在并联冗余UPS系统中,在正常工作时,所有单机UPS并联运行,均分负载。如果一个单机UPS故障,或者需要脱离系统进行维护,其余单机UPS有足够的容量供给负载,能确保负载供电的不间断,故不必将负载转换到旁路电源。
　　
　　1 并联冗余UPS系统构成的条件
　　
　　并联冗余UPS系统构成的基本条件是:
　　
　　①组成并联冗余UPS的各单机UPS一般应为同容量、同厂家、同型号的产品。
　　
　　②这些单机UPS必须同步运行才能并联。即各单机UPS的逆变器的输出频率、相位必须相同,而且输出电压也必须相同。
　　
　　③各单机UPS之间均分负载。各单机UPS之间无环流。
　　
　　④各单机UPS出现故障时,应能自动脱离负载母线,即具有选择性单机UPS跳机性能。
　　
　　2 并联冗余UPS系统的种类
　　
　　根据旁路系统的配置情况,并联冗余UPS系统可分为集中旁路和分散旁路的并联冗余UPS系统。
　　
　　(1)集中旁路的并联冗余UPS系统
　　
　　集中旁路的并联冗余UPS系统的每个单机UPS都没有静态旁路和维修旁路。整个并联冗余UPS系统配置一个集中的静态旁路和维修旁路,安装在一个独立的并机柜中。并机柜为所有的单机UPS提供统一的同步信号和必要的检测电路,确保各单机UPS同步运行。静态旁路开关和维修旁路开关的容量应能满足系统输出容量的要求,即N+1并联冗余UPS系统的旁路开关的容量应大于或等于N台单机UPS的容量。
　　
　　(2)分散旁路并联冗余UPS系统
　　
　　分散旁路的并联冗余UPS系统的每个单机UPS内部都配置静态旁路开关和维修旁路。不需要并机柜,各单机UPS可以直接并联。分散旁路并联冗余UPS系统有正常方式、旁路方式、蓄电池方式、节能系统方式、可变模块管理系统方式5种工作方式。其中节能系统方式和可变模块管理系统方式是考虑提高系统效率和节能而提出的,两者不能同时运行,根据设置情况,只能运行其中一种方式。
　　
　　①正常方式
　　
　　在正常方式下,市电为每个单机UPS供电,每个单机UPS为负载提供稳定、可靠的交流电。各个单机UPS并联运行,均分负载。如果市电中断或超出规定指标,各单机UPS均自动转换到电池方式,继续不间断地为负载供电。市电恢复后,各单机UPS自动返回正常方式。如果各UPS过载或故障,各单机UPS均转换到旁路方式。当过载或故障清除后,自动转换到正常方式。
　　
　　②旁路方式
　　
　　在旁路方式下,负载直接由旁路电源(市电)供电。系统的旁路电源是从每个单机UPS的旁路电源经静态开关引入的。从正常方式转换到旁路方式的条件是系统过载或负载故障。在N+1并联冗余UPS系统中,如果有一个单机UPS故障并脱离供电系统(离线)后,剩余的单机UPS还能够支持负载,系统就不转换到旁路,负载由剩余的单机UPS供电;如果多个单机UPS离线,负载必须转换到维修旁路或关机。在N+0并联冗余UPS系统(并联无冗余UPS)中,如果有1台单机UPS跳闸离线,其余的UPS均转旁路。
　　
　　③电池方式
　　
　　市电中断或指标超出规定容限时,UPS系统将自动转换为电池方式。在蓄电池方式下,各单机UPS中的蓄电池为逆变器提供应急DC电源,各逆变器继续运行,不间断地为负载供电。各单机UPS的逆变器并联运行,均分负载。如果市电未能恢复,蓄电池将一直放电到逆变器允许的最低输入电压等级。此时,每个单机UPS将发出“2min后关机”的告警。如果此时旁路电源可用,系统将转换到旁路方式而不关机。如果蓄电池放电过程中的任意时间,市电输入电源恢复可用,系统就转换到正常方式,原来蓄电池承担的逆变器的输入功率逐渐由整流器承担,同时给蓄电池充电。由于蓄电池再充电需要较大电流,整流器启动后开始时可能会进入限流工作方式。
　　
　　④节能方式(ESSM,Energy Saver System Mode)
　　
　　节能方式是指市电电源经静态旁路开关直接为关键负载供电。运行在节能方式时,如果市电电源出现异常情况,就自动转换到正常方式。当旁路电源电压或频率超出预定的范围时,系统就转换到蓄电池方式,然后转换到正常方式,由逆变器为负载供电,典型的转换时间为2ms。从节能方式向正常方式的所有的转换均先转换到蓄电池方式,然后
　　
　　再转换至双变换方式。当市电受到严重干扰时,系统从ESS方式转换到双变换方式并要在双变换方式运行1h(可编程),1h后再回到ESS方式。如果在双变换方式运行1h周期内,又检测到市电严重干扰,则此1h记时将重新开始。
　　
　　⑤可变模块管理系统方式(VMMS,Variable Module Management System)
　　
　　在可变模块管理系统方式下,UPS与传统的双变换UPS工作相同。但UPS根据负载的大小,有选择地将负载移到少数的单机UPS中,以保证单机UPS的负载率较高,效率较高。当一个单机UPS被设置为VMMS方式时,此单机UPS将停止开通逆变器和整流器,但使其输出接触器闭合,以保持其输出电压与负载母线电压相同并与之锁相。在此方式下,此单机UPS监视重要负载母线,并保持其输入接触器闭合,在关键负载母线出现干扰和有阶跃负载时,此单机UPS立即返回运行,为负载供电。在VMMS方式中,单机UPS可用的最大功率被限制到单机UPS额定功率的80%,如果负载超过了此极限,则需增加单机UPS,以承担增加的负载。在市电严重干扰时,UPS将转换到双变换正常方式,所有的单机UPS运行1h,此1h终了时,UPS将自动转换回VMMS方式。如果在此1h内有出现市电严重干扰,则1h定时器将重新启动,UPS再重新开始在正常方式运行1h。
　　
　　3 UPS冗余并机基本工作原理
　　
　　(1)正常运行状态(见图1)图1中,负载由UPSA和UPSB的整流器——逆变器来供电,同时向各自的电池组充电,每台UPS的逆变器各带50%的负载运行。
　　
　　(2)UPS在线维护(见图2)
　　
　　图2中,当其中一台UPS故障时(例如UPSA),会自动退出运行,由剩下的一台UPS带100%负载运行。对故障的UPS可通过断开其Q1、Q2、Q3、Q4和Q5等隔离开关进行安全地维修,维修之后再投入运行,其状态如上所述。
　　
　　即使在UPS没发生故障时,也可利用这种状态对其内部进行维护保养,例如:清扫灰尘、紧固联接件、检测或更换电池等。
　　
　　(3)UPS冗余并机方案图(见图3)
　　
　　4 并联冗余UPS系统的同步
　　
　　(1)同步信号的选择
　　
　　一般来说,因为各单机UPS的输出均同步于其旁路电源,如果各单机UPS的旁路电源是同一个市电电源,各单机UPS就会自然同步运行。但考虑市电停电时各单机UPS将同步于各自内部的晶体振荡器,在这种情况下就不会自然同步了。为了保证在任何情况下各单机UPS都能同步运行和负载均分,常常采用以下同步方法:
　　
　　①主从同步
　　
　　指定其中一台单机UPS为主UPS,其余的为从UPS。在正常情况下,有市电时主UPS同步于市电,无市电时同步于自己的内部晶振;所有“从UPS”(可编号为1、2、3……)都同步于主UPS。如主UPS故障,1号“从UPS”自动变为主UPS。以此类推,2号、3号……UPS也可为主UPS。
　　
　　②无主从同步
　　
　　即不指定主UPS,任何一个单机UPS都可以为主UPS,也可以为从UPS。一般按开机情况随机确定主UPS,例如哪一台先启动完毕,即为主UPS,此主UPS故障时的替代方法同上述方法。
　　
　　(2)锁相环同步
　　
　　为了使单机UPS的逆变器输出电压与同步信号(旁路电源电压)的频率和相位相同(同步运行),需要一种装置用于检测逆变器输出电压和旁路电压电源的相位差,并将它们变为电压信号去控制逆变器的相位和频率,使逆变器与旁路电压同步,这种装置就是锁相环。锁相环是由鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)组成的(见图4)。
　　
　　鉴相器用于比较输入信号Ui(如旁路电源电压)和从压控振荡器反馈回来的输出信号Uo的相位,鉴相器的输出为正比于两个信号的相位差的误差电压信号Ud。低通滤波器用于衰减Ud中的高频分量和噪声,提高抗干扰能力,输出控制电压Uc。压控振荡器是输出频率受控制电压Uc控制的振荡器。当控制电压Uc=0时,其输出频率固定不变,控制电压Uc≠0时,振荡器的输出频率随控制电压Uc而变化。
　　
　　在锁相环中,如果压控振荡器的频率与同步信号的频率差异在规定的范围内,鉴相器输出的误差信号经低通滤波器后,可控制压控振荡器的频率和相位向同步信号靠拢,当压控振荡器的频率与同步信号的频率完全相同,而且相位差达到恒定时,锁相环进入锁定状态。
　　
　　5 并联冗余UPS系统的负载均分
　　
　　在单机UPS系统中,只要旁路电源可用,逆变器总是与旁路电源同步,因此当逆变器故障时,可以通过静态开关不间断地将负载转换到旁路电源。
　　
　　在并联冗余UPS中,每个单机UPS都与其旁路电源同步,由于各单机UPS的旁路电源是同一个市电电源,各单机UPS就会自然同步运行。但各单机UPS相位还会有微小的变化。为了保证各单机UPS之间均分负载,必须保证各单机UPS输出电压的频率和相位上准确的匹配。为此,通常各单机UPS之间需要通信,进行必要相位调节。
　　
　　先进的UPS采用无线并联技术,各单机UPS之间不需要通信。每个单机UPS只需要监视自己的输出功率,根据输出功率的变化情况进行调节,保持与其他单机UPS同步运行和负载均分。无线并机的原理是利用并联的单机UPS之间的相角差与每个单机UPS所承担负载的关系,进行相位调节的。例如,两个并联的单机UPS的输出波形匹配时,它们将均分负载。如果一个单机UPS波形超前另一个单机UPS,它将承担较多的负载,而另一个单机UPS承担比例较小的负载。两个单机UPS之间的负载分配对两单机UPS的相角差非常灵敏,1度的相角差将会引起50%的负载不平衡。在无线并机UPS系统中,每个单机UPS都监视自己的输出功率,并跟踪从一个周波到下一个周波输出功率的变化,两个相邻周波的功率差称为ΔP。如果一个单机UPS的ΔP增加,表明该单机UPS的相角超前于另一个单机UPS,就需要稍微降低其输出频率,进行补偿。这种频率调节一般在几个毫赫兹(milliHertz)的数量级。如果一个单机UPS的ΔP减少,表明该单机UPS的相角滞后于另一个单机UPS,就需要稍微提高其输出频率,进行补偿。在稳态运行中,各单机UPS的ΔP为零,均不调节它们的输出频率。在突加和突减负载时,两个单机UPS的输出功率具有同样的瞬变并进行一次频率调节（反向或正向调节）。频率调节量也是在几个毫赫兹的数量级。
　　
　　6 并联冗余UPS系统的故障单机UPS的自动跳机
　　
　　下面介绍无线并机UPS的选择性单机UPS跳机。当单机UPS故障,不能为负载供电时,它必须脱离负载母线。无线并机UPS的选择性跳机性能包括如下两个过程:检测单机UPS故障和使该单机UPS从负载母线上断开。
　　
　　(1)不影响关键负载母线电源质量的故障
　　
　　有些故障不会影响关键负载母线的电源质量,例如某单机UPS因其空气滤清器堵塞引起过温,因此不能继续工作,必须从负载母线上断开,原来由此故障UPS承担的负载可以由其他UPS承担。这类故障不会影响关键母线的电源质量,故障UPS从关键负载母线上断开的时间也不是非常紧急。
　　
　　(2)影响关键负载母线电源质量的故障有些单机UPS的故障会影响负载母线,例如逆变器的元件IGBT短路,将会影响其输出电压,对负载母线电压造成严重影响。对于这种故障应迅速识别并尽快从关键负载母线上断开。
　　
　　(3)选择性跳机的方法
　　
　　如负载均分的控制方法一样,每个单机UPS只需要监视自己是否有故障,发现故障后立即从关键负载母线上断开。为了识别单机UPS故障,控制电路检测UPS输出电压和输出电流相对于当前的输出电压和输出电流数据的变化。每个单机UPS的控制器都存储最后5个周波的每相输出电压和输出电流波形。将最后5个周波的输出电压和输出电流的平均值()与当前的电压和电流波形(UN和IN)进行比较,计算电压和电流的增量ΔU和ΔI(ΔI=IN-,ΔU=UN-),然后根据ΔU与ΔI乘积的符号确定是否有故障以及是否需要与负载母线脱离。
　　
　　7 并联冗余UPS系统的并联台数
　　
　　采用并联冗余UPS可以得到较高的可用性。一般可采用1+1或N+1并联冗余UPS系统。1+1并联冗余UPS系统可提供比N+1并联冗余UPS更高的可用性,一般用于要求很高的应用中。在需要综合考虑成本、可靠性和扩容性的场合,可选择N+1并联冗余UPS系统。
　　
　　N+1并联冗余UPS系统的可用性比单机UPS的可用性高。但是,N+1并联冗余UPS系统的并联台数不是越多越好。1+1并联冗余UPS系统的可用性最高,随着并联台数的增加,N+1并联冗余UPS系统的可用性会下降。当并联台数为大于4(3+1)台时,系统可用性将会急剧下降。在实际应用中,随着并联台数(包括蓄电池组)的增加,UPS系统故障率显著增加;系统的成本和维护量也会增加,维护量的增加意味着人为干预增多,因而增加了系统故障的危险。
　　
　　8 并联冗余UPS的局限性
　　
　　并联冗余是获得高可靠性和高可用性UPS的重要方法。并联冗余UPS可以满足各种关键负载的要求,所以得到了最广泛的应用,但也有其局限性。
　　
　　然而,对于单电源输入的负载,如果为其供的断路器故障跳闸,必然会引起这个负载断电。为此,可以采用静态转换开关STS,STS的两路输入由两个分路引入,其中一个优先供电,当此路的断路器或线路故障时,由STS将负载转换到另一路供电。转换时间一般在5ms内,故不会影响负载的工作(一般设备允许瞬间供电中断的时间是8-20ms)。因此,采取STS的办法,单电源负载也相当于双电源负载,一个电源故障时也不会造成负载断电。所以,一般来说,对单电源负载也没有问题了。
　　
　　但是,当并联冗余UPS本身出现故障时,就造成关键负载的系统故障。在实际应用中,这种故障是时有发生的。必须指出,并联冗余UPS系统(单母线输出)运行中,绝对不能出现超过20ms的停电或闪断现象,才能保证负载的安全运行。但是,这是不可能避免的。
　　
　　在下列情况下常常会导致并联冗余UPS系统输出停电或闪断故障:
　　
　　①UPS的整流器的滤波电容器发生故障(爆炸)。
　　
　　②UPS输出的配电电路发生短路故障。
　　
　　③UPS的整流器的SCR发生短路故障,或IGBT烧坏。
　　
　　④旁路静态开关的SCR误导通。
　　
　　因此,并联冗余UPS系统不是绝对可靠。
　　
　　9 冗余并机解决方案
　　
　　(1)应用领域
　　
　　①关键任务应用;
　　
　　②实时过程控制;
　　
　　③互相关联的大型网络;
　　
　　④关键负载高速数据处理;
　　
　　⑤停电故障会付出昂贵的代价。
　　
　　(2)方案特点
　　
　　①可扩展性:可按需要随时扩展冗余并机系统,轻松实现N+1冗余并机方式运行;
　　
　　②可靠性:任何一台UPS出现故障,该台UPS自动退出运行,剩余UPS自动承担全部负载,保障系统正常运行;
　　
　　③可用性:其中一台UPS出现故障不影响系统运行,无需停机等待修复,有效提高平均无故障时间,最大限度的保护负载正常运行。
　　
　　(3)以两台UPS冗余并机方案为例
　　
　　为了容易分析,在这里只用两台UPS作1+1冗余并机,如图5所示。后面的所有负载之和小于100kVA,两台UPS的输出电压在输出配电柜内直接并机,然后再通过开关Q给负载供电。如果遇到双电源负载就可以分别从输出配电柜上各引一路到负载,同时满足双电源输入的条件。两台UPS冗余并机供电的可靠性分析:为了对可靠性有一个大略的数值概念,在这里只对UPS本身的并机进行讨论,至于那些必不可少的断路器开关,不论用什么方式供电都是必不可少的,大家都一样,所以暂不考虑,在这里只讨论有区别的部分。假如每台UPS的可靠性r=0.99,为了简单起见,暂认为两台UPS的可靠性相等,就可做出双机1+1冗余并机供电的可靠性模型图,如图6所示。
　　
　　

两个单机UPS并联的可靠性为R=1-(1-r)2=1-(1-0.99)2=0.9999不可靠性q=1-可靠性=1-0.9999=0.0001,不可靠性是万分之一,故障率也大约是万分之一。即双机冗余并机后,使系统的可靠性提高了两个数量级。其原因是它可以使可用性表达式中的平均修复时间MTTR减到最小。
　　
　　另外,双机冗余并机结构的系统有一个突出优点,就是过载能力特强:具有2倍UPS单机的过载能力。
　　
　　作者简介
　　
　　张颖华,男,48岁,1970年生人,1993年毕业于北京航空航天大学,后入职科海集团北京科海精密仪器公司、北京四通机电公司、北京中科物资装备总公司等,于2004年入职北京宏华创业科技有限公司至今,现任总经理。在UPS不间断电源行业摸爬滚打了二十余年,有丰富的实践经验。
　　
　　编辑：Harris