冗余UPS系统的结构优化

IEC62040规定的各种单机UPS系统，从可靠性和功能性上来看，可以分别满足不同应用场合的需要。在小功率的应用场合，各种单机UPS系统都可以采用。在中、大功率的应用场合，可以采用双变换UPS系统。应该指出，仅仅满足可靠性和功能性的要求还是不够的，对于要求高可用度的应用场合，还应满足可维护性和故障容限的要求，以提高系统的可用度。

为了提高UPS的可维护性和故障容限，可以采用冗余UPS系统。冗余UPS系统有并联冗余、备用冗余、隔离冗余和分布冗余等。目前，应用比较广泛的是并联冗余UPS和正在不断发展的分布冗余UPS。

1.并联冗余UPS

并联冗余UPS系统由两个或多个单机UPS系统组成，各单机UPS系统的输出并联连接到一个公共的配电系统。系统一般按N+1个单机UPS系统配置，其中N个单机UPS系统就足以供给系统全部负载，再增加一个作为备用。因此，如果只有一个单机系统故障，N+1并联冗余系统仍能正常工作。并联冗余UPS系统的可用度比单机UPS系统高得多。假设单机系统的可用度为3个9（0.999），则1+1并联冗余系统的可用度可达到6个9（0.999 999）。厂家一般承诺可以6台UPS并联，但是，当并联的单机数目增大时，并联冗余系统的可用度的提高的幅度会减小。N很大时，并联冗余系统可用度的提高并不明显。而且，在实际应用中，N较大的N+1并联冗余系统的故障率较高。所以，在投资允许的情况下应尽量采用1+1并联冗余UPS系统。如果系统容量很大，必须采用N+1并联冗余UPS系统时，应注意并联的单机台数不宜太多，建议N≤3。

并联冗余UPS系统有4种工作方式：

1）正常方式

在正常工作时，N+1 UPS系统所有单机都同步运行并均分负载。如果一个UPS单机故障自动从并联冗余系统上断开或人为使其脱离系统进行维护，则其余UPS单机仍然可以不间断地给负载供电。

2）储能方式

市电停电时，各个UPS都由蓄电池放电供给逆变器，各个逆变器继续并联运行，不间断地为负载供电。

3）旁路方式

当UPS过载时，负载通过集中的静态开关或分散的静态开关转换到由旁路电源供电。

4）维修旁路

如果UPS需要停机进行维护，则可通过维修旁路开关将负载转换到由旁路电源供电。并联冗余UPS系统主要有两种不同的系统结构形式，即直接并联（分散的旁路）和通过并机柜并联（集中的旁路），如图6-10和图6-11所示。

图6-10　并联冗余UPS（分散的路旁）

图6-11　并联冗余UPS系统（集中的旁路）

2.分布冗余UPS

1）基本组成

并联冗余UPS系统与单机UPS系统相比已经相当可靠了，但是电源系统的冗余只是集中在UPS设备，对于每个负载设备，其输入电源仍然没有冗余。在实际运行中，UPS输出端至负载之间的配电电路（包括开关和线路）的故障往往多于UPS本身的故障。因此，最重要的不是保证UPS输出端的电源可靠，而是保证负载输入端的电源可靠。基于这种考虑，提出了分布冗余UPS。

分布冗余UPS的目的是将电源系统的冗余扩展到每一个负载设备，而且应使电源系统的冗余尽可能接近负载设备的输入端。

如图6-12所示，分布冗余UPS系统中有两个独立的UPS系统，每个独立的UPS系统都能为全部重要负载供电，构成双母线供电系统。通过适当的配电电路，可以为单电源输入和双电源输入的各种负载设备供电。

图6-12　分布冗余UPS（双母线供电系统）

分布冗余UPS系统的两个独立的UPS系统可以采用并联冗余UPS系统，也可以采用单机UPS系统。采用1+1并联冗余UPS组成的分布冗余UPS的可靠性和可用度非常高，但成本是普通的1+1并联冗余UPS的两倍。采用单机UPS的分布冗余UPS系统与1+1并联冗余UPS系统的成本基本相同，但其可用度和可靠性比1+1并联冗余UPS系统要高。因此，这种所谓单机分布冗余UPS（或称为单机双母线UPS）更为经济适用，更容易为用户接受。(www.xing528.com)

分布冗余UPS也可以扩容，对于较大应用系统，每个独立的UPS系统可以采用较大容量的N+1并联冗余UPS系统，也可以采用并联无冗余UPS系统（仅为扩大容量而并联）。

2）同步

对于双电源负载设备，只要任何一个输入电源正常，负载设备就可以正常工作。当两个UPS给双电源负载设备供电时，只需将两个UPS电源直接接到双电源负载设备的输入端，当其中一个UPS出现故障时也不必进行电源转换。因此，两个UPS是完全独立的，其输出不必同步，这种配电电路最简单。

对于单电源负载设备，其输入电源是不允许停电的。当两个UPS给单电源输入的负载设备供电时，应采用静态转换开关。正常时由其中一个UPS为负载供电，当供电的UPS故障时或需要维护时，静态转换开关将负载不间断地转换到由另一UPS供电。

目前，双电源输入的负载设备正在不断增加，还有三电源负载设备。但是大部分负载设备还是单电源输入的。因此，分布冗余UPS的配电系统必须考虑两个UPS的同步和相互之间转换的问题。

在分布冗余UPS中，两个UPS的同步是非常重要的问题，两个UPS必须在全部时间内保持同步。同步不仅可以缩短两个UPS之间的转换时间，减少单电源输入的负载设备供电中断时间，而且可以有效地保护电源设备和负载设备，避免事故发生。因为如果两个UPS不同步，进行了不同相位的转换，两个电源之间就会出现环流，损坏电源设备，而且还会损坏负载设备。例如，对于交流磁性负载（如变压器、继电器线圈和电动机等），交流电源相位的突变会产生非常大的再磁化电流，致使电源设备过载或使过流保护装置动作、开关跳闸。当两个不同步的电源进行相互转换时，一定要进行中断转换。

两个UPS在正常情况下一般是同步的，因为两者都同步于同一个旁路电源（市电）。但是在市电故障时（同步源消失），如果两个UPS都同步于各自的内部时钟，就会互不同步。为此，应配置负载母线同步电路（LBS），以保证在市电停电时，两个UPS都工作于储能方式或者工作于两个独立的发电机组时，也能可靠地同步。

LBS连续检测两个UPS的输出之间的相位关系，如果失步超过预定的时间（0.5～5 s），LBS就使指定为从系统（DSS）的UPS同步于指定为主系统（DMS）的UPS。在此期间，LBS连续监视两个系统的旁路输入电压的质量和同步情况，一旦恢复正常，LBS就将两个系统恢复为同步到各自的旁路输入电源。

值得一提的是，分布冗余UPS系统中的两个独立的UPS必须在任何时间保持同步，双变换UPS通过LBS就能做得到。市电交互UPS和Delta变换UPS正常运行时只能同步于为其供电的市电交流输入电源，不能进行输出频率的控制。这种UPS构成分布冗余UPS时，要求所有独立的UPS的输入电源（独立的备用发电机组）同步运行。每个独立的UPS模块还需要有一个内部系统同步单元用于蓄电池供电时各独立UPS模块的同步。

3）配电电路

（1）常用配电电路。

图6-13为双母线分布冗余UPS供电系统的常用配电电路。UPS1和UPS2经各自的输出配电屏为双电源负载和单电源负载供电。

图6-13　双母线分布冗余UPS的常用配电电路

对于双电源负载设备，只要任何一个输入电源正常，负载设备就可以正常工作。因此，只需将两个UPS输出经UPS输出配电屏、分配电屏直接接到双电源负载设备的输入端，就可以在负载输入端得到冗余的电源。当其中一个UPS出现故障时，负载设备仍能正常工作，不需要静态转换开关进行电源转换。考虑到分布冗余UPS系统还有单电源负载设备，仍配置了LBS，以保证两个UPS的同步。这种配电电路完全实现了将电源系统的冗余扩展到负载设备的电源输入端。

单电源负载需经UPS输出配电屏、静态转换开关（STS）转换后再经分配电屏（列头柜）供电。静态开关采用快速先断后合（break before make）的转换技术，可确保两个UPS电源的独立性，既保证电源切换时不影响负载正常工作，又防止了一个UPS的故障影响另一个UPS。

如果不配置LBS，只能构成非同步的双母线分布冗余UPS供电系统，此时双电源负载的配电电路与前述相同。而单电源负载就只能接在一个母线上，不再是双母线供电了。当全部负载都是双电源负载，或者双电源负载多，单电源负载很少时，这种不同步的双母线供电系统方案也是可行的。

（2）超高可用度配电电路。

图6-14所示是一种可用度非常高的双母线分布冗余UPS配电电路。在此电路中，UPS1和UPS2构成双母线分布冗余UPS系统。静态转换开关STS1和STS2的两个输入电源均引自UPS1的输出配电屏1和UPS2的输出配电屏2。STS1整定为UPS1为主用，其输出接到分配电屏1（列头柜1），STS2整定为UPS2为主用，其输出接到分配电屏2（列头柜2）。各双电源负载的两路输入电源均引自分配电屏1和分配电屏2。单电源负载再经“使用点转换开关”供电，“使用点转换开关”的两个输入电源也引自分配电屏1和分配电屏2。

图6-14　超高可用度的双母线分布冗余UPS配电电路

在正常情况下，UPS1和UPS2各带一部分负载，因此，避免了其中一个UPS故障时需要进行100%的负荷转换。这种配电电路的成本很高，因为双电源负载也增加了STS，单电源负载增加了“使用点转换开关”（采用机械开关）。但是，整个供电系统，从UPS设备直到双电源负载的电源输入端和单电源负载的使用点转换开关之前的电路，都可以脱离系统进行维护。

分布冗余UPS系统与单机、并联冗余或其他的冗余方式相比，可维护性和故障容限得到了很大的提高。采用双母线配电，可以将负载全部转换到一个母线上（不必像并联冗余UPS那样转换到旁路），由一个UPS供电。而另一个UPS及其断路器、配电设备都可以脱离系统进行维护，因此可以得到连续的可用度。

分布冗余UPS系统比并联冗余或隔离冗余系统简单、便宜。最普通的方法是用两台单机UPS和LBS构成双母线分布冗余UPS系统，不需要增加系统级控制设备。由于采用了双母线和静态转换开关，使单电源负载也具有类似于双电源负载的功能。因此，分布冗余UPS系统在进行预防性定期维护时的风险较小。