对于并联冗余的UPS,在电视中心,一般用两台品牌、型号、规格、配置等完全一样的UPS进行并联。多于两台UPS的并联模式需特别谨慎。
在图3的并联冗余UPS系统中,假设两台UPS均为200kVA,那么最大可用负载是多少呢?当一台UPS因检修需要停止逆变器时,另一台UPS的逆变器继续工作,而此时两台UPS主机的静态旁路都不会工作,这时UPS系统能承受的负载为160kVA。那么,可以算出,UPS双机并联冗余的系统,容量可用系数k也为40%。400kVA的UPS,只能提供160kVA的供电容量。
3、模块型UPS的理念及核心技术。
塔式UPS所有的电能变换均由数个IGBT管构成,机体制造并安装好以后,扩展性较差。即使能扩展,操作难度也很大,往往需要长时间停机并切断所有电力,铺设大量线缆,而且效果预期并不理想。对于需要长时间停止UPS甚至停止电力供应的这类操作,也是给决策者出的一个大难题。电视中心的部分业务,如信号传输、Internet接入、服务器托管、内部管理等系统均是不能中断的业务。另外,电视中心设备复杂,个别设备如RAID、DATABASE、Server等,其设置、维护、甚至开关机都掌握在厂商手里,电视台作为用户,仅把这些作为黑匣子来应用,大面积关机、开机需耗费大量人力、物力,甚至带来风险。当然UPS作为基础资源,初次建设时可以一步到位,建设大容量的UPS,但预算往往很难通过。模块型UPS正是基于扩展性、经济性、维护性等理念的工业架构,解决了用户的随时扩展的需求。模块型UPS的基本理念,是将整流充电、逆变器设计成为标准机箱,称为功率模块,根据用户的容量需求,可由数个功率模块“并联”,构成大容量的模块型UPS总成,且各功率模块是相互备份的。图4是模块型UPS的结构示意图,看起来与塔式机并联相象,但形似而神不似,二者的核心技术、工业体系、工程特性、运维特性等都完全不同。
机房建设初期,用户只需预留一定数量的功率模块机柜,在后续的发展中,便能从容应对设备的递增。电池柜的扩展可视实际情况确定,即使不增加电池柜,也不影响UPS的正常工作,只是后备时间有所缩短。
在2009年,重庆台新大楼广播电视总控机房建设时,我们也考虑过模块型UPS,经过分析评估认为,当时的技术是成熟的,但市场的成熟度还需时日。经过三年的发展,模块型UPS已经成为多个行业中心机房UPS的主流机型,重庆台选择了模块型UPS为新闻大楼所有设备提供电力,建设、管理、应用、安全等均在可控范围内。
一套模块型UPS总成系统,包括系统控制模块、数个功率模块、静态旁路和维修旁路、电池组等构成。模块型UPS的技术难度远大于塔式UPS。下面分别进行介绍。
(1)CANBUS总线技术
CANBUS(ControlAreaNetBUS)称为控制局域网总线,是目前应用非常成熟的工业现场控制总线,在电梯、轿车、家电等行业中使用非常广泛。模块型UPS的各模块是相对独立的,在各模块整合成机组后,各模块间要能协调一致的工作,必须要有高速、实时、安全的通信解决方案
CANBUS能够在恶劣的环境中安全的工作,将功率模块的工作状态及时的传递到系统控制模块,并将系统控制模块指令及时传到功率模块。我们所熟知的RS485总线也具有这样的组网应用,但RS485只有电气接口标准,其余的通信协议、时序分割、占用退出机制等则由用户来定义,因此推广应用就比较有限了。与TCP/IP协议类似,CANBUS有一套完整的协议,从物理层到应用层,一应俱全。产品开发时,工程师只需考虑自己所需的功能,不需考虑CANBUS背后的技术细节。部分高标准的模块型UPS甚至采用DUALCANBUS的冗余控制,进一步提高了UPS的整体稳定性。
(2)PowerReference参考电源技术
交流电有三个要素:电压、频率、相位。各功率模块构成机组时,所有模块的输出并联后构成输出总线。交流电的并联完全不同于直流电的并联,只有当交流电的电压、频率、相位完全一致时,才能进行并联。如果这三个要素控制不好,轻则模块间构成环流,严重时模块之间电流会倒灌,直接导致爆机。模块机应用CANBUS总线,实时传递系统所需的交流电三要素,使各模块步调一致的工作。参考电源技术在不同的产品中是完全不同的,有单一参考电源的,即始终由控制模块发出参考电源参数;也有竞争型的,由模块间竞争仲裁产生,并来自于其中一个模块,如果产生当前参考电源的模块损坏,则需重新竞争并产生新的参考电源。参考电源技术是UPS行业的专有技术,比较尖端,只有先解决好参考电源技术,才能在此基础上做好其余研发。
(3)模块间的均载控制
塔式UPS并机,没有均载控制功能,各UPS的器件特性不能统调,输出电压有一定差异。工程上尽量保证线缆粗细一致、缩短电缆、对称部署等方法来使各UPS的负载尽量一致。在模块型UPS中,系统控制模块是通过CANBUS总线,对各模块的电压进行微调,由此使各模块的输出电流一致,当有模块损坏后,系统控制模块会很快将负载重新分配到其余模块,这就是所谓的均载控制技术。
(4)安全性管理
各模块作为独立工作的UPS,在系统控制器的管理下,完全可以做到协同工作,整机的可靠性高。但是,对单个模块来说,发生故障是可能的。故障的类型可能是多样的,如变流器件损坏导致输出失压,相位控制紊乱致使产生环流或倒灌,输出逆变器的IGBT管击穿短路等,这些故障都是严重危及UPS的。模块型UPS有完整的安全性管理,白皮书对各类故障进行了穷举,制定出了安全退线规则,确保在功率模块有故障,甚至是极端的短路故障时,受控退出总线,并实时发送故障信息,提醒维修服务。(御风)