UPS冗余并联与双总线连接供电方案.docx

1、UPS冗余并联与双总线连接供电方案(二)2. 2 UPS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冗余并联之内就可以 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

2、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

3、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：&二 M 1/)2 0.99845不可靠性或故障率就是 O. 001 55,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。图6

4、T4双总线UPS冗余供电方案匕）100k YA仪总线供电方案也）100kV A区接冗余并联供电方案图7 T4就总线UPS冗余供电方案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

5、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，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。以市电1I PS1山电工ili ib. 国8 双总线供电方案可靠性结构图（图九例）ll 1 ATN!LJPS f）： iIj Ii 2 二双击冗余并联ATS的连接双击双总线时ATS的连接图9两种供电方案AT3

6、的连接电原理图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

7、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+1,不过这时的设备量又成倍增加了。图10 UPS1断电后UPS2经6Tsi将UPS2的输出电压接入路径图另一方面，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UPS1的负载上，可以看

8、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

9、并联的 台数不超过8,此处取8台并联。取7+1即可是400kVAX 7=2800kVA , 满足了 2 500kVA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：心=1一(1一一一1) (1-r)得七尸1 一 (I 一/)(1一4=1一(1一0.99?)(1-0.99) =0.999021从结果看，不满足K=0.99999的要求,如果采用6+2的方案，则：&=1 一(1 一尸以】-r)2= 1T1 -0.996) (1 - 0,99)0.999994这一次满足了要求。但容量只有 400kVAX 6=2400kVA ,容量又不 能满足了。如果用户的容量要求不可更改，只

10、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：&4=1一(1 一七/=0.99999922(3)并联冗余系统IjiU 2Bypass IBypass输;H板输;IM取电源负或双电渤负裁(b)双总线系统同筝负载情况下的设备量情况也成倍增加，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500kVAX6=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

11、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

12、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

13、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

14、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。TV型连接结构的UP骈联运行方案黄文新 陈宏 胡育文(南京210016)摘要：提出一种“ T”型连接结构的UPS联运行方案，该方 案中并联运行的UPST去信号联络线，属于主从式UP骈联。从“T” 型结构UPSW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PW脏制信号发生方案，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：

15、UPSH1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UPSg?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联运行的办法根据具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UP弹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。UP

16、S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UPSR其并联运行控制策略， 这种UP骈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UP骈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UP漪 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

17、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。LF、IT、 “ w I ipsLUAO 一T”9 J T里U鸟电瓶向注图 i人与0为如 小小与不同相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“ 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L同人相，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UP确出电压的幅度与相位， 以

18、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勺相位相差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勺并联连接中，Xt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勺输出电流直接跟 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UPSW量S与其前面各级UPS勺总容量

19、 S根据式（2）确定L三3，2卜式中：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匀流的目的。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勺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 UPS 勺输出电压 相差甚微。后面各级UPS从UPS从UPS5?际为电流控制性电流源。供给负载的电流为各UPS勺总和。3T”型UPS的控制策略设定的主UPSM备通常UPS的功能，为并联系统的正弦波电 压源。为适合“ T”型连接并运行，设定为从 UPS勺控制检测电路与普通upsa显著的不同之处在于要对前级向本级的输入电流进行检测，然后追踪此输入电流的变化，控制本级的电流输出。生成电流跟踪PWM1号，控制逆变器开关。电流追踪 PWM?制具有结构简单、工 作可靠、响应快、实现容易的优点。本“ T”型UPS勾造的电流跟踪 PW腑制方式原理如图4所示，为简单起见，图中只给出一条桥臂的 控制电路。用霍尔电流传感器检测输入输出电流，输入电流检测信号经跟踪电流给定计算，得到给定参考电