UPS供电系统备份形式分析

引言

随着社会经济的发展与进步,一些重要用户的关键设备,如互联网数据中心、银行清算中心、民航管制中心、证券交易系统、通信网管中心等,承担着大量重要信息的传输、处理、存储工作,仅仅几秒钟的停机也会给设备的安全运行和用户的生产经营带来无法估量的损失。

UPS不间断电源作为一种"干净"的不中断的电源系统,它的应用可以解决电网中存在的断电、雷击尖峰浪涌、频率震荡、电压突变、电压波动、频率漂移、电压跌落、脉冲干扰等问题,从而有效改善电源质量,为用户终端提供高质量的不间断电源。

虽然大功率UPS的可靠性很高,但使用环境突然变化、操作人员的误操作、UPS本身元器件的老化、个别元件的早期失效等因素都会导致UPS发生故障。即使UPS的可靠性高达99.999%,也存在每年故障停机5.26min的可能性,因此就需要UPS供电系统具有冗余备份功能。

1不同备份形式的结构原理

1.1双机串联式热备份

任何具有旁路环节的UPS都可以进行串联连接,两台UPS串联连接的例子如图1所示。

这种连接很方便,只需将主UPS的旁路的输入端与市电断开,并连接到从UPS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,由主UPS向负载供电,而从UPS处于热备份状态空载运行:当主UPS故障时,从UPS投入运行,接替主UPS向负载供电。只有当从UPS过载或故障时,才经主UPS及从UPS的旁路,由市电直接向负载供电。

这种UPS的串联连接一般不超过两台,它不能增加系统的输出容量,尤其是两台不同容量的UPS连接时,该系统的输出容量不能超过其中容量较小的那一台的额定功率。

1.2并联式热备份

在多机并联的应用中,各UPS需要满足电压、频率及相位三者一致的条件才能实现并联,因此需要各UPS之间增加一个控制单元。根据控制方式的不同,可分为以下几种并机模式:

(1)采用并机柜热备份(以双机并联热备份为例),如图2所示。

系统采用并机柜的形式,由两台型号相同、功率相同的UPS并联而成,通过并机柜的控制,均分负载功率,互为备用,每台UPS承担50%的负载,如果有一台UPS发生故障,负载功率则全部加到另一台UPS上。需要注意的是,若单台UPS不能承担全部的负载,那么这种并联形式就是扩容,而非冗余备份。目前市场上也有同一厂家不同功率的UPS通过并机柜控制,负载按各台UPS功率大小比例分配。

(2)采用并机逻辑模块热备份(以双机并联热备份为例),如图3所示。

由各台UPS的并机逻辑模块代替并机柜,系统功能与采用并机柜功率均分热备份相同。系统中各台UPS均装有并机逻辑模块,可把同型号、同功率的UPS并联起来,双机运行,功率均分。相对于采用并机柜形式,采用并机逻辑模块形式,没有另加独立部件,调试简单,同时可靠性也更高。

(3)采用独立控制热备份(以双机并联热备份为例),如图4所示。

系统中各台UPS分别独立控制电压与相位,以达到均分负载的目的。相对于前两种并机形式,采用独立控制器没有另加公用部件,调试简单,故可靠性高。

2不同备份形式的优缺点对比

双机串联热备份形式的优点是灵活性高,不同型号、不同功率(但都要满足负载功率要求）、不同厂家的任何两台UPS(但都必须有旁路输入端子）,均可接成串联热备份,安装简单、无需调试,不增加额外辅助电路,因而可靠性高,不增加购置成本:双机串联热备份系统只有单台UPS满载供电,因而逆变效率高,节约能源:热备份系统中,两台UPS相互隔离,独立运行,热备份系统之间的切换通过主、备机内部的自动静态开关实现,不需要考虑电压、频率及相位的一致,具有良好的隔离性。不足之处是,此种连接方法,备机有一段时间处于空载运行,一旦出现切换过程,备机UPS将从空载转至满载运行,整流器及逆变器将受到大电流的冲击而较易损坏:当主机静态开关发生故障时,将可能中断整个系统对负载供电,出现所谓"瓶颈故障点":此外,不同型号、不同功率、不同厂家的UPS接成串联热备份时,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。当然,如果是相同型号、相同功率的UPS接成串联热备份就可共用一组蓄电池,两台UPS均可向蓄电池充电,可以避免这一问题。

相对于双机串联式热备份系统,并联式热备份系统的优点是功率均分于并联的各台UPS,每台UPS具有两倍的负载能力,所以在冗余情况下系统的过载和耐冲击能力比串联热备份连接的系统强得多:随着负载的逐步增大,可以进行分期扩容,组成N+x并联形式,便于系统后期建设。不足之处是UPS处于非满载状态下运行,转换效率较低,增加了能耗:不能使用不同厂家的UPS且增加了并机控制单元,初期投资较大:此外,因为增加了并机控制单元,系统的操作更加复杂,故障点也相应增多。

3结语

总之,UPS备份形式较多,对于设备、场地及投资的要求各有不同,各有优缺点,采用哪一种备份方案,应根据负载的实际情况,从系统可靠性和经济性原则出发进行选择。