ups环流问题.doc

关于机房中并机UPS系统环流问题的讨论作者：王其英 来源：cra-ccua 日期：2007-9-12 15:39:51一、概述1.可用性的提出由于IT技术的发展和应用的飞速发展，现在可以说是计算机机房林立，而且对机房系统的可靠性与可用性要求越来越高。供电系统的可靠性要首当其冲，因为供电是根本的根本，所以用户对供电的可靠性与可用性提出了很高的要求。正如大家所熟悉的可用性公式 （1）式中：A是可用性，单位是百分数（%）MTBF是设备的平均无故障时间，单位是小时（h）。其表达式为： （2）MTTR是平均修理时间，单位是小时（h）。其表达式为： （3）从式（1）（3）可以看出，如果提高设备的可靠性，即延长其平均无故障时间，就可以提高可用性，比如使MTBF，但质量的提高是有限的，而且随着质量的提高价格会飞速上升；如果使MTTR0，从宏观上说，维修时间为零时不可能的，但若变通一下就有了可能，比如采取冗余方案。2.供电冗余方案的实施所谓供电冗余，就是说供电电源的容量大于负载要求的一定值，而且当电源的某一部分故障时供电仍不间断。目前几乎所有IT机房中的供电都采用了UPS，所以这里讨论的冗余主要以UPS为主，图1给出了四种UPS双机冗余的电原理图。根据配置方式的不同就有着（a）双路（总线）供电 （b）双机冗余并联供电 （c）串联热备份 （d）双总线切换图1 1+1 式配置UPS冗余的几种形式不同的可靠性指标。比如在假设每个构成系统的单元可靠性均为0.99的情况下，经计算得出的不可靠性为： （a）=（d）=2（c）=4（b） （4）在这里暂不讨论这些指标为什么会有这样的不同，主要讨论（a）中并联冗余方式的环流问题。因为不论是UPS单机冗余还是N+X模块冗余，使许多使用者最担心的还是并联式的环流问题。二、 并机环流有不少技术人员很关心UPS的并机环流问题，总是担心并机系统会被环流烧坏。尤其是有些用户开口就问“你的UPS并机环流是多少？”这个问题有时马上会得到答案：“1%”或“2%”，但有时就得不到确切答案。得到确切答案也好，得不到确切答案也罢，实际上都是不确定的。这可以用图2来看一看这种情况。在这里以两台UPS并联为例。图2 UPS并机环流自调整原理图一般的理解是：当两台UPS并联时，两台UPS的输出电压不会完全相等，即图2中的E1E2，由于差值DE（= E1- E2）的存在，两台UPS在线负载提供负载电流的同时，他们之间还会有一个很大的环流IL附加上去，如图中点划线所示，就会将UPS烧毁。出于此担心，用户提出这样的询问是正常的。岂不知这当中存在着一定的误解，现就以下几个问题进行讨论。（1）环流与回路电流的细微区别在人们的心目中环流是一种非常大的对负载无益而对电路有害的电流，所谓环流就是在一个闭环电路中，电流周而复始的转圈。一般负载电流则不同，负载电流虽然也是形成回路的一种环流，但它的电流是由电动势的正极流出而中止于负极，看起来也是构成了一个环路，而且这个电流是负载所要求的，因此对负载是有用的。（2）环流的产生与含义由于上述的细微区别，在产生的机制上就有所不同，形成环流必须有两个电动势，在这一点上的认识是一致的，认识不一致的地方在于：一个认为只要电路中同时存在几个电动势就会有环流；一个认为只有几个电动势串联占优势时，才会形成环流。所谓优势是指在一个电路中同时存在几个电动势的情况下，而串联的数量和电压都占优势时的概念。这里以两个电动势为例，如3（a）所示。从该图中可以看出，两个电动势是串联关系，电流从一个电动势的正极出发到达另一个电动势的负极，而且两个电动势又互为负载，其环流IL的大小为：（a）两个电动势串联电路 （b）两个电动势并联电路图3 环流与负载电流的区别 （5）式中： IL是电路中的环流值，安培（A）。E1,E2是电路时电路中的电源电动势，伏特（V）。r1, r2是电路中的线路阻抗与两个电动势的内阻综合值，欧姆（W）。电动势串联在UPS中引用不多，但有时为了某种目的也采用这种方法，这时就是有用的了，比如当一个电压值不够高时，可用几个电动势串联的方法来满足要求。又比如大功率（上兆瓦）高压逆变器就采用几个晶闸管方波逆变器输出串联的方法来构成阶梯波电压，以接近正弦波波形等。所以，从根本上讲，几个电动势的并联在效果上就是构成了一个电源。图3（b）所表示的是两个电动势并联的电路。但两个电动势E1E2，并假设E1E2时，也会出现类似环流的情况，这时的电流大小为： （6）式中： IR是电路中的回路电流值，安培（A）。其他符号与计量单位和（a）相同。在这里的不同在于是两个电动势电压相减，这就相当于两台UPS输出并联的情况。由于UPS的输出电压设定后一般就不会自动更改了，而且逆变器功率管一般也不会使电流倒灌，最多就是不输出电流而保持空载电压就是了。因此电压高的那一个（如E1）就把另一个的系统（如E2）当成了负载。需指出的是，在UPS并联系统中，为了电流的均分，其各自的电动势电压调试的非常接近，一般都很难分辨高低。在这个前提下谈“环流”问题就有实际意义了。当系统并联调试完毕后，空载加电时由于细小的电压差而形成了所谓环流，比如由于E2是空载，电压肯定是额定值，这时在并联回路中流动的只是IR，这个电流与电路中的沿路电阻会形成压降，这个压降会把二者的差压DU补偿掉。当然会有这种情况出现：即，是由于这个“环流”将二者的差压DU补偿掉的，是不是补偿掉以后就没电流了？不是的，如果电流IR没有了就又会出现压差，因此这个电流值会保持在一定的平衡值，使回路达到动态平衡。这个电流值是可以测量出来的，如图2中的两个电流传感器就可测量，而且在空载时的两个电流值应该相等而方向相反。（3）并联UPS系统加载时的“环流”情况不少用户就怕负载电流再加上环流而形成损坏机器的强大电流，因而就将这项指标作为衡量UPS性能好坏的重要指标提出来，甚至有的还写入标书。实际请看到底如何？利用图4来进行说明。可以看出，这个并联UPS冗余系统相同一个负载供电，按照冗余并联UPS图4 并联UPS系统电流流向图系统的一般性能应该是负载均分。而均分的根据就是不但两台UPS输出的电动势电压相等，而且他们的等效内阻抗也应该相等，即r1=r2。只有这样才可以保证送到负载端的两个电压值相等。即负载端的电压值UR为： （7）从上式中可以看出，一个方程中有两个变量：E和r，所以UR很好保证。由于上面的条件：并联UPS系统中各自的电动势电压调试的非常接近，一般都很难分辨。像这样一点小小的差别，当加负载时，数值可观的负载电流在流过内部等效电阻时，由式（7）可以看出，到负载端的电压已得到调整。比如一个20A的负载，由于E1电压较高开始瞬间送给负载11A，E2送给负载9A，当r1=r2时，流过11A的压降就比流过9A电流的压降大，所以送到负载端的电压就被降低了一点，由于电压的降低也使电流减小了一点。由于E1送到负载端电压的降低，就使得E2送出的电流增加到10A，使二者达到了平衡。另一方面，在同一条线路上不能同时有两个方向的电流通过，就是说只要两台UPS都向负载输出电流，这个系统就不会有环流发生。因为环流始终是向着同一个方向流动的，一个电源的电流向外流（如E1），另一个的电流就必须向内流（如E2），如图3（b）所示。既然电流向着电源E2的方向流动，就说明E2没有输出电流；反之，只要有向负载端流的正向电流，就不会有反向的环流发生。那么，在模块式并联冗余系统中的环流又是如何的呢？不论是功率模块并联式还是整机模块并联式的环流也是可以忽略的。在功率模块并联式结构中，所有模块的工作都受同一可控制信号制约，所以不论从相位还是从幅度上看应该是一样的，其差别也仅仅是各模块之间个别参数的一致性，但在正规产品中这种误差应该是微乎其微的，再加之有的还有补偿措施，可以使各输出时均流的，只要是均流，那么环流也就不存在了。而整机模块并联式结构，其并联是在输出（负载）端连接在一起的，如图5所示。为了更方便理解一些，这里画出了两台模块UPS的逆变器部分。在目前的模块UPS中大都是采用的半桥逆变器，这里只画出了单相半桥电路。从电路中可以看出，逆变器输出都有LC滤波器，这样一来，根据前面的分析方法不难看出，他们的自平衡补偿能力比有变压器的电路结构更强，原因是这里有一个集中参数器件L，它比仅靠分布参数来自行调整平衡更快，抑制环流的能力更强。因为环流最大值的产生是并机瞬间的过渡过程，而电感L感抗的抑制功能来自反电势： （8）式中：e是当电流在时间间隔Dt内变化DI时在电感L上激起的反电势，单位是伏特（V）。从电路图中也可以看出，形成环流的路径上有两个电感L，所以上式有可写成： （9）由此可以看出抑