UPS電源廠(chǎng)家詳解:模塊化UPS電源的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，重要性越來(lái)越高，其對(duì)系統(tǒng)彈性、可用性、運(yùn)營(yíng)效率、可運(yùn)維性等提出了更高的要求。作為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，UPS無(wú)疑需要匹配這種要求。在此背景下，UPS模塊化已經(jīng)成為業(yè)界的共識(shí)。與傳統(tǒng)塔式機(jī)相比較，模塊化UPS具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)投資有效性：隨需擴(kuò)容，節(jié)省初期投資;

2)模塊冗余高可靠性：避免出現(xiàn)重大斷電事故;

3)易維護(hù)性：在線(xiàn)熱插拔，維護(hù)簡(jiǎn)單快速，無(wú)須轉(zhuǎn)旁路;

4)節(jié)能環(huán)保性：對(duì)電網(wǎng)污染小，高效率及模塊休眠等技術(shù)減少能源浪費(fèi)。

正因?yàn)榫哂腥绱吮姸嗟膬?yōu)點(diǎn)，目前大多數(shù)UPS廠(chǎng)商都已發(fā)布模塊化UPS,越來(lái)越多的用戶(hù)已經(jīng)或正在考慮使用模塊化UPS建設(shè)新數(shù)據(jù)中心。但現(xiàn)今市場(chǎng)上的模塊化UPS所采用的技術(shù)不盡相同，客戶(hù)在選用過(guò)程中有一定的困惑，本文將基于筆者的應(yīng)用實(shí)踐與理解對(duì)兩種主流架構(gòu)的模塊化UPS進(jìn)行剖析，希望能給各位讀者一些幫助及啟發(fā)。

2.模塊化UPS的兩種典型架構(gòu)

1)分布式架構(gòu)

圖1中展示了分布式模塊化UPS的系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1分布式結(jié)構(gòu)的模塊化UPS架構(gòu)

分布式是早期模塊化UPS經(jīng)常使用的一種架構(gòu)。此類(lèi)模塊化UPS系統(tǒng)層面上等價(jià)于數(shù)臺(tái)獨(dú)立的UPS直接并聯(lián)，其功率模塊利用小型UPS改造而成，可自主獨(dú)立工作，其特點(diǎn)是：①除整流、逆變的控制外，均流與邏輯切換也由內(nèi)部控制單元控制;②內(nèi)置容量與功率模塊容量一致的靜態(tài)旁路，在旁路模式時(shí)，由每個(gè)模塊內(nèi)的靜態(tài)旁路共同承擔(dān)負(fù)載。

2)分布+集中式架構(gòu)

與之相對(duì)應(yīng)，圖2展示了另一類(lèi)架構(gòu)的模塊化UPS。

圖2分布+集中式結(jié)構(gòu)模塊化UPS架構(gòu)

分布+集中式結(jié)構(gòu)的模塊化UPS設(shè)備所有的功率模塊內(nèi)置控制單元用于本模塊的整流器與逆變器控制，而將整個(gè)系統(tǒng)的均流及邏輯切換等功能從模塊內(nèi)部控制單元中提取出來(lái)，由一個(gè)集中的控制模塊控制。為了消除可能引入的單點(diǎn)故障，該控制模塊及相應(yīng)通訊總線(xiàn)均進(jìn)行1+1冗余。當(dāng)一個(gè)控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，整個(gè)UPS系統(tǒng)中功率模塊可由另一處于熱備狀態(tài)的控制單元無(wú)縫接管系統(tǒng)控制，保障系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。同時(shí)，功率模塊內(nèi)不再內(nèi)置靜態(tài)旁路，系統(tǒng)配置一個(gè)靜態(tài)旁路模塊，其容量即為系統(tǒng)容量。

3.分散控制與分布+集中控制邏輯模式對(duì)比

分布式架構(gòu)的模塊化UPS采用分散控制邏輯模式，系統(tǒng)中每個(gè)模塊都含有一個(gè)完整獨(dú)立的控制單元，系統(tǒng)的主控模塊會(huì)通過(guò)一定的邏輯規(guī)則從系統(tǒng)內(nèi)所有模塊中選出，其余模塊作為從控模塊聽(tīng)從主控模塊調(diào)度。當(dāng)UPS系統(tǒng)中的一個(gè)從控模塊出現(xiàn)故障時(shí)其余模塊仍正常工作，當(dāng)主控模塊出現(xiàn)故障時(shí)可通過(guò)一定的競(jìng)爭(zhēng)規(guī)則來(lái)使得另一個(gè)模塊作為主控模塊，保障系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。

分散控制邏輯模式的優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)控制單元都可以完成對(duì)系統(tǒng)獨(dú)立控制的工作，故不存在這方面的單點(diǎn)故障點(diǎn)。但缺點(diǎn)也很明顯，首先因?yàn)橹骺啬K既要處理本身的信號(hào)，又要協(xié)調(diào)各模塊之間的信號(hào)，所以控制邏輯比較復(fù)雜，軟件邏輯可靠性不高。其次各主控模塊故障后，會(huì)在剩余模塊中競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生一個(gè)模塊作為主控模塊，該過(guò)程中也容易發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)失敗導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

分布+集中式架構(gòu)的模塊化UPS功率模塊內(nèi)整流、逆變的控制是分布的，而均流邏輯等控制則是集中控制模式，即采用獨(dú)立集中的控制模塊(如圖2中控制模塊)來(lái)檢測(cè)市電的頻率和相位，然后向每個(gè)模塊發(fā)出同步信號(hào)，各個(gè)功率模塊接受到此同步信號(hào)后通過(guò)自身的控制環(huán)輸出相應(yīng)頻率相位的正弦波。

當(dāng)市電丟失時(shí)，集中控制模塊會(huì)自激產(chǎn)生同步信號(hào)發(fā)送給各個(gè)UPS模塊來(lái)保證各單元的輸出同頻同相。同時(shí)在均流的控制實(shí)現(xiàn)形式方面，集中式架構(gòu)的模塊化UPS依靠控制模塊來(lái)檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載電流，然后除以系統(tǒng)模塊數(shù)量來(lái)作為各個(gè)UPS模塊的均流參考值，進(jìn)而與各模塊輸出電流比較后求出偏差值來(lái)不斷調(diào)整各模塊的輸出電流，以保證系統(tǒng)內(nèi)模塊間良好的均流度。分布+集中控制邏輯模式的優(yōu)點(diǎn)在于采用獨(dú)立的均流與邏輯控制單元，均流度更好，且控制邏輯層級(jí)清晰，各功率模塊之間不存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，軟件邏輯可靠性較高。為了保證集中控制單元的可靠性，避免單點(diǎn)故障，一般采用該架構(gòu)的UPS控制單元及通訊線(xiàn)路均會(huì)做1+1備份。1+1熱備份是最常用的備份方式，其可靠性在各類(lèi)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)踐中已得到驗(yàn)證。

綜合來(lái)說(shuō)，集中式冗余架構(gòu)具有的優(yōu)勢(shì)是明顯的。

4.集中旁路與分散旁路對(duì)比

正如本文中兩種架構(gòu)圖所示，目前大容量模塊化UPS系統(tǒng)的旁路控制技術(shù)主要有兩種模式：1、系統(tǒng)集中旁路模式(UPS系統(tǒng)內(nèi)只有一套旁路系統(tǒng)，如圖2所示);2、系統(tǒng)分散旁路模式(UPS系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)功率模塊都有一套旁路系統(tǒng)，如圖1所示)。集中旁路系統(tǒng)具有過(guò)載能力強(qiáng)，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，而分散旁路具有可擴(kuò)容，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但可能存在一定的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于分散旁路模式，表面上看因分散布置，在UPS模塊冗余時(shí)類(lèi)似于冗余設(shè)計(jì)，一處旁路故障，其它旁路仍可工作。實(shí)際上此種分散與冗余有本質(zhì)不同。旁路的主要器件為SCR.因?yàn)槠骷碾x散性較大，系統(tǒng)工作在旁路模式時(shí)，各個(gè)旁路基本不可能處于均流狀態(tài);而為了保持旁路輸出的電壓波形完整，在旁路模式時(shí)不會(huì)進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，難以電流進(jìn)行控制，僅依賴(lài)自然均流不均流度很難控制在25%以?xún)?nèi)，電流大的模塊很可能因旁路過(guò)載而關(guān)機(jī)，影響系統(tǒng)供電連續(xù)性。

除了穩(wěn)態(tài)的均流問(wèn)題，在瞬態(tài)時(shí)分散旁路系統(tǒng)也具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。在系統(tǒng)控制器發(fā)送切換旁路模式的信號(hào)之后，因?yàn)樾盘?hào)傳輸路徑、模塊控制器響應(yīng)速度、器件一致性等各方面原因，各個(gè)旁路很難同步切換，而先切換導(dǎo)通的SCR將承擔(dān)大部分負(fù)載甚至所有負(fù)載，極易導(dǎo)致該SCR失效。

靜態(tài)旁路是主路模式的冗余，作用非常重要。而分散旁路的設(shè)計(jì)方式大大降低了旁路的可靠性。實(shí)際上，在傳統(tǒng)塔式UPS應(yīng)用中當(dāng)并機(jī)數(shù)超過(guò)四臺(tái)時(shí)，一般為了避免旁路不均流問(wèn)題，都需要采用集中靜態(tài)旁路系統(tǒng)。因?yàn)榕月废到y(tǒng)的限制，采用分散旁路系統(tǒng)的UPS很難具有較好可擴(kuò)展性。

5.總結(jié)

如上所述，模塊化UPS電源因其高可靠、易維護(hù)、易擴(kuò)容等優(yōu)點(diǎn)，大大地節(jié)省了客戶(hù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，為業(yè)務(wù)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。兩種典型架構(gòu)的模塊化UPS都能提供較好的維護(hù)性與擴(kuò)容能力，比起傳統(tǒng)UPS的可用性大幅提升。但從技術(shù)角度分析，集中式結(jié)構(gòu)的模塊化UPS具有更高的安全性，更優(yōu)異的可靠性。