UPS的1／2冗余设计

UPS的1/2冗余设计

摘要：针对目前电力系统相关部门还不能完全保证电力能够正常持续供应，UPS的开发和应用，则大大改善了电力供应中断问题的解决方式和措施，现本文就针对UPS电源冗余运行的应用进行相关的探讨，提出UPS多机冗余运行的可行性及实施办法。

关键词：UPS; 冗余设计

前言：

UPS（Uninterruptible Power System ）是不间断电源的英文缩写，顾名思义，不间断电源就是指保持电力持续正常运行的设备。而冗余电源则是指两个完全一样的电源由芯片控制的电源组，冗余电源主要是应用于对电力要求较为严格的设备中，一般用于服务器的电力供应。这种电源组是通过两个电源的相互配合相互补助来达到电力供应的持续稳定，保证服务器的正常工作和系统安全。

一、UPS冗余的几种方式

1、N+1

模块化UPS，以APC的SY机型来说。SY 16K N+1 表示：机器的最大功率为16KVA，SY功率模块为4KVA一个，则N最大为4，所以此SY机器可以装5个功率模块。

2、N+2

此处的2表示可以坏2个模块，不会超载；以SY 16K 4+1为例，如果负载小于75%，也就是说负载只有三个模快的功率，那么此台UPS就会冗余2个模块。

3、 2N

两台并联

4、2(N+1)

两台有冗余功能的UPS再并联，双保险。

二、UPS电源存在的问题

由于目前大多数的UPS电源在设计上存在各装置的UPS电源容量大小不一、品牌多样、规格差异等问题，且设置无统一性，给维护检修造成较大困难，系统可靠性降低，前后总投资成本上升。目前运行的UPS电源主要存在以下情况：

1、很多UPS电源使用时间较长，故障发生频率越来越高，但又没有统一的零件配件，增大了维修的难度，也增加了UPS电源的费用成本。

2、维修过的UPS电源，其运行效果仍难以令人满意，且可能随时发生故障。

3、UPS电源配置零散，资源无法共享，运行中发生故障无在线热备机。

4、UPS电源增容费用高。

三、UPS电源并机冗余运行设计分析

随着社会的不断发展，对UPS电源的要求也越来越多，要求UPS电源能够符合多种电子设备的要求，增大UPS电源的容量等。针对这种情况，相关技术人员提出了采用UPS电源并机冗余运行为主流技术，分点布设（集散型供电原则），分期增容并机的实施方案，对原UPS电源格局进行整合。当前UPS电源并机冗余运行方式大致可分为两大类：

1、串联冗余

UPS电源有主机和从机之分，其基本原理是：主机正常时100% 地承担负载电流，故障时由从机提供后备电源。由于备用UPS电源是在主机旁路处在等待工作状态，故也称为热备份。此系统结构及控制简单，但存在以下缺点：主机长时间工作，而从机处于长期待机状态，两机的元件老化程度不均匀，且从机所配蓄电池长期处于浮充状态，影响蓄电池寿命；在从机供电的状态下，主机静态旁路故障时将可能中断整个系统供电，出现瓶颈故障；系统负载不能超过单机容量且以后无法扩容。

2、并联冗余

将多于两台同型号、同功率的UPS电源通过并机柜、并机模块或并机板，把输出端并接而成的一种连接方式。目的是为了共同分担负载功率，其基本原理

是：正常情况下，两台UPS 均由逆变器输出，平分负载和电流，当一台UPS电源出现故障时，由剩下的一台UPS电源承担全部负载。三机并联也是常用的一种方式，此为N+1并联冗余。并联冗余的本质，是UPS电源均分负载。

此方案的优点是易于扩容，通过冗余备份提高供电可靠性。但也有一定的缺点：采用并机柜方式，一般会使并机柜成为系统的公共瓶颈点，一旦其内部失控或故障，会导致整个系统供电失败；此外由于各台UPS输出量参数难以保持完全一致，也会导致各UPS在向负载供电同时，还在UPS内部的逆变器间形成环流，当环流过大，将直接危及逆变器安全；如果各UPS向负载供电的电流差异过大，将使逆变器的功率放大元件老化速度失衡，也会引发故障，一般来说，供电系统中并机数量越多，UPS电源系统发生故障的概率也越大。

四、UPS电源冗余运行技术特性

在现代科技快速发展的推动下，计算机等电子设备的不断更新为UPS电源的技术创新提供了相关的基础，也为冗余运行技术的发展提供了很好的条件。随着近年来UPS电源的不断发展，产品更新加速，型号种类多样，UPS电源的冗余运行技术也得到了很大的发展与完善。目前主要推进和完善以下2个方面技术性能：

1、先进的全数字控制技术。以IGBT独特的优势，采用软件式编程方式，辅助于A/D模拟转换，直接将其极精确数值，通过运算器和计数器，以求得极为精确的恒定输出。元器件更少，硬件线路更简单化，可靠性更高；瞬态响应能力更强，并彻底解决模拟控制不稳定性；具有通信和软件扩展的可能。

2、通过对容量、负载的检测，实现了电流分配控制，不受“环流”的困扰。多机不同容量UPS并联运行技术，使扩容极为方便。

五、UPS电源冗余运行中需要注意的问题

在进行UPS冗余运行连接的工程中，设计思路确定以后，产品的技术性能选择和品牌的选型等尤其重要，它将决定工程的成败和投资效益。一般应注意以下问题：

1、选择具有冗余运行技术的良好品牌，并考察在线运行的样机和用户的意见，经比价采购。尽可能选择有隔离变压器的产品，以防止逆变器受短路故障损坏。

2、负荷中心的优化选择，确保集散供电的经济、可靠。输出电缆采用双根铜芯电缆，确保供电可靠，以防电缆受损引发停电故障。UPS电源环境需有空调机来确保温度、湿度的自动调节。

3、冗余运行的UPS电源单机容量尽可能选择目前实际容量的2/3，并能确保在未来5年内再并一个UPS单机电源就能满足其用电增长需求。

六、市电冗余和UPS双输入问题

在新建和改建的计算机供电系统中，大都不同程度地采用了UPS模块化冗余并机方案，但是在已投入运行的系统中，却存在着一些需要讨论的观念和问题。双市电冗余输入(或市电加油机)与UPS双输入的方案就值得讨论。如图1所示。

图1(a)中，UPS是双转换电路结构，主电路和静态旁路可以分开输入，市电2为主电路供电，市电1为静态旁路供电。主电路逆变器工作频率跟踪旁路市电。此系统在结构上是可行的，但从冗余功能来看,却明显地存在着以下几个问题：

图1

(1)、如图1(b)所示，当市电1故障掉电时，UPS主电路继续工作，但系统失去了转旁路的功能。要知道，可靠性MTBF是在UPS在带转旁路功能的情况下得出的，UPS主电路与静态旁路是冗余配置，失去转旁路功能会大大降低UPS系统的可靠性，典型的数据是，如果带转旁路功能的UPS的MTBF值为15万小时，不带转旁路功能时仅有3万小时；

(2)、如图1(c)所示，当市电2故障掉电时，UPS主电路会转电池逆变工作，在系统有双路市电输入的情况下，电池的备用时间通常都在10-30分钟范围内，如果电池放电结束而市电2仍未恢复，则UPS就转旁路由市电1供电。其结果一是负载直接由质量不高的市电供电，二是UPS因电池放电终结而失去不停电供电功能。在整个过程中UPS只相当一个可延时不间断转换的静态转换开关STS。

总之，两路市电本来是冗余的，但任何一路掉电都会使系统工作不正常，甚至使UPS系统失去不停电供电功能。要解决以上问题，正确的配置应该是在两路市电后先加入自动转换开关ATS，如图1(d)所示。这样才能在不对UPS系统产生任何影响的情况下实现双路市电冗余。

结语：

在电力电子设备对电源持续供电的要求越来越高的情况下，UPS电源的发展逐渐得到人们更多的关注。虽然目前市场上对于UPS电源的产品种类型号较多，但优劣不同，因此在选用UPS电源时，一定要仔细比较分析，严格按照自身需求选用最合适的UPS电源。另外，并机冗余运行技术的应用与推广更是加强了UPS电源的资源共享，保证为负载提供稳定持续的电源供应。虽然其运行技术已经相对较为成熟，冗余运行可靠性也较高，但随着UPS电源的不断发展，冗余运行技术还需要进一步的提高与完善，以适应社会发展的需求。

参考文献 ：

[1]易映萍.电力系统UPS接线方式探讨[J].继电器，2001，29（4）：45-47页.

[2]翟玉杰.UPS冗余并机电源系统的可靠性分析[J].电信技术，2007