航天指挥控制中心卫星测控地面站     李建国

摘要  文中分析了UPS的串并联冗余技术,并提出了两台不同型号UPS的三种安装改造方案,并结合配电结构实际情况,分析了三种方案的优点和缺点,最后选出了UPS最佳改造方案。

UPS作为电源保障,为负载提供高质量的不间断电源,在航空航天、卫星通信等重要领域大量应用。目前我单位配有IPM BP225 UPS一台,单机运行了十余年,由于设备陈旧,存在一定的风险性。为了提高供电系统的安全性和可靠性,我单位决定对供电系统进行改造,新增一台UPS。为了改造工作的顺利开展,本文分析了两台UPS的串并联冗余技术,并结合配电结构的实际情况,提出了三种改造技术方案,并详细分析了其优点和缺点,最后选出了最佳改造方案。

1   UPS的串并联冗余技术

在UPS的应用中,用户为了提高运行可靠性,往往要求几台UPS冗余连接。UPS的冗余连接有串联和并联两种方式。

1.1   UPS的串联连接

任何具有旁路(BYPASS)的UPS都可以进行串联连接,两台UPS的串联连接的方式如图1所示。

                                                         图1  UPS串联连接

这种连接很方便,只需要将一台UPS(如UPS1)的BYPASS(BYPSS1)的输入与市电断开,并连接另一台UPS(如UPS2)的输出端,就构成了两台UPS的热备份冗余系统。在正常情况下由UPS1向负载供电,而UPS2处于热备份空载运行;当UPS1故障时,UPS2投入运行接替UPS1继续给负载供电。只有当UPS2因过载或逆变器故障时,才由两台UPS的旁路给负载提供市电。

1.2   UPS的并联连接

提高UPS供电系统可靠性的另一个方法是并联连接,但是UPS的并联连接并不像串联连接那样容易。因为所有UPS的输出阻抗不可能相同,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,致使各个UPS的输出电压既有相位差又有幅值差,因此一般UPS直接并联是危险的,只有具有并联功能的UPS才能并联。图2中将两个UPS并联,这种将两台UPS的输出直接并联,必须满足下列条件:相位和幅值相同,以保证两个UPS之间无破坏性环流产生。

                                                     图2  UPS并联连接

为了满足上述条件,仅具备BYPASS结构的UPS就远远不够了,如果是不具备并联功能的UPS,就必须在原UPS的基础上增加并联柜或并联板,这样就必须增加投资。

并联连接的优点在于它不仅可以提高可靠性,而且过载、动态性能比串联方式好得多,且便于增容。

并联连接的方式有以下几种:

(1)主从并联

这种方式是并联系统中以一台UPS为主机,其他为从机。从机在主机的控制下,从机中任意一台出现故障,均不影响系统的正常供电,但若主机出现故障则全系统瘫痪。

(2)无主从并联

并联系统中无主从之分,系统中任一台UPS既是主机也是从机,哪台先开哪台就是主机,而后开机的都是从机。一旦主机故障停机,系统自动选择作为从机运行的另一台UPS接替主机的工作,保持供电不间断。

(3)限流并联系统

把系统中所有的输出并联连接,但每台UPS必须有可靠的限流功能,即在任何情况下都保证把该UPS的输出电流限制在额定值内,这种方法仅限于单相电源。

2   不同型号UPS的安装方案

2.1   串联连接

IPM BP225 UPS作为主用UPS,台达(GES-NT100k)UPS作为备用UPS,其输入端接在IPM BP225 UPS的旁路上。正常情况下IPM BP225 UPS工作,当IPM BP225 UPS发生故障时自动转为静态旁路,此时由备用UPS通过主用UPS的静态旁路为负载提供不间断的电源。

在实际改造中,引电缆至备用UPS市电主输入,将IPM BP225 UPS的旁路输入电缆拆除并连接在台达(GES-NT100k)UPS的输出端。串联方案示意图如图3所示。

                                           图3  不同型号UPS串联方案示意图

优点:

(1)安装简单,无需调试,不增加额外电路,因而可靠性高,不增加购置成本。

(2)只有单台UPS供电,因而逆变效率高,节约能源(备机是空载运行,消耗功率很小)。

(3)对UPS要求不高。

缺点:

(1)在主用机的静态旁路故障时,将可能中断整个系统对负载的供电,备份失效。

(2)备机长期空载,不易发现故障。

(3)备机的蓄电池将长期处于浮充状态,电池无法放电,影响电池寿命。

(4)当切换时备机从空载转至满载运行,整流器及逆变器将受到大电流冲击而较易损坏。

(5)利用率低。

2.2   并联连接

IPM BP255 UPS和台达GES-NT100k UPS其功率和生产厂家不同,不支持一般的并联功能,必须在两台UPS输出端加一个并联柜才能实现并联(见图4)。正常工作状态下主机为台达UPS,当主用UPS发生故障时,由并联柜自动转到备用UPS上,由IPM BP225 UPS带全部负载。但此种方案成本太高,一个并联柜的价格为几十万元,实用性不强。

                                       图4  两台不同型号UPS并联方案示意图

优点:

(1)可以实现自动转换,可靠性较高。

(2)安装方便。

缺点:

(1)增加额外电路,增加购置成本。

(2)并联柜故障时,备份失效。

(3)当备用的IPM UPS淘汰不用时, 并联柜将闲置。

2.3   分别带负载连接方案

两台UPS分别带负载,当一台UPS发生故障,通过转换可以实现另一台在不间断供电的情况下带全部负载。

分别带负载连接方案如图5所示,两台UPS主路、旁路均接在同一个母排上,这样它们的输入电压的相位和幅度均一致。以IPM BP225 UPS主用,转换成台达UPS满载运行为例,简单叙述转换过程:此时S1、S3、K1、K2闭合,S2断开。首先将IPM BP225 UPS转为维护旁路工作,然后将台达UPS也转为维护旁路工作,闭合S2,断开S1,此时台达UPS维护旁路(市电)满载运行,将台达UPS转为主路工作,转换完成。

                                           图5  分带负载方案示意图

此种连接方案不必增加新的设备,只需将配电柜简单改造就能完成。在台达UPS安装完毕后还可以让其不带负载运行一段时间,以测试其工作性能。

优点:

(1)对UPS无要求,安装简单,无需调试,不增加额外电路,不增加购置成本。

(2)可以实现增容的要求。

(3)可以实现一台UPS带满载,另一台停机,便于维护。

(4)两台UPS分担负载,利用率高。

缺点:

(1)当一台UPS发生故障时,另一台UPS不能自动投入,必须通过手动切换,因而可靠性较低。

(2)切换时需人工操作,对操作人员的水平要求较高。

通过上述分析和我单位配电结构的实际情况,采用第一种技术方案,组成串联系统,这样施工简单且不用增加购置成本。在IPM BP225 UPS淘汰后可再购买一台新的台达(GES-NT100k)UPS,组成并联系统,使我站UPS系统更加安全可靠。

3   结束语

随着我国航天事业的飞速发展,UPS作为优质不间断的电源保障,在通信测控领域起着十分重要的作用。合理选择UPS供电系统的配置方案,不仅可以提高供电的可靠性,还可以节约投资,方便UPS运行维护,从而保证UPS长时间的可靠运行。■