其环流可达4～10 A.

在这种配置方案中，还存在另一个潜在的危险：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，由于分别位于各条交流旁路供电通道上的“静态开关”的管压降很难保证完全相同，就会造成流过各条交流旁路“静态开关’的电流不一致.显然，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”现象越厉害，严重时会造成交流旁路静态开关被烧毁，完全切断市电电网对负载的供电通道.

2.3 “并机柜”直接并机方案

采用本方案的目的是为解决上述多机冗余UPS配置方案中所出现的位于交流旁路上的“静态开关”不均流的问题.其配置方案如图4所示，它用另一专门的“并机柜”.位于该“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实现各台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)[5].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，市电电源将以位于并机柜中的一套交流旁路静态开关向负载供电，而不会出现如“导航型UPS”直接并机配置中所出现的由N套交流旁路“静态开关”同时向负载供电而产生的不均流问题.

但是，本并机方案限制了直接并机冗余系统的扩容功能，因为并机柜的静态开关的电流容量是根据系统容量量身定做的，当系统需要扩容时，必须重新更换新的并机柜，使扩容工作变得复杂.

2.4 多逆变器功率驱动模块直接并机方案

多逆变器功率驱动模块直接并机方案采用由1套UPS逆变器逻辑控制电路来带动N块有相同标称输出功率的逆变器功率驱动模块，然后再将这些逆变器模块的输出端并起来，以实现UPS扩容的目的.采用这种方案的优点是它的结构模块化，用户很容易实现UPS供电系统的增容配置，如图5所示.

然而，这套UPS供电系统的可靠性是建立在所有的逆变器驱动模块都具有相同的内阻和动态输出特性的基础上的，这点在实际上是很难做到的.这样，会对整个UPS供电系统的可靠性产生威胁，因为那些内阻较小的逆变器模块会长期工作在过流输出状态下，从而导致这些逆变器模块的使用寿命明显低于其它模块.

2.5 Best 4000型并机方案

Best 4000型并机方案综合了“1+1”型直接方案、“导航型”直接并机方案和“并机柜”直接并机方案的优点.它不需要并机柜，可并联8台单机.其逆变器逻辑具有独特的同步跟踪功能，可确保各机逆变器同频、同相位输出，先开机的UPS自然成为导航机，它发往同步总线的逆变频率为主导频率，当主导机故障退出时，系统自动指定任一台机作为主导，只有所有机都退出时才会选择旁路市电作为同步源.各机的并机板除监视各逆变器输出状态以便决定故障机脱机外，还控制整个系统内各机之旁路电，如系统内任何一台机强行(人为)跳旁路，则系统内所有逆变器静态开关断开，所有旁路静态开关同时闭合；反之，如有任一台UPS切换回逆变输出，则所有旁路静态开关均断开，所有UPS逆变静态开关均闭合并均分负载.并机板还有输出电流控制功能及有功、无功功率调控功能，可均分负载或按比例分配负载，这一特性特别适合不同功率UPS并机之用.除此，特殊的逻辑系统还可将并机系统设置为冗余方式(均分负载)、热备份方式及冷备份方式.以1+1方案为例，若系统总负载减少到两机、各带负载少于50%，则系统会从冗余方式转为热备份方式(一台退出，另一台带100%负载)；当系统负载增大后，则将自动转回冗余并机运行，这样可起到节能效果.

3 结论

综上所述，直接并机型冗余式UPS供电系统瞬间过载能力强，能自动均分功率；既可工作在冗余方式下，也可工作在扩容方式下；系统中每台UPS都可以在不影响系统正常运行、完全断电的情况下进行维修，真正实现在线维护.

但是，从实际UPS基本技术来看，UPS并机数量越多对控制系统的要求也就越高，整个UPS供电系统的平均无故障时间(MTBF)将随之下降.因为单台UPS的数目越多，各台UPS的性能参数的离散度就越大，各UPS单机同时同步跟踪同一市电电源所形成的相位差的离散度也越大，从而造成整个系统的稳定性变差.就目前的UPS制备工艺水平来看，如果并机系统的UPS单机数量增加到8台以上，这时多机系统的可靠性很可能还不如一台UPS的MTBF值.所以应考虑多机系统的可靠性，从性价比的角度去衡量选择配置UPS多机冗余供电系统的单机数量和合适的并机方案.可靠性最高的是“1+1直接并机”UPS供电系统.

[1]孙静.“1+1”UPS供电系统的改进方案[J]. 现代电信科技，2011 (7)： 52-53，57.

[2]陈敬学. UPS供电系统的改造以及维护[J]. 中国有线电视，2010(1)：95-96.

[3]段善旭，刘邦银，康勇，等. 基于分散逻辑的UPS逆变电源并联控制技术[J]. 电力电子技术，2004(2)：56-58.

[4]于玮，徐德鸿，周朝阳. 并联UPS系统均流控制[J]. 中国电机工程学报，2008(21)：63-67.

[5]汪东，邓焰，何湘宁. UPS电源系统的并联技术与电池管理[J]. 电气应用，2007(5)：6-13.