UPS系統(tǒng)冗余技術

在并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)中，在正常工作時，所有單機UPS并聯(lián)運行，均分負載。如果一個單機UPS故障，或者需要脫離系統(tǒng)進行維護，其余單機UPS有足夠的容量供給負載，能確保負載供電的不間斷，故不必將負載轉換到旁路電源。

1.并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)構成的條件

并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)構成的基本條件是:

(1)組成并聯(lián)冗余UPS的各單機UPS一般應為同容量、同廠家、同型號的產品。

(2)這些單機UPS必須同步運行才能并聯(lián)。即各單機UPS的逆變器的輸出頻率、相位必須相同，而且輸出電壓也必須相同。

(3)各單機UPS之間均分負載。各單機UPS之間無環(huán)流。

(4)各單機UPS出現故障時，應能自動脫離負載母線，即具有選擇性單機UPS跳機性能。

2.并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的同步

(1)同步信號的選擇

一般來說，因為各單機UPS的輸出均同步于其旁路電源，如果各單機UPS的旁路電源是同一個市電電源，各單機UPS就會自然同步運行。但考慮市電停電時各單機UPS將同步于各自內部的晶體振蕩器，在這種情況下就不會自然同步了。為了保證在任何情況下各單機UPS都能同步運行和負載均分，常常采用以下同步方法:

1)主從同步。指定其中一臺單機UPS為主UPS，其余的為從UPS。在正常情況下，有市電時主UPS同步于市電，無市電時同步于自己的內部晶振;所有"從UPS"(可編號為1、2、3……)都同步于主UPS。如主UPS故障，1號"從UPS"自動變?yōu)橹鱑PS。以此類推，2號、3號……UPS也可為主UPS。

2)無主從同步。即不指定主UPS，任何一個單機UPS都可以為主UPS，也可以為從UPS。一般按開機情況隨機確定主UPS，例如哪一臺先啟動完畢，即為主UPS，此主UPS故障時的替代方法同上述方法。

(2)鎖相環(huán)同步

為了使單機UPS的逆變器輸出電壓與同步信號(旁路電源電壓)的頻率和相位相同(同步運行)，需要一種裝置用于檢測逆變器輸出電壓和旁路電壓電源的相位差，并將它們變?yōu)殡妷盒盘柸タ刂颇孀兤鞯南辔缓皖l率，使逆變器與旁路電壓同步，這種裝置就是鎖相環(huán)。鎖相環(huán)是由鑒相器(PD)、低通濾波器(LPF)和壓控振蕩器(VCO)組成的。

鑒相器用于比較輸入信號Ui(t)(如旁路電源電壓)和從壓控振蕩器反饋回來的輸出信號Uo(t)的相位，鑒相器的輸出為正比于兩個信號的相位差的誤差電壓信號Ud(t)。

低通濾波器用于衰減Ud(t)中的高頻分量和噪聲，提高抗干擾能力，輸出控制電壓Uc(t)。

壓控振蕩器是輸出頻率受控制電壓Uc(t)控制的振蕩器。當控制電壓Uc(t)=0時，其輸出頻率固定不變，控制電壓Uc(t)≠0時，振蕩器的輸出頻率隨控制電壓Uc(t)而變化。

在鎖相環(huán)中，如果壓控振蕩器的頻率與同步信號的頻率差異在規(guī)定的范圍內，鑒相器輸出的誤差信號經低通濾波器后，可控制壓控振蕩器的頻率和相位向同步信號靠攏，當壓控振蕩器的頻率與同步信號的頻率完全相同，而且相位差達到恒定時，鎖相環(huán)進入鎖定狀態(tài)。

3.并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的負載均分

在單機UPS系統(tǒng)中，只要旁路電源可用，逆變器總是與旁路電源同步，因此當逆變器故障時，可以通過靜態(tài)開關不間斷地將負載轉換到旁路電源。

在并聯(lián)冗余UPS中，每個單機UPS都與其旁路電源同步，由于各單機UPS的旁路電源是同一個市電電源，各單機UPS就會自然同步運行。但各單機UPS相位還會有微小的變化。為了保證各單機UPS之間均分負載，必須保證各單機UPS輸出電壓的頻率和相位上準確的匹配。為此，通常各單機UPS之間需要通信，進行必要相位調節(jié)。

先進的UPS采用無線并聯(lián)技術，各單機UPS之間不需要通信。每個單機UPS只需要監(jiān)視自己的輸出功率，根據輸出功率的變化情況進行調節(jié)，保持與其他單機UPS同步運行和負載均分。無線并機的原理是利用并聯(lián)的單機UPS之間的相角差與每個單機UPS所承擔負載的關系，進行相位調節(jié)的。例如，兩個并聯(lián)的單機UPS的輸出波形匹配時，它們將均分負載。如果一個單機UPS波形超前另一個單機UPS，它將承擔較多的負載，而另一個單機UPS承擔比例較小的負載。兩個單機UPS之間的負載分配對兩單機UPS的相角差非常靈敏，1度的相角差將會引起50%的負載不平衡。

在無線并機UPS系統(tǒng)中，每個單機UPS都監(jiān)視自己的輸出功率，并跟蹤從一個周波到下一個周波輸出功率的變化，兩個相鄰周波的功率差稱為ΔP。如果一個單機UPS的ΔP增加，表明該單機UPS的相角超前于另一個單機UPS，就需要稍微降低其輸出頻率，進行補償。這種頻率調節(jié)一般在幾個毫赫茲(milliHertz)的數量級。如果一個單機UPS的ΔP減少，表明該單機UPS的相角滯后于另一個單機UPS，就需要稍微提高其輸出頻率，進行補償。在穩(wěn)態(tài)運行中，各單機UPS的ΔP為零，均不調節(jié)它們的輸出頻率。在突加和突減負載時，兩個單機UPS的輸出功率具有同樣的瞬變并進行一次頻率調節(jié)(反向或正向調節(jié))。頻率調節(jié)量也是在幾個毫赫茲(milliHertz)的數量級。

4.并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的故障單機UPS的自動跳機

下面介紹無線并機UPS的選擇性單機UPS跳機。當單機UPS故障，不能為負載供電時，它必須脫離負載母線。無線并機UPS的選擇性跳機性能包括如下兩個過程:檢測單機UPS故障和使該單機UPS從負載母線上斷開。

(1)不影響關鍵負載母線電源質量的故障

有些故障不會影響關鍵負載母線的電源質量，例如某單機UPS因其空氣濾清器堵塞引起過溫，因此不能繼續(xù)工作，必須從負載母線上斷開，原來由此故障UPS承擔的負載可以由其他UPS承擔。這類故障不會影響關鍵母線的電源質量，故障UPS從關鍵負載母線上斷開的時間也不是非常緊急。

(2)影響關鍵負載母線電源質量的故障

有些單機UPS的故障會影響負載母線，例如逆變器的元件IGBT短路，將會影響其輸出電壓，對負載母線電壓造成嚴重影響。對于這種故障應迅速識別并盡快從關鍵負載母線上斷開。

(3)選擇性跳機的方法

如負載均分的控制方法一樣，每個單機UPS只需要監(jiān)視自己是否有故障，發(fā)現故障后立即從關鍵負載母線上斷開。為了識別單機UPS故障，控制電路檢測UPS輸出電壓和輸出電流相對于當前的輸出電壓和輸出電流數據的變化。每個單機UPS的控制器都存儲最后5個周波的每相輸出電壓和輸出電流波形。將最后5個周波的輸出電壓和輸出電流的平均值(VA和IA)與當前的電壓和電流波形(VN和IN)進行比較，計算電壓和電流的增量△V和△I(△V=IN?IA，△V=VN?VA)，然后根據△V′△I乘積的符號確定是否有故障以及是否需要與負載母線脫離。

5.并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的種類

根據旁路系統(tǒng)的配置情況，并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)可分為集中旁路和分散旁路的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)。

(1)集中旁路的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)

集中旁路的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的每個單機UPS都沒有靜態(tài)旁路和維修旁路。整個并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)配置一個集中的靜態(tài)旁路和維修旁路，安裝在一個獨立的并機柜中。并機柜為所有的單機UPS提供統(tǒng)一的同步信號和必要的檢測電路，確保各單機UPS同步運行。靜態(tài)旁路開關和維修旁路開關的容量應能滿足系統(tǒng)輸出容量的要求，即N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的旁路開關的容量應大于或等于N臺單機UPS的容量。

(2)分散旁路并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)

分散旁路的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的每個單機UPS內部都配置靜態(tài)旁路開關和維修旁路。不需要并機柜，各單機UPS可以直接并聯(lián)。

分散旁路并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)有正常方式、旁路方式、蓄電池方式、節(jié)能系統(tǒng)方式、可變模塊管理系統(tǒng)方式5種工作方式。其中節(jié)能系統(tǒng)方式和可變模塊管理系統(tǒng)方式是考慮提高系統(tǒng)效率和節(jié)能而提出的，兩者不能同時運行，根據設置情況，只能運行其中一種方式。

1)正常方式。在正常方式下，市電為每個單機UPS供電，每個單機UPS為負載提供穩(wěn)定、可靠的交流電。各個單機UPS并聯(lián)運行，均分負載。如果市電中斷或超出規(guī)定指標，各單機UPS均自動轉換到電池方式，繼續(xù)不間斷地為負載供電。市電恢復后，各單機UPS自動返回正常方式。如果各UPS過載或故障，各單機UPS均轉換到旁路方式。當過載或故障清除后，自動轉換到正常方式。

2)旁路方式。在旁路方式下，負載直接由旁路電源(市電)供電。系統(tǒng)的旁路電源是從每個單機UPS的旁路電源經靜態(tài)開關引入的。從正常方式轉換到旁路方式的條件是系統(tǒng)過載或負載故障。在N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)中，如果有一個單機UPS故障并脫離供電系統(tǒng)(離線)后，剩余的單機UPS還能夠支持負載，系統(tǒng)就不轉換到旁路，負載由剩余的單機UPS供電;如果多個單機UPS離線，負載必須轉換到維修旁路或關機。在N+0并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)(并聯(lián)無冗余UPS)中，如果有1臺單機UPS跳閘離線，其余的UPS均轉旁路。

3)電池方式。市電中斷或指標超出規(guī)定容限時，UPS系統(tǒng)將自動轉換為電池方式。在蓄電池方式下，各單機UPS中的蓄電池為逆變器提供應急DC電源，各逆變器繼續(xù)運行，不間斷地為負載供電。各單機UPS的逆變器并聯(lián)運行，均分負載。如果市電未能恢復，蓄電池將一直放電到逆變器允許的最低輸入電壓等級。此時，每個單機UPS將發(fā)出"2分鐘后關機"的告警。如果此時旁路電源可用，系統(tǒng)將轉換到旁路方式而不關機。如果蓄電池放電過程中的任意時間，市電輸入電源恢復可用，系統(tǒng)就轉換到正常方式，原來蓄電池承擔的逆變器的輸入功率逐漸由整流器承擔，同時給蓄電池充電。由于蓄電池再充電需要較大電流，整流器啟動后開始時可能會進入限流工作方式。

4)節(jié)能方式(ESS，EnergySaverSystemMode)。節(jié)能方式是指市電電源經靜態(tài)旁路開關直接為關鍵負載供電。運行在節(jié)能方式時，如果市電電源出現異常情況，就自動轉換到正常方式。當旁路電源電壓或頻率超出預定的范圍時，系統(tǒng)就轉換到蓄電池方式，然后轉換到正常方式，由逆變器為負載供電，典型的轉換時間為2ms。從節(jié)能方式向正常方式的所有的轉換均先轉換到蓄電池方式，然后再轉換至雙變換方式。當市電受到嚴重干擾時，系統(tǒng)從ESS方式轉換到雙變換方式并要在雙變換方式運行1h(可編程)，1h后再回到ESS方式。如果在雙變換方式運行1h周期內，又檢測到市電嚴重干擾，則此1h記時將重新開始。

5)可變模塊管理系統(tǒng)方式(VMMS，VariableModuleManagementSystem)。在可變模塊管理系統(tǒng)方式下，UPS與傳統(tǒng)的雙變換UPS工作相同。但UPS根據負載的大小，有選擇地將負載移到少數的單機UPS中，以保證單機UPS的負載率較高，效率較高。當一個單機UPS被設置為VMMS方式時，此單機UPS將停止開通逆變器和整流器，但使其輸出接觸器閉合，以保持其輸出電壓與負載母線電壓相同并與之鎖相。在此方式下，此單機UPS監(jiān)視重要負載母線，并保持其輸入接觸器閉合，在關鍵負載母線出現干擾和有階躍負載時，此單機UPS立即返回運行，為負載供電。在VMMS方式中，單機UPS可用的最大功率被限制到單機UPS額定功率的80%，如果負載超過了此極限，則需增加單機UPS，以承擔增加的負載。在市電嚴重干擾時，UPS將轉換到雙變換正常方式，所有的單機UPS運行1h，此1h終了時，UPS將自動轉換回VMMS方式。如果在此1h內有出現市電嚴重干擾，則1h定時器將重新啟動，UPS再重新開始在正常方式運行1h。

6.并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的并聯(lián)臺數

采用并聯(lián)冗余UPS可以得到較高的可用性。一般可采用1+1或N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)。1+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)可提供比N+1并聯(lián)冗余UPS更高的可用性，一般用于要求很高的應用中。在需要綜合考慮成本、可靠性和擴容性的場合，可選擇N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)。

N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的可用性比單機UPS的可用性高。但是，N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的并聯(lián)臺數不是越多越好。1+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的可用性最高，隨著并聯(lián)臺數的增加，N+1并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)的可用性會下降。當并聯(lián)臺數為大于4(3+1)臺時，系統(tǒng)可用性將會急劇下降。在實際應用中，隨著并聯(lián)臺數(包括蓄電池組)的增加，UPS系統(tǒng)故障率顯著增加;系統(tǒng)的成本和維護量也會增加，維護量的增加意味著人為干預增多，因而增加了系統(tǒng)故障的危險。

7.并聯(lián)冗余UPS的局限性

并聯(lián)冗余是獲得高可靠性和高可用性UPS的重要方法。并聯(lián)冗余UPS可以滿足各種關鍵負載的要求，所以得到了最廣泛的應用，但也有其局限性。

然而，對于單電源輸入的負載，如果為其供電的斷路器故障跳閘，必然會引起這個負載斷電。為此，可以采用靜態(tài)轉換開關STS，STS的兩路輸入由兩個分路引入，其中一個優(yōu)先供電，當此路的斷路器或線路故障時，由STS將負載轉換到另一路供電。轉換時間一般在5ms內，故不會影響負載的工作(一般設備允許瞬間供電中斷的時間是8-20ms)。因此，采取STS的辦法，單電源負載也相當于雙電源負載，一個電源故障時也不會造成負載斷電。所以，一般來說，對單電源負載也沒有問題了。

但是，當并聯(lián)冗余UPS本身出現故障時，就造成關鍵負載的系統(tǒng)故障。在實際應用中，這種故障是時有發(fā)生的。

必須指出，并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)(單母線輸出)運行中，絕對不能出現超過20ms的停電或閃斷現象，才能保證負載的安全運行。但是，這是不可能避免的。

在下列情況下常常會導致并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)輸出停電或閃斷故障:

1)UPS的整流器的濾波電容器發(fā)生故障(爆炸)。

2)UPS輸出的配電電路發(fā)生短路故障。

3)UPS的整流器的SCR發(fā)生短路故障，或IGBT燒壞。

4)旁路靜態(tài)開關的SCR誤導通。

因此，并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)不是絕對可靠。