冗余连接实现UPS“手牵手”

作者：王其英

　　随着Internet网络、电子商务、IDC机房的飞速发展，用户对UPS供电系统的可用性提出了更高的要求，已经到了要求可用性为99.999%的程度，也即1年365天中，UPS供电系统的断电时间不能超过5分钟。但是，如果从UPS单机的角度来看，无论其技术如何发展，仍然摆脱不了容量和可靠性的限制。那么，我们在保护原有投资的情况下，如何实现UPS系统可靠性的提高呢？

　　随着技术设备的日益增多和网络技术的普遍采用，为更好地满足用户对UPS的容量和可靠性的更高要求，在单机的基础上，可以用组合也就是冗余连接的方法来实现UPS容量和可靠性的提高。UPS的冗余连接有两种方式：热备份连接和并联连接。

　　热备份连接

　　热备份的目的：

　　确保负载设备不会在市电停电时因主机保障而断电，保证计算机等负载设备数据不会丢失。

　　热备份要解决的关键问题：

　　旁路开关的切换要有严密的电路控制，保证不会在切换时有任何断电情况发生。

　　热备份连接是指当单台UPS不能保证满足用户提出的可靠性要求时，就可以再接一台同规格的单机来提高可靠性。任何具有旁路（Bypass）环节的UPS都可以进行热备份连接，两台单机的连接方法如图1所示。

　　这种连接非常简单，当把UPS1作为主输出电源而把UPS2作为备用机时，只需将备用机UPS2的输出与UPS1的旁路Bypass1输入端相连就可以了，不过此时UPS1的旁路Bypass1输入端一定要与UPS1的输入端断开。在正常情况下，由UPS1向负载供电，而UPS2处于热备份状态空载运行；当UPS1故障时，UPS2投入运行接替UPS1继续向负载供电。只有当UPS2由于过载或逆变器故障时，才闭合旁路开关Bypass2，负载改由市电供电。

　　两台热备分连接的UPS系统可靠性比单台UPS的可靠性提高了两个数量级，并且，这种系统的连接方式简单易行，即使是不同品牌的机器，只要规格容量相同，就可连接，不需再增加另外的设备。若两台不同容量的UPS相连，其容量只能按最小的那一台计算。

　　这种热备份连接方式也有它的不足之处：

　　由于是同容量串联连接，所以如果一台UPS过载，转到另一台后仍然过载，即带载能力没有加强；

　　这种UPS的热备份连接一般不超过两台，它不能增加系统的输出容量，尤其是两台不同容量的UPS连接时，该系统的输出容量不能超过其中容量较小的那一台的功率；

　　实用中很少有两台以上UPS的串联连接，因此，应用场合受到了限制。

　　并联连接

　　并联的目的：

　　提高UPS供电系统的可靠性，增加UPS系统的容量。

　　并联要解决的关键问题：

　　处于并机状态的各台UPS的逆变器电源，应在同时同步跟踪交流旁路电源的条件下，满足同幅度、同频率和同相位，以达到均分负载和环流为零的要求。

　　增加UPS供电系统可靠性的另一个方法就是并联连接。 UPS的并联连接并不像热备份连接那么容易，因为所有UPS的输出阻抗不可能一样，加之各逆变器的输出电压和市电电压锁相都具有正负误差，则各个UPS的电压既有相位差又有幅值差，因此用普通UPS直接并联是危险的，只有具备并联功能的UPS才能互联。

　　如果将可靠性进行量化的话，热备份连接的UPS系统比单机系统高出两个数量级，而并联系统又比热备份连接的UPS系统高出两个数量级。并联连接的UPS系统不但可靠性提高了，而且带载的能力也加强了，因为是并联方式的连接，在两台UPS系统中，就具有着两倍的负载能力，所以在冗余的情况下，系统的过载和耐冲击能力比热备份连接的UPS系统强得多；在非冗余的情况下，它的并联可以增容，这也是热备份连接技术所不能实现的。随着并联台数的增加，其可靠性也相应增加，但是并联台数也不是无限的。图2给出了两台UPS并联连接的原理图。图中将两台UPS并联连接，就是将两台UPS的输出直接并联，这样做必须满足以下条件：

　　● 相位和幅值相同，以保证UPS之间无破坏性的环流产生。

　　● 两台UPS并联后，每台UPS输出电流均为负载电流的一半。

　　● 当并联UPS系统中任何一台的逆变器出现故障（包括过载、短路和电池过放电而停止工作等）时，均不能将本身的负载单独转到Bypass，而是将负载分配到与其并联的其它UPS上去，只有并联系统中所有UPS的逆变器都停止工作时，才集体转到旁路上。

　　并联台数

　　并联UPS系统虽然比热备份连接的UPS系统有很多优越性，但其控制技术要比后者复杂得多。因为在多台UPS并联时，其中最重要的指标就是电流均分，也就是说如果N台UPS并联，必须保证每台UPS的输出电流是总输出电流的1/N，至少其相互之间的最大不平衡度要在要求范围内（一般是小于2%）。这个指标就限制了并联台数的增加，在市面上，我们可以看到各个品牌实现并机的台数也不完全一样，如：Fenton可高达6台并联；IMV
Sitepro 500kVA以下可做到4台并联、500kVA及以上可有6台并联；Siemens 500kVA以下可4台并联、500kVA可8台并联；三菱UPS可高达8台并联；Silcon
UPS的并联台数达到了9台，等等。一般来说，功率在500kVA以下时，并联台数被限制在4台以内的居多。



　　全并联冗余UPS系统

　　不是所有并联UPS系统都具有冗余的功能，在谈到这个问题时，我们可以先来看一看什么是UPS系统的冗余度。

　　系统冗余度的表达式为N+X，式中，N的含义是并联系统中UPS单机的总台数；X的含义是并联系统中允许出故障的UPS单机台数。

　　例如，在5台UPS并联系统中，允许其中2台同时出故障，那么这个系统的冗余度就是5+2。

　　UPS的全冗余并联系统是近年才提出来的概念，它是对不全冗余的并联UPS系统而言。所谓UPS全冗余并联系统，是说在UPS并联系统中的所谓UPS单机既是组合后的有机整体，分开后又各自独立；在并联系统中，任一部分故障都不会影响整个系统的正常运行，而且也不会留下任何隐患。
如果是不全冗余的并联UPS系统就存在这些问题。

　　节能运行

　　最初的UPS并联仅限于增容和可靠性的提高，随着技术的发展和要求的提高，并联系统的功能也在不断增加，甚至涉及到电能的节约等问题。比如Silcon
UPS的软件可以在轻载的情况下“关掉”并联系统中的一台或几台UPS，从而节约能量，等负载功率增加到一定值时，被“关掉”的机器又及时自动启动供电；IMV
Sitepro UPS的软件也增加了这个功能；此外，有些UPS还可以将多台并联的UPS系统编组运行，比如9台机器并联，在容量允许的情况下编成三组分时运行，比如第一周由第一组供电，第二周由第二组供电，第三周由第三组供电，第四周又由第一组供电……，这样循环供电的好处在于：不但机器得到了轮休，而且也得到了轮流检修和保养的机会，有效地提高了系统的可靠性。

　　并联技术

　　由于采用的UPS特性和应用环境不同，并机的控制技术在不同的制造厂家也各有千秋，主要有以下三种：

　　①利用数字电压信号通信：在并联系统的各UPS之间利用高速通信线连接，每台UPS都对其负载电流进行实时测量，然后将其本身的输出电流调整到总负载电流的1/N，目前这种方法最普遍。


　　②光纤通信：为了提高传输信号的抗干扰能力和实现较远距离的并联系统，采用光缆传输是一种最可靠的办法，在远距离并机中更显优越性。


　　 利用上述两种方法可使并联数目达到4至9台。

　　③无线并机：这是一种采取自我调整的方法来达到电流均分目的的技术。

　　在电池连接方面，最初的UPS并联时，必须要每台UPS配备自己的电池组，而目前的并联系统中，可以几台UPS公用一套电池组，如Silcon
DP300E、IMV Sitepro等都实现了这个功能。

　　由于在并机的实现过程中，不同产品在不同应用环境有不同的实现方式，下面介绍两种并联系统。

　　爱克赛9315并联系统

　　爱克赛公司的PW9315系列UPS电源采用了称为“热同步”（Hot Sync）并联技术，在各UPS单机之间无需通讯电缆连接来传递实时信号，就可实现并机的“电流均分”控制。对于并机系统中的各台UPS，它们都处于完全平等的调控状态之中。采用独特的“小步长，高频度”同步相位调制法，每台UPS能“智能”地将位于并机系统中的各台UPS的同步跟踪调到最佳状态（彼此之间的相位差几乎为零）和实时动态地调节所带的负载百分比。实现高精度的负载均分，并在逆变器万一发生故障时，将有故障的UPS迅速、可靠地从并机系统中脱机，从而确保并机系统继续向用户提供高质量的逆变器电源。通过这种技术实现并机系统的负载电流的“电流均分”不均衡度小于2%。

　　“热同步”并机技术来实现的并机系统具有如下特点：

　　● 系统级交流旁路柜（SBM）具有一套单独的用于维修、故障清除和在紧急情况下处理事故的系统级维修旁路供电系统。

　　● SBM柜内采用基于微处理器调控的逻辑控制电路，从而减少了硬件总数，提高了运行可靠性。

　　● 两套完全冗余的单机监视网络向SBM提供UPS供电系统的运行参数测量和报警信息。为方便安装，每条数字网络通讯电缆仅由一条双绞线来组成。

　　● 从SBM柜上的监视器面板上可获得与单机监视器面板上同样详细的UPS运行状态信息。

　　● 可选择公共电池组或单独电池组两种配置方案

　　● 可达到8台UPS单机的现场并联增容。

　　APC Silcon并联系统

　　APC SilconUPS由于采用了串并联调整在线式技术（称为DELTA逆变技术），在一般情况下，每台Silcon
UPS输出交流电的频率、相位都与输入交流电的频率、相位完全一致，两台或多台Silcon UPS在并联的时候只需要考虑输出的电压和电流的平衡就可以了，在这一点上，APC
Silcon实现并联要比传统的UPS实现并联容易得多。

　　每台Silcon UPS内部有一块并机电路板，在实现并联时，通过2条并机通讯线与另外的并联UPS环形联接在一起，如果一条通讯线出了故障并不会影响到整个并机系统的工作。4台和4台以下的Silcon
UPS并联时可通过直接并联来实现，5台及以上的Silcon UPS并联时需要公用的静态旁路柜。当一台UPS出故障时，故障UPS自动退出，由剩下的UPS承担并平分负载，当负载超过UPS并联系统的总供电能力后，整个系统会全部转向旁路，直到负载恢复到允许的范围。


　　由于采用了第五代UPS拓朴结构——串并联调整在线式结构，Silcon UPS不仅能很容易实现并联，可允许最多9台并联运行，并且无需任何调试，由UPS内部微机控制并联运行的功能和均流，均流不平衡度小于1%，这种UPS并联时还可以进行编组，实现节能运行。

　　UPS的并联数目是否越多越好

　　从理论上讲是这样的，但在实际中并非如此简单，仅就“输出均流”这一项指标就带来好多问题。在三相UPS中，若做到均流，就必须保证并联的UPS的对应相电压和相位保持一个最小差值，并联台数越多，越不易达到一致，即使当时达到了一致，随着时间的推移、温度的变化、尘埃的侵入、器件的老化、冷却系统造成的振动以及湿度和腐蚀性气体的破坏等等因素都在时刻破坏着平衡，尽管有测量和调整系统，但测量环节的参数也在遭受着上述因素的侵扰，因此这些因素限制了并联UPS台数的增多，当并联台数达到一定数量后，可靠性开始降低。

　　冗余系统故障处理功能的含义

　　故障容限：是指系统中一个或多个部分故障时都不影响系统的继续正常运行。

　　故障掩盖：冗余系统应具有掩盖错误的能力，以避免对外显示出系统内部部分单元故障的现象。

　　故障检测：通过传感器和故障检测电路找出具体故障部位或故障单机。

　　故障隔离：指具有在不影响系统正常功能的基础上将故障单机或部位隔离出来的能力

　　故障分析：经过这一步骤来确认故障的具体位置。

　　返回正常运行状态：对于并联冗余UPS系统来说，这一步包括将修好的单机UPS功能恢复正常，并重新并入系统。

摘自《中外电源》