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      模塊化UPS電源的技術優勢

      近年來,隨著互聯網、云計算、移動互聯網、物聯網等技術的快速發展,數據中心系統的規模越來越大,重要性越來越大,對系統的靈活性、可用性、運行效率和可操作性提出了更高的要求。UPS作為數據中心供配電系統的關鍵部件,無疑需要匹配這一要求。在此背景下,UPS模塊化已經成為業界的共識。模塊化UPS 與傳統塔相比,具有以下優點。

      1)投資效益:按需擴容,節省初期投資;

      2)模塊冗余,高可靠性:避免重大停電事故;

      3)易維護:在線熱插拔,維護簡單快捷,無需旁路;

      4)節能環保:對電網污染小,效率高,模塊休眠等技術減少能源浪費。

      由于其諸多優點,大多數UPS廠商都發布了模塊化UPS,越來越多的用戶已經或正在考慮使用模塊化UPS來構建新的數據中心。然而,目前市場上模塊化UPS采用的技術并不相同,客戶在選擇過程中很困惑。本文結合筆者的應用實踐和理解,對兩種主流架構的模塊化UPS進行了分析,希望能給讀者一些幫助和啟發。

      2.模塊化UPS的兩種典型架構

      1)分布式架構

      圖1顯示了分布式模塊化UPS的系統架構。

      圖1分布式結構的模塊化UPS架構

      這是早期分布式模塊化UPS中常用的一種架構。這種模塊化UPS系統相當于幾個獨立的UPS直接并聯。其電源模塊由小型UPS改造而成,可以獨立工作。其特點是:①除了整流和逆變的控制外,均流和邏輯切換也由內部控制單元控制;②內置與電源模塊容量相同的靜態旁路。在旁路模式下,每個模塊中的靜態旁路將分擔負載。

      2)分布式集中式架構

      相應地,圖2顯示了另一種模塊化UPS架構。

      圖2分布式集中式結構模塊化UPS架構

      集中式結構的模塊化UPS設備的所有電源模塊都內置控制單元,用于該模塊的整流和逆變控制,整個系統的均流和邏輯切換功能從模塊內部控制單元中提取,由一個集中控制模塊控制。為了消除可能的單點故障,控制模塊和相應的通信總線是1 1冗余的。當一個控制單元出現故障時,整個UPS系統中的電源模塊可以由處于熱備用狀態的另一個控制單元無縫控制,從而保證系統的不間斷運行。同時,電源模塊中沒有內置靜態旁路,系統配備靜態旁路模塊,其容量為系統容量。

      3.分散控制與分散集中控制邏輯模式的比較

      分布式架構的模塊化UPS采用分散控制邏輯模式。系統中的每個模塊都包含一個完整獨立的控制單元。系統的主控模塊將通過一定的邏輯規則從系統的所有模塊中選出,其他模塊由主控模塊作為從控模塊進行調度。當UPS系統中的一個從控模塊出現故障時,其他模塊仍能正常工作。當主控模塊出現故障時,可以通過一定的競爭規則,使用另一個模塊作為主控模塊,保證系統繼續正常工作。

      分散控制邏輯模式的優點是每個控制單元可以獨立控制系統,所以不存在單點故障。但是,缺點也是顯而易見的。第一,由于主控模塊要處理自己的信號,還要協調模塊間的信號,控制邏輯復雜,軟件邏輯可靠性不高。其次,每個主控模塊失效后,會有一個模塊在剩余模塊中競爭成為主控模塊,而在這個過程中,競爭的失敗很容易導致系統失效。

      集中式架構的模塊化UPS電源模塊中整流和逆變的控制是分布式的,而均流邏輯等控制是集中控制方式,即采用獨立的集中控制模塊(如圖2中的控制模塊)檢測市電的頻率和相位,然后向各模塊發送同步信號。接收到同步信號后,每個功率模塊通過自己的控制回路輸出相應頻率和相位的正弦波。

      當市電斷電時,集控模塊會自勵產生同步信號,并發送給所有UPS模塊,保證所有機組的輸出具有相同的頻率和相位。同時,在均流控制的實現形式上,集中式架構的模塊化UPS依靠控制模塊檢測整個系統的負載電流,然后除以系統模塊數作為各UPS模塊的均流參考值,再與各模塊的輸出電流進行比較,找出偏差值來連續調整各模塊的輸出電流,從而保證系統中各模塊間良好的均流程度。分布式控制邏輯方式的優點是采用獨立的均流和邏輯控制單元,均流程度更好,控制邏輯層次清晰,功率模塊之間無競爭,軟件邏輯可靠性更高。為了保證集控單元的可靠性,避免單點故障,采用該架構的UPS控制單元和通信線路將采用1/1的備份。1熱備份是最常用的備份方式,其可靠性已在各種系統的長期運行實踐中得到驗證。

      總體來說,集中式冗余架構的優勢是顯而易見的。

      4.集中式旁路和分散式旁路的比較

      如本文兩個架構圖所示,目前大容量模塊化UPS系統的旁路控制技術主要有兩種模式:1。集中旁路模式(UPS系統只有一個旁路系統,如圖2);2.系統分散旁路模式(UPS系統中的每個電源模塊都有一套旁路系統,如圖1所示)。集中式旁路系統具有過載能力強、可靠性高的優點,而分散式旁路系統具有擴容和低成本的優點,但可能存在一定的可靠性風險。

      對于分散旁路模式,表面上看,由于分散布置,當UPS模塊冗余時,類似于冗余設計。如果一個旁路失效,其他旁路仍然可以工作。其實這種分散和冗余是有本質區別的。主旁路裝置是可控硅。由于器件的離散性較大,當系統工作在旁路模式時,所有旁路幾乎不可能處于均流狀態;然而,為了保持旁路輸出的電壓波形完整,旁路模式下的電流很難控制,僅通過自然均流和不均勻遷移率很難將電流控制在25%以內。大電流的模塊很可能會因為旁路過載而關斷,影響系統的供電連續性。

      除了穩態均流問題,暫態分散旁路系統也存在一定的風險。系統控制器發出切換旁路模式的信號后,由于信號傳輸路徑、模塊控制器的響應速度、器件的一致性等原因,很難同步切換所有旁路,先接通的SCR將承擔大部分甚至全部負載,容易導致SCR失效。

      靜態旁路是主路模式的冗余,起著非常重要的作用。但是分散旁路的設計大大降低了旁路的可靠性。事實上,在傳統的塔式UPS應用中,當并聯單元數量超過4個時,為了避免旁路電流不均勻的問題,一般需要采用集中式靜態旁路系統。由于旁路系統的限制,采用分散式旁路系統的UPS很難具有良好的可擴展性。

      5.摘要

      如上所述,模塊化UPS電源具有可靠性高、易維護、易擴容等優點。,大大節約了客戶運維成本,為業務的長期穩定運營提供了保障。兩種典型架構的模塊化UPS可以提供更好的可維護性和容量擴展,與傳統UPS相比,大大提高了可用性。但從技術角度來看,集中式結構的模塊化UPS具有更高的安全性和更好的可靠性。

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