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模塊化UPS分散旁路和集中旁路方案

熟悉模塊化UPS發展的業內同仁應該都了解,模塊化UPS的係統架構從開始就有兩條不同的技術路線:分散旁路和集中旁路。這裏筆者想從技術的來源和性能可靠性來對比談談這兩種方案的選擇,希望能給讀者一些啟發和幫助。
 
一、兩種旁路方案的架構定義和來源
 
模塊化UPS,顧名思義,是將大功率的UPS係統,分開成多個子模塊並聯,通過優化的係統控製,實現係統的在線擴容升級、維護,並大幅提高係統的可靠性、可用性和節能效果,降低客戶的維護成本,近年來已經漸漸成為主流客戶的首選。下麵以市場上典型的基於10個30kVA功率模塊的300kVA係統來做分析。
 
(1)分散旁路架構
 
分散旁路架構,即每個功率模塊含有整流、逆變和電池變換等部分以外,還含有與功率模塊容量相等的靜態旁路,可以認為是一台沒有液晶監控的UPS。多個模塊在機櫃中並聯組成係統,模塊間相互關係類似於傳統多並機UPS係統。係統切換到旁路供電時,負載由所有功率模塊內的分散旁路來並聯供電。係統架構圖如圖1所示。
 
模塊化UPS分散旁路和集中旁路方案
圖1. 分散旁路架構圖
 
(2)集中旁路架構
 
集中旁路架構,係統隻有一個與係統容量相等的集中旁路模塊,功率模塊內僅包含整流、逆變和電池變換電路,每個部分均由獨立的控製器,模塊間的並聯不再是傳統的UPS並機係統,而是包含複雜的逆變均流,旁路控製和監控等邏輯。係統架構圖如圖2所示。
 
模塊化UPS分散旁路和集中旁路方案
圖2. 集中旁路架構圖
 
(3)兩種技術方案的發展來源
 
模塊化UPS的概念,最先起源於客戶對係統維修的簡易化的需求,希望能在故障情況下不影響關鍵業務,進行簡單的更換操作即可恢複係統。廠家天然地就想到把UPS並機係統設計成模塊化結構,這也就是分散旁路方案的來源。
 
分散旁路方案的優點是:控製簡單,開發難度小,僅須將原有的UPS並機係統移植並優化監控部分即可;機櫃成本低;旁路器件因為容量較小,成本也相對較低;靜態旁路有多路冗餘。
 
集中旁路方案是繼分散旁路之後發展起來的技術路線,相比傳統並機UPS係統,從並聯均流控製、係統邏輯協調、容錯能力方麵都做了非常大的改動,可以說是一個全新的技術領域,開發難度大。
 
下麵的章節將介紹兩種技術路線帶來的性能和可靠性方麵的差異。
 
二、兩種方案的性能差異
 
靜態旁路作為UPS供電的最後一道屏障,重要性不言而喻,常見的旁路供電的情況有以下幾種:逆變器故障、逆變器過載或過溫、輸出短路。可以看到,旁路供電的工況多數是極端工況,對器件的考核應該加倍嚴酷。
 
(1)穩態工況
 
旁路供電時,集中旁路方案很好理解,隻有一個旁路提供全部電流,旁路容量按照係統最大容量來設計,跟模塊配置數量無關,不存在任何問題。
 
分散旁路方案是由多路小功率靜態旁路來承擔負載,由於旁路回路是低阻回路,多回路的均流沒有辦法用軟件方法來控製,模塊間的均流完全取決於以下幾個因素:
 
l1)個體器件間的差異,主要是導通壓降的差異,器件廠家的分散性不可避免;
 
l2)回路阻抗的差異,主要是各回路線纜的長度無法保證一致,且線纜連接點阻抗因工藝控製等原因無法把握;
 
一般來說,即使是最樂觀的估計,均流差異都不大可能會小於20%以內,也就是說,存在部分模塊電流過大的風險,這在嚴酷的應用中是非常危險的。
 
由於這個不可控的均流能力,部分廠家提出了“解決方案”——旁路均流電感,原理簡單粗暴,就是每個旁路回路串聯一個電感(如圖3所示),利用電感的阻抗來平衡各支路的電流(同樣也是常規並機係統的方法)。且不說電感量的10%的個體差異,帶來更大的係統損耗,這種方案還會有下麵瞬態性能上不可逾越鴻溝。
 
模塊化UPS分散旁路和集中旁路方案
圖3. 某廠家的旁路均流電感
 
(2)瞬態工況
 
逆變切換到旁路的工況,基本上是緊急工況,切換時序要求非常高,否則容易造成關鍵負載中斷。在大負載或者是故障電流情況下切換,瞬間的操作電流可能會數倍於係統額定電流,這也就是為什麽靜態旁路設計要求更大的餘量。
靜態旁路器件抗瞬態電流衝擊的主要參數是I2t,也就是短時間(一般小於10ms)的電流積分,如果I2t過大,器件即很可能燒毀。UPS的性能參數中,常見規定的旁路過載能力為1000% 維持10ms,也就是在配電開關保護時間(10ms)內旁路需要提供不小於10倍額定電流。下麵以300kVA係統為例,分析不同器件的抗衝擊能力的差異。
 
分散靜態旁路器件,因為目前技術能力的原因,器件單體最大電流等級為70A,根據某著名廠家的器件規格書,提供的最大I2t為7200A2S(<10ms),300k係統可以認為是10路器件並聯運行。
 
模塊化UPS分散旁路和集中旁路方案
 
集中靜態旁路,用的都是SCR模塊,最主流廠家為德國賽米控(SEMIKRON),AG亞洲網站看看其中一個型號SKKT323/16E的I2t參數,同樣10ms條件下為450000 A2S,兩者之間的相差超過60倍!
 
模塊化UPS分散旁路和集中旁路方案
 
而AG亞洲網站計算一下對於常見的1000% 過載 10ms的I2t需求,對於300kVA係統而言。
 
模塊化UPS分散旁路和集中旁路方案
 
也就是說,集中旁路的單個SCR模塊,完全能夠提供超過10倍額定電流的10ms保護能力,而基於分立器件的靜態旁路,即使不考慮器件不均流,也是遠遠不夠的!
 
瞬態切換的均流控製,不光與器件、各回路阻抗有關,也與控製相關。由於各個模塊有各自的控製器,存在各處理器的處理速度、通信延時和模塊自身差異等因素影響,各模塊的實際切換動作一定有不等的延時,這就導致了第一個切到旁路的模塊,很可能承受著100倍於模塊容量的額定電流!由於是瞬態大電流,即使串聯旁路均流電感也不會起到任何限流作用。這對於任何器件來說都是不可能完成的任務,這種切換無異於原地爆炸。短路故障電流的示意圖如圖4所示。
 
模塊化UPS分散旁路和集中旁路方案
圖4. 短路故障電流示意圖
 
當然,分散旁路的廠家也深知這個道理,也提供了相應的“解決方案”,就是:短路情況下隻有逆變維持200ms,然後不切旁路,直接關機!
 
AG亞洲網站來解釋一下,10倍額定電流的工況常見於輸出短路工況,當逆變器不能提供足夠的分斷故障的電流(通常為3倍額定維持200ms)的情況下,係統將切換到旁路供電,用旁路的低阻抗大電流去衝開短路點的保護器件(開關或熔斷器),這是配電設計裏必須考慮的,如果是正確設計的配電係統,各分路的保護設計不應該產生越級保護,即下遊的故障不應該導致上遊的開關動作,係統最壞的情況就是切換到旁路,然後利用旁路強大的過載能力衝開下遊的保護器件,這就是旁路抗衝擊要求的來源。
 
使用分散旁路的係統,如果強行切換到旁路,由於抗衝擊能力的不足和非同步的切換,毫無疑問將會導致器件損壞,係統宕機,所以廠家設計就隻能禁止切換到旁路。可以想象在一個複雜的機房或者工廠內,隻要有一個分支發生短路故障,後果就是整個係統束手就擒!這在實際應用中是無論如何不能接受的,但這同時是分散旁路無法解決的固有問題。
 
三、係統可靠性分析
 
分散旁路尚可宣稱的優點就是旁路冗餘,集中旁路被認為是存在單一故障點,下麵AG亞洲網站來分析一下。
 
(1)從器件選型的角度上分析
 
從器件選型的角度上來說,單個大功率SCR的可靠性遠高於數量眾多的小型器件組成的係統,集中旁路模塊功能簡單,僅需要考慮器件和少量外圍驅動電路的影響,而分散旁路因為是分布在功率模塊內,同時受模塊內部眾多器件的影響。有維修經驗的工程人員都知道,整流、逆變電路的故障都有可能因為火花飛濺等原因造成其他部分電路的故障,也就是說靜態旁路麵臨了較多的不確定風險。如果說集中旁路是單一故障的話,分散旁路可能要被稱為“多點故障”了。
 
(2)從係統容量角度上分析
 
從係統容量角度上來說,集中旁路的容量按照機櫃設計,與配置的模塊數量無關。而分散旁路的靜態旁路容量由模塊容量決定,也就是說,當模塊故障時,係統將會失去相應的靜態旁路容量。一個比較極端的例子,當機櫃配置2個功率模塊時,如果負載率是55%左右,當一個模塊故障時,剩餘的一個模塊則會處於110%過載的工況,最終的結果就是係統掉電。同樣工況對於集中旁路來說,完全不是問題。集中旁路模塊因為器件容量的優勢,甚至有些廠家提供125%長期過載的能力,這對係統可靠性來說有絕對的保障。
 
(3)集中旁路的可靠性設計分析
 
集中旁路的可靠性設計,眾多主流廠家也提出了很多提升可靠性的方案,比如冗餘備份的控製回路方案,通信總線冗餘的方案,功率模塊和旁路模塊控製解耦方案,功率模塊參與旁路控製方案,每個廠家的解決方案各有特色,經過多年的市場驗證,能夠大大提升係統的可用性,加上旁路模塊普遍的熱插拔設計,維修升級與功率模塊一樣簡便。
 
四、總結
 
通過以上的分析,希望可以讓大家能夠進一步了解到兩種方案的係統綜合性能和產品可靠性的差異。
 
技術流派的爭論和路線選擇是產品開發的正常現象,對於用戶來說,正確了解各路線的利弊是至關重要的,兼聽則明,可以避免陷入營銷概念的誤區。然而,對於生產廠家而言,技術路線的選擇意義重大,一旦路線確定,產品開發將無法中途轉變,後續產品係列也必將延續,這就是為何無論業界如何發展,分散旁路的廠家仍然無法轉向另一陣營。目前最主流的模塊化UPS廠家,比如艾默生、伊頓、APC、英威騰、華為等,都是采用集中旁路的方案,精明的客戶應該心中明白個中緣由。

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