UPS冗余并聯(lián)與雙總線連接供電方案.docx

1、UPS冗余并聯(lián)與雙總線連接供電方案(二)2. 2 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(Tier4)標準的要求而來的。 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 UPS并聯(lián)的。就目前的UPS并聯(lián)水平來 看，可以做到8臺并聯(lián)。比如臺灣至少有5個數(shù)據(jù)中心采用的就是8 臺并聯(lián)2的雙總線供電系統(tǒng)。如果在 8臺UPS冗余并聯(lián)之內(nèi)就可以 解決的問題，最好不要輕易采用雙總線。尤其是在兩臺單機UPS就可以做l+l并聯(lián)冗余的時候，硬要改用雙總線方案，不但使設(shè)備量成 倍增加，而且由于引入了串聯(lián)功能的設(shè)備 STS,使能量通道上又多增 加了故

2、障點，導(dǎo)致的投資還要遠高于雙倍1 + 1并聯(lián)冗余時的情況，因 為STS要比同容量的UPS價格高得多，同時還失去了原來直接并聯(lián) 時過載能力強的優(yōu)點，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、時間和地點地到處 亂用，否則，不但達不到預(yù)期的目的，反而會事倍功半。3兩種供電方案的比較3. 1兩種供電方案的可靠性及故障率比較為了有一個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0. 99;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(a)虛線方框內(nèi)的部分，并由此作出 可靠

3、性結(jié)構(gòu)模型圖。從可靠性的觀點出發(fā)，凡是在該環(huán)節(jié)故障時都能導(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UPS在STS的輸出端在功能上對雙電源 負載是并聯(lián)關(guān)系，就認為二者是并聯(lián)關(guān)系，由此得出系統(tǒng)可靠性：&二 M 1/)2 0.99845不可靠性或故障率就是 O. 001 55,即萬分之十五。從前面的式(3) 可以看出，兩臺UPS直接并聯(lián)時的供電系統(tǒng)可靠性是萬分之一，而 圖7(a)增加了 6個設(shè)備以后，造價成倍地增加，而可靠性則成十倍地 降低。根據(jù)上面的計算，故障率是前者的 15倍。圖6

4、T4雙總線UPS冗余供電方案匕）100k YA儀總線供電方案也）100kV A區(qū)接冗余并聯(lián)供電方案圖7 T4就總線UPS冗余供電方案3. 2雙輸入交流電時兩種供電方案 ATS功能的比較有人認為雙機冗余并聯(lián)時只用了一個 ATS ,這是個單點故障點， 或稱為瓶頸；而雙機雙總線時則用了兩個 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)電機組。在這里以雙路市電輸入為例。雙機冗余并聯(lián)時一般是利用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。當市電l故

5、障時， 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)，也有的稱為單點故障。當然，為了防止上述現(xiàn)象發(fā)生，般都采取了補救措施，比如有的廠家在 ATS切換無法進行時就采用搖臂以手動的方式進行轉(zhuǎn)換；也有的廠家有可選擇的旁路開關(guān)，在ATS故障時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。以市電1I PS1山電工ili ib. 國8 雙總線供電方案可靠性結(jié)構(gòu)圖（圖九例）ll 1 ATN!LJPS f）： iIj Ii 2 二雙擊冗余并聯(lián)ATS的連接雙擊雙總線時ATS的連接圖9兩種供電方案AT3

6、的連接電原理圖2）雙機雙總線時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斷電時而無法實現(xiàn)切換，即 市電2因ATSl無法切換而使UPSl得不到市電2的支持，仍然會處 于無輸入電壓狀態(tài)，只好待電池放電終結(jié)后而關(guān)機，但由于 STSl的 存在，UPS2的輸出電壓會及時地經(jīng)STSl切換到UPSl后面的負載上 去，如圖10

7、所示。由于此時UPS2的輸入電壓尚在正常供電，所以 可使UPSl和UPS2的負載仍然不間斷地工作下去。雙總線的優(yōu)點只 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 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+1,不過這時的設(shè)備量又成倍增加了。圖10 UPS1斷電后UPS2經(jīng)6Tsi將UPS2的輸出電壓接入路徑圖另一方面，在雙總線的情況下，雙電源負載的兩個輸入電壓是 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 下一個隱患：當一路故障時（如上例中的市電1故障時的情況），最后經(jīng)STS2將 UPS2的輸出電壓切換到UPS1的負載上，可以看

8、出，此時雙電源負 載的兩路輸入電壓是同一相，如果這時對應(yīng)這一相的開關(guān)故障（接觸 不良或斷開），該雙電源負載就會因全部斷電而停機。原來的目的是 即使一個UPS后面的單電源負載全部斷電時，該雙電源負載也不至 于斷電，而此時的目的就達不到了。4采用雙總線的適當場合4. 1采用雙總線的場合雙總線作為冗余并聯(lián)的補充措施在一定的場合下就可顯示出它的優(yōu)越性。這種場合就是容量與可靠性出現(xiàn)矛盾時。比如一個信息機房的用電量是2500kVA,要求并聯(lián)冗余后的供電電源系統(tǒng)的可靠性R=0. 99999,選定了某品單機容量為 400kVA的UPS。為了方便 分析，假如每臺UPS的可靠性r相同，取r=0. 99,目前UPS

9、并聯(lián)的 臺數(shù)不超過8,此處取8臺并聯(lián)。取7+1即可是400kVAX 7=2800kVA , 滿足了 2 500kVA的需求，如圖11(a)所示。看可靠性 R8是否滿足。 根據(jù)可靠性計算公式：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從結(jié)果看，不滿足K=0.99999的要求,如果采用6+2的方案，則：&=1 一(1 一尸以】-r)2= 1T1 -0.996) (1 - 0,99)0.999994這一次滿足了要求。但容量只有 400kVAX 6=2400kVA ,容量又不 能滿足了。如果用戶的容量要求不可更改，只

10、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：&4=1一(1 一七/=0.99999922(3)并聯(lián)冗余系統(tǒng)IjiU 2Bypass IBypass輸;H板輸;IM取電源負或雙電渤負裁(b)雙總線系統(tǒng)同箏負載情況下的設(shè)備量情況也成倍增加，損耗也顯著增加，這就需要權(quán)衡利弊。若采用500kVA的6+2方案會更經(jīng)濟些。而且容量此時倒是滿足了可靠性的要求，但設(shè)備量增加了一倍多，投資500kVAX6=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，當容量與可靠

11、性不發(fā)生矛盾時，如果 硬要采用雙總線，不論什么理由都是不可取的。4. 2減少設(shè)備量的途徑人們不禁要問：難道為了得到這一點好處就必須花費幾倍的投資 嗎?實際上大可不必，正如前面討論的那樣。(1)即使一個ATS故障而不能將另一路市電接入時， 仍能保證全部 負載不斷電，從這個觀點上說，可以將前面的兩個 ATS更換成普通 斷路器；(2)既然要求在任何一路市電或UPS故障時都要保證全部負載不斷 電，冗余并聯(lián)的UPS就可以完全滿足，所以UPS輸出和負載之間除 了必要的開關(guān)之外，沒有必要再增加 STS進行多余的切換；(3)這里的重點就轉(zhuǎn)到如何在一路市電和 ATS同時故障時仍能使另 一路市電可靠地接入。這個問

12、題再容易解決不過了，比如給雙機冗余 輸入端的ATS配上旁路開關(guān)(有的是選件，有的就是標配)就可解決了, 因為一路市電掉電是有告警的，UPSl輸入電壓斷電也是有告警的， 值班員就可在確認ATS確實故障后而合上旁路開關(guān)。不要期望全自 動化，一般這樣的機房都會有值班員。當然，如果確實需要全自動化， 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來取得。(4)減少UPS和STS設(shè)備量的途徑如果有的用戶確實對雙總線結(jié)構(gòu)情有獨鐘，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臺大容量

13、STS進行互 相切換。實際上雙總線也各有不同。如圖12(a)為雙開關(guān)二單機雙總線結(jié)構(gòu)。這個電路結(jié)構(gòu)的特點在于每臺 UPS有兩個輸入開關(guān)，一個普通斷 路器和一個ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)。普通斷路器供UPS主電路應(yīng)用，ATS供 兩臺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、價格和占地面積 還可降低。圖12(b)為雙開關(guān)三單機雙總線冗余結(jié)構(gòu)。從前面的分析可知，當 一路市電故障(比如市電1)斷電時，斷電這一路UPSl的輸出

14、就是通過 ATS送過來的市電，這樣一來，雙電源設(shè)備的兩個輸入就有一路是市 電，有可能引入干擾。為此可用第三臺 UPS來代替圖(a)中的市電， 如圖(b)所示，此結(jié)構(gòu)同時也具有了串聯(lián)熱備份的功能。TV型連接結(jié)構(gòu)的UP駢聯(lián)運行方案黃文新 陳宏 胡育文(南京210016)摘要：提出一種“ T”型連接結(jié)構(gòu)的UPS聯(lián)運行方案，該方 案中并聯(lián)運行的UPST去信號聯(lián)絡(luò)線，屬于主從式UP駢聯(lián)。從“T” 型結(jié)構(gòu)UPSW前級UPS的輸出電流引入并以此電流作并聯(lián)控制信號， 采用電流追蹤型PW臟制信號發(fā)生方案，可使其輸出電流與前級輸入 電流保持同相，并可達到均流的目的。文中給出了仿真結(jié)果，表明該方案是可行的。關(guān)鍵詞：

15、UPSH1聯(lián)運行拓撲1 引言在大型計算機數(shù)據(jù)站、通信設(shè)備機房等場合，廣泛采用UPS作運行電源。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運行的經(jīng)濟性及可靠性考慮，根據(jù)用電設(shè)備容量 的增長逐步添置UPSg?行并聯(lián)運行具有重大的現(xiàn)實意義。由于UPS由 電力電子開關(guān)器件組成，其并聯(lián)運行在技術(shù)上是較為復(fù)雜的。目前解決UPS聯(lián)運行的辦法根據(jù)具有無采用信號連絡(luò)線而分為兩種1:(1) UPS間有聯(lián)絡(luò)線方式；(2) UPS間無聯(lián)絡(luò)線方式。信號聯(lián)絡(luò)線實際為并聯(lián)UP彈元之間的控制信號的傳遞通道，通過控制信號的傳遞使得并聯(lián) UPS間滿足并聯(lián)條件，實現(xiàn)負載容量(有功、無功）的合理分配。UP

16、S間無聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)運行文獻已見報道的控制方案為電壓、頻率外特性“下垂法”，這種并聯(lián)方法可省卻信號的 聯(lián)絡(luò)線，但會造成輸出電源的頻率、幅度在小范圍內(nèi)波動。本文提出一種“ T”型連接結(jié)構(gòu)拓撲的UPSR其并聯(lián)運行控制策略， 這種UP駢聯(lián)運行的方法簡單可靠，屬于無聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)法。2“T”連接拓撲及并聯(lián)運行工作原理普通UP駢聯(lián)運行的連接拓撲如圖1所示，UPS的輸出端子 連接到共同的配電母線上，再向負載供電。而“ T型連接的UP漪 輸出端子外，還有輸入端子，輸入、輸出在內(nèi)部是相接的，UPS的實際輸出連接到這兩個輸入輸出端子之間的聯(lián)線上，構(gòu)成“ T型，即 前一臺UPS的輸出端子連接到后一臺UPS的輸入端子上，每

17、臺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，連接拓撲如圖2所示。LF、IT、 “ w I ipsLUAO 一T”9 J T里U鳥電瓶向注圖 i人與0為如 小小與不同相并聯(lián)運行的原理可用基爾霍夫電流定律來簡單說明。在一臺“ 型UPS中，應(yīng)滿足電流關(guān)系：i1 +i2=i3 , i1為輸入電流，i2為UPS為輸出電流，i3為總輸出電流，均為瞬時值。式（1）為向量式。顯然，要求與L同人相，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)流在實際并聯(lián)的UPS間不可避免，但要控制其盡可能地小。在公共母線并聯(lián)方式中，控制對象是UP確出電壓的幅度與相位， 以

18、求達到各并聯(lián)USP的輸出電流同相，并按容量進行均流的目的?？?制要求高且復(fù)雜，仿真表明，如兩臺并聯(lián) UPS勺相位相差1 ,則環(huán) 流將達20%額定電流。為保證UPS的并聯(lián)要求，必須高精度地檢測、 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勺并聯(lián)連接中，Xt于其中某一級 UPS我們把控制 對象選定為該級UPS自身的輸出電流，控制該UPS勺輸出電流直接跟 蹤其輸入電流（前級輸出電流），使 UPS自身的輸出電流與輸入電流 達到同相位且達到要求的幅度。輸出電流幅度由該級UPSW量S與其前面各級UPS勺總?cè)萘?/p>

19、 S根據(jù)式（2）確定L三3，2卜式中：i1為該UPS的輸入電流；ir為跟蹤電流的給定值。這樣可達到各UPS勻流的目的。然后這兩個基本相同的電流匯流 后經(jīng)輸出端子輸出，流向下一級并聯(lián)的 UPS如圖2所示。對于第一 級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， 其作用實際是正弦電壓源。該電壓 經(jīng)后面各級UPS勺T”型連接的橫臂匯流母排加到負載上。由于匯 流母排阻抗很小，可認為加到負載上的電壓與第一級 UPS 勺輸出電壓 相差甚微。后面各級UPS從UPS從UPS5?際為電流控制性電流源。供給負載的電流為各UPS勺總和。3T”型UPS的控制策略設(shè)定的主UPSM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”型連接并運行，設(shè)定為從 UPS勺控制檢測電路與普通upsa顯著的不同之處在于要對前級向本級的輸入電流進行檢測，然后追蹤此輸入電流的變化，控制本級的電流輸出。生成電流跟蹤PWM1號，控制逆變器開關(guān)。電流追蹤 PWM?制具有結(jié)構(gòu)簡單、工 作可靠、響應(yīng)快、實現(xiàn)容易的優(yōu)點。本“ T”型UPS勾造的電流跟蹤 PW腑制方式原理如圖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輸入輸出電流，輸入電流檢測信號經(jīng)跟蹤電流給定計算，得到給定參考電