產(chǎn)品知識
當(dāng)前位置：首頁 > 產(chǎn)品知識 > 產(chǎn)品知識模塊化UPS電源并聯(lián)
發(fā)布時間：2014.10.13 瀏覽次數(shù)：3416
從1998年UPS市場推出首個模塊化產(chǎn)品,至今已有16年的歷史,模塊化UPS具有易擴(kuò)容、易維護(hù)、高效率等適宜用戶的諸多優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了UPS系統(tǒng)可用性、可靠性的跨越發(fā)展。隨著技術(shù)的進(jìn)步,模塊化UPS逐漸向大容量、多模塊并聯(lián)的方向發(fā)展,目前行業(yè)里華為、施耐德等廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)架內(nèi)20模塊并聯(lián)及4機(jī)架并聯(lián)。模塊化UPS的應(yīng)用場景也逐步由中等數(shù)據(jù)中心向大型及超大型數(shù)據(jù)中心擴(kuò)展。未來模塊化并聯(lián)數(shù)目是否還有進(jìn)一步的發(fā)展空間?本文將就模塊化UPS的擴(kuò)容特性,也即模塊并聯(lián)數(shù)量的可擴(kuò)展性進(jìn)行探討。
1 UPS模塊并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展
模塊化UPS的模塊并聯(lián)數(shù)量依賴于并聯(lián)均流技術(shù)的發(fā)展。理論上只要UPS系統(tǒng)內(nèi)器件完全一致,模塊之間就可以直接并聯(lián),并實(shí)現(xiàn)模塊空載下和帶載下的負(fù)載完美均分。但實(shí)際上器件無法做到完全一致,加上溫度等環(huán)境因素的影響,模塊之間直接并聯(lián)不僅無法實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分,還可能會導(dǎo)致直接并聯(lián)的UPS發(fā)生故障。所以,UPS并聯(lián)一定要加入均流控制。
UPS輸出為三相或者單相交流,要實(shí)現(xiàn)功率模塊的均流,必須保證各模塊輸出端的相電壓的幅度和相位在一定精度之內(nèi),且模塊間的一致性越強(qiáng),模塊的并聯(lián)均流越容易,并聯(lián)的數(shù)量也將更多。目前業(yè)界UPS的并聯(lián)技術(shù)采用消除差異和抑制差異兩種控制方法，以控制模塊間的空載環(huán)流和均分負(fù)載。
(1)消除各模塊差異性的方法
消除各模塊差異性的方法是通過精確控制，使各UPS模塊輸出正弦電壓的頻率、相位和幅度保持高度一致，傳統(tǒng)上最常用的方法為平均電流總線控制法。使用平均電流總線控制法的UPS內(nèi)部存在一條平均輸出電流總線，并以此為依據(jù)來調(diào)節(jié)UPS的輸出電壓，達(dá)到各模塊輸出電流一致的目的。
早期的模塊化UPS平均電流總線通過硬件的方式獲取,如圖1所示。通過硬件電路獲取系統(tǒng)平均電流后,調(diào)節(jié)總線實(shí)時傳輸電流數(shù)值。該方法實(shí)時性高,控制方式簡單,系統(tǒng)均流效果較好,理論上可以無限擴(kuò)展。但是平均電流總線控制方法存在一個致命的問題,即平均電流總線是硬件實(shí)現(xiàn)的弱電信號,容易受到功率線路的*。*信號會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的均流度控制,嚴(yán)重時可能導(dǎo)致并機(jī)系統(tǒng)極度不均流而關(guān)機(jī),而且該均流控制系統(tǒng)存在單點(diǎn)故障,當(dāng)平均電流總線發(fā)生短路等異常故障時,并機(jī)系統(tǒng)會宕機(jī)。因此該方法可靠性和可擴(kuò)展性均十分有限。
(2)抑制各模塊差異性的方法
抑制各模塊差異性的方法是通過軟件控制方法等效增加UPS內(nèi)阻,減小差異性在內(nèi)阻中的占比,從而達(dá)到均流的目的。減小各模塊差異性的技術(shù),早期以UPS輸出串聯(lián)電感為代表,硬件電路需要較大的電感,系統(tǒng)體積大、重量重。隨著技術(shù)的進(jìn)步,UPS并聯(lián)技術(shù)發(fā)展為通過下垂控制技術(shù)增加UPS輸出的等效內(nèi)阻替代物理電感,從而控制體積,減小甚至消除UPS輸出端的串聯(lián)電感。同時為了突破硬件連線帶來的可靠性問題,并聯(lián)技術(shù)對電流的偵測方式進(jìn)行了改善,出現(xiàn)了無互聯(lián)線的并聯(lián)控制方法。目前基于下垂控制技術(shù)的*并聯(lián)控制技術(shù)為抑制模塊差異性方法中的代表。
無互連線的并聯(lián)控制方式如圖2所示。該方式消除了平均電流互連線,提升了UPS并聯(lián)可靠性。當(dāng)UPS并聯(lián)系統(tǒng)中各模塊的輸出電壓相位、電壓幅值偏差較小時,并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓差、相位差和有功環(huán)流、無功環(huán)流有一定的關(guān)聯(lián)性?？刂扑惴ɡ眠@個關(guān)聯(lián)關(guān)系可以間接地檢測系統(tǒng)輸出平均電流,同時通過逆變器輸出的下垂特性實(shí)現(xiàn)UPS模塊并聯(lián)的均流控制。無互連線的并聯(lián)控制方式的均流效果比平均電流總線控制方法的均流效果稍差，但它的控制方法簡單，模塊并聯(lián)數(shù)量擴(kuò)展性較好。
理論上使用此方法的模塊化UPS模塊并聯(lián)數(shù)量可以無限擴(kuò)展,但是因?yàn)橐韵略驅(qū)е聦?shí)際不能無限擴(kuò)展:為了達(dá)成均流,必須增加UPS的內(nèi)阻,減小差異在內(nèi)阻中的占比。當(dāng)模塊數(shù)量增多時,UPS內(nèi)阻隨之增大,導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)的逆變輸出電壓幅值和頻率精度變差。不能滿足穩(wěn)態(tài)輸出電壓差1%和相位差2%的指標(biāo)要求,因此在實(shí)際應(yīng)用中,無互連線的并聯(lián)控制方式下的模塊并聯(lián)數(shù)量可擴(kuò)展性受到制約,可擴(kuò)展性不強(qiáng)。
(3)消除各模塊差異性的CAN總線傳輸平均電流的控制方式
如上所述,基于硬件弱電線路的均流控制和基于內(nèi)阻調(diào)整的均流控制均有較大的缺陷,且難有良好的改善措施。因此,近些年出現(xiàn)了一種由平均電流總線控制法衍生出的CAN總線傳輸平均電流的方法。該方法將各模塊電流信號進(jìn)行數(shù)字化處理,并通過CAN通訊總線將均流信號傳遞給各個模塊,從而解決了弱電信號被*的問題。然后各UPS模塊獨(dú)立計(jì)算系統(tǒng)的平均電流,來控制模塊自身輸出電流的均分效果。該方法繼承了硬件平均電流總線控制法控制簡單、均流效果好的優(yōu)點(diǎn),同時抗*能力大大增強(qiáng),再結(jié)合通訊總線冗余設(shè)計(jì)消除單點(diǎn)故障,系統(tǒng)可靠性可得到大幅改善。該方法的主要問題是信號數(shù)字化后,均流的實(shí)時性與效果受芯片和通訊資源的限制。
2 最大并聯(lián)模塊數(shù)目評估
由上述可知,CAN總線傳輸平均電流的控制方法具有最優(yōu)的可擴(kuò)展性,因此模塊化UPS最大并聯(lián)數(shù)量的問題將基于該架構(gòu)進(jìn)行討論。
在系統(tǒng)架構(gòu)層面上,為達(dá)到盡可能多的機(jī)架內(nèi)模塊并聯(lián)數(shù)量,提升并機(jī)系統(tǒng)性能,可在UPS單機(jī)系統(tǒng)內(nèi)增加系統(tǒng)控制器,以擴(kuò)展任務(wù)處理能力和系統(tǒng)功能特性,保障系統(tǒng)進(jìn)行均流和邏輯控制有充足的計(jì)算資源。以TI為例,在2007年發(fā)布的TMS320F28335系列可支持32位浮點(diǎn)運(yùn)算,運(yùn)算速率達(dá)到150MIPS,完全可以滿足并聯(lián)控制對DSP的資源需求。為避免單點(diǎn)故障,系統(tǒng)控制器及其相應(yīng)的CAN總線應(yīng)雙備份。
CAN通訊資源的限制將是限制模塊并聯(lián)能力的重要因素,這主要包括兩個方面。從硬件線路方面來講,CAN總線上節(jié)點(diǎn)個數(shù)增多時,總線信號會受線路電容和電感等線路寄生參數(shù)因素的影響,發(fā)生CAN信號失真的現(xiàn)象。理論上,1MHz的高速CAN最長線為40m,最多節(jié)點(diǎn)為120個。
從軟件控制方面來講,我們可以做一個模塊化UPS單機(jī)內(nèi)模塊可并聯(lián)數(shù)量的假設(shè)計(jì)算。假設(shè):
(1)采用圖3所示的CAN總線傳輸平均電流的控制方式的系統(tǒng)架構(gòu);
2)為了保證UPS系統(tǒng)內(nèi)各模塊輸出電流的均分效果,模塊自身的控制器至少在一個市電周期內(nèi)獲取一次均流信息;
(3)系統(tǒng)控制器會綜合均流信息和各模塊間的其它信息進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯控制;
(4)模塊化UPS系統(tǒng)內(nèi)的其它信息也需要一個市電周期交互一次;
(5)并機(jī)系統(tǒng)使用業(yè)界通用的CAN總線方案,采用1MHz通訊速率;
(6)同時考慮CAN總線通訊降額,CAN總線資源占用率為80%。
基于以上6個假設(shè)條件可計(jì)算得出1條CAN總線上最多可以連接49個CAN節(jié)點(diǎn),即使用單條CAN的模塊化UPS單機(jī)內(nèi)最多可以并聯(lián)49個模塊(包括功率模塊、旁路模塊、監(jiān)控模塊和控制模塊)。但機(jī)架內(nèi)并聯(lián)數(shù)目并不僅限于此,如果有更多的并聯(lián)需求,還可以在圖3的架構(gòu)上采用多條CAN總線進(jìn)行機(jī)架內(nèi)擴(kuò)展。
機(jī)架間的并聯(lián)數(shù)量,理論上也可以像模塊間一樣進(jìn)行拓展,此處不再詳細(xì)討論。
3 結(jié)束語
1 UPS模塊并聯(lián)技術(shù)的發(fā)展
模塊化UPS的模塊并聯(lián)數(shù)量依賴于并聯(lián)均流技術(shù)的發(fā)展。理論上只要UPS系統(tǒng)內(nèi)器件完全一致,模塊之間就可以直接并聯(lián),并實(shí)現(xiàn)模塊空載下和帶載下的負(fù)載完美均分。但實(shí)際上器件無法做到完全一致,加上溫度等環(huán)境因素的影響,模塊之間直接并聯(lián)不僅無法實(shí)現(xiàn)負(fù)載均分,還可能會導(dǎo)致直接并聯(lián)的UPS發(fā)生故障。所以,UPS并聯(lián)一定要加入均流控制。
UPS輸出為三相或者單相交流,要實(shí)現(xiàn)功率模塊的均流,必須保證各模塊輸出端的相電壓的幅度和相位在一定精度之內(nèi),且模塊間的一致性越強(qiáng),模塊的并聯(lián)均流越容易,并聯(lián)的數(shù)量也將更多。目前業(yè)界UPS的并聯(lián)技術(shù)采用消除差異和抑制差異兩種控制方法，以控制模塊間的空載環(huán)流和均分負(fù)載。
(1)消除各模塊差異性的方法
消除各模塊差異性的方法是通過精確控制，使各UPS模塊輸出正弦電壓的頻率、相位和幅度保持高度一致，傳統(tǒng)上最常用的方法為平均電流總線控制法。使用平均電流總線控制法的UPS內(nèi)部存在一條平均輸出電流總線，并以此為依據(jù)來調(diào)節(jié)UPS的輸出電壓，達(dá)到各模塊輸出電流一致的目的。
早期的模塊化UPS平均電流總線通過硬件的方式獲取,如圖1所示。通過硬件電路獲取系統(tǒng)平均電流后,調(diào)節(jié)總線實(shí)時傳輸電流數(shù)值。該方法實(shí)時性高,控制方式簡單,系統(tǒng)均流效果較好,理論上可以無限擴(kuò)展。但是平均電流總線控制方法存在一個致命的問題,即平均電流總線是硬件實(shí)現(xiàn)的弱電信號,容易受到功率線路的*。*信號會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的均流度控制,嚴(yán)重時可能導(dǎo)致并機(jī)系統(tǒng)極度不均流而關(guān)機(jī),而且該均流控制系統(tǒng)存在單點(diǎn)故障,當(dāng)平均電流總線發(fā)生短路等異常故障時,并機(jī)系統(tǒng)會宕機(jī)。因此該方法可靠性和可擴(kuò)展性均十分有限。
(2)抑制各模塊差異性的方法
抑制各模塊差異性的方法是通過軟件控制方法等效增加UPS內(nèi)阻,減小差異性在內(nèi)阻中的占比,從而達(dá)到均流的目的。減小各模塊差異性的技術(shù),早期以UPS輸出串聯(lián)電感為代表,硬件電路需要較大的電感,系統(tǒng)體積大、重量重。隨著技術(shù)的進(jìn)步,UPS并聯(lián)技術(shù)發(fā)展為通過下垂控制技術(shù)增加UPS輸出的等效內(nèi)阻替代物理電感,從而控制體積,減小甚至消除UPS輸出端的串聯(lián)電感。同時為了突破硬件連線帶來的可靠性問題,并聯(lián)技術(shù)對電流的偵測方式進(jìn)行了改善,出現(xiàn)了無互聯(lián)線的并聯(lián)控制方法。目前基于下垂控制技術(shù)的*并聯(lián)控制技術(shù)為抑制模塊差異性方法中的代表。
無互連線的并聯(lián)控制方式如圖2所示。該方式消除了平均電流互連線,提升了UPS并聯(lián)可靠性。當(dāng)UPS并聯(lián)系統(tǒng)中各模塊的輸出電壓相位、電壓幅值偏差較小時,并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電壓差、相位差和有功環(huán)流、無功環(huán)流有一定的關(guān)聯(lián)性?？刂扑惴ɡ眠@個關(guān)聯(lián)關(guān)系可以間接地檢測系統(tǒng)輸出平均電流,同時通過逆變器輸出的下垂特性實(shí)現(xiàn)UPS模塊并聯(lián)的均流控制。無互連線的并聯(lián)控制方式的均流效果比平均電流總線控制方法的均流效果稍差，但它的控制方法簡單，模塊并聯(lián)數(shù)量擴(kuò)展性較好。
理論上使用此方法的模塊化UPS模塊并聯(lián)數(shù)量可以無限擴(kuò)展,但是因?yàn)橐韵略驅(qū)е聦?shí)際不能無限擴(kuò)展:為了達(dá)成均流,必須增加UPS的內(nèi)阻,減小差異在內(nèi)阻中的占比。當(dāng)模塊數(shù)量增多時,UPS內(nèi)阻隨之增大,導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)的逆變輸出電壓幅值和頻率精度變差。不能滿足穩(wěn)態(tài)輸出電壓差1%和相位差2%的指標(biāo)要求,因此在實(shí)際應(yīng)用中,無互連線的并聯(lián)控制方式下的模塊并聯(lián)數(shù)量可擴(kuò)展性受到制約,可擴(kuò)展性不強(qiáng)。
(3)消除各模塊差異性的CAN總線傳輸平均電流的控制方式
如上所述,基于硬件弱電線路的均流控制和基于內(nèi)阻調(diào)整的均流控制均有較大的缺陷,且難有良好的改善措施。因此,近些年出現(xiàn)了一種由平均電流總線控制法衍生出的CAN總線傳輸平均電流的方法。該方法將各模塊電流信號進(jìn)行數(shù)字化處理,并通過CAN通訊總線將均流信號傳遞給各個模塊,從而解決了弱電信號被*的問題。然后各UPS模塊獨(dú)立計(jì)算系統(tǒng)的平均電流,來控制模塊自身輸出電流的均分效果。該方法繼承了硬件平均電流總線控制法控制簡單、均流效果好的優(yōu)點(diǎn),同時抗*能力大大增強(qiáng),再結(jié)合通訊總線冗余設(shè)計(jì)消除單點(diǎn)故障,系統(tǒng)可靠性可得到大幅改善。該方法的主要問題是信號數(shù)字化后,均流的實(shí)時性與效果受芯片和通訊資源的限制。
2 最大并聯(lián)模塊數(shù)目評估
由上述可知,CAN總線傳輸平均電流的控制方法具有最優(yōu)的可擴(kuò)展性,因此模塊化UPS最大并聯(lián)數(shù)量的問題將基于該架構(gòu)進(jìn)行討論。
在系統(tǒng)架構(gòu)層面上,為達(dá)到盡可能多的機(jī)架內(nèi)模塊并聯(lián)數(shù)量,提升并機(jī)系統(tǒng)性能,可在UPS單機(jī)系統(tǒng)內(nèi)增加系統(tǒng)控制器,以擴(kuò)展任務(wù)處理能力和系統(tǒng)功能特性,保障系統(tǒng)進(jìn)行均流和邏輯控制有充足的計(jì)算資源。以TI為例,在2007年發(fā)布的TMS320F28335系列可支持32位浮點(diǎn)運(yùn)算,運(yùn)算速率達(dá)到150MIPS,完全可以滿足并聯(lián)控制對DSP的資源需求。為避免單點(diǎn)故障,系統(tǒng)控制器及其相應(yīng)的CAN總線應(yīng)雙備份。
CAN通訊資源的限制將是限制模塊并聯(lián)能力的重要因素,這主要包括兩個方面。從硬件線路方面來講,CAN總線上節(jié)點(diǎn)個數(shù)增多時,總線信號會受線路電容和電感等線路寄生參數(shù)因素的影響,發(fā)生CAN信號失真的現(xiàn)象。理論上,1MHz的高速CAN最長線為40m,最多節(jié)點(diǎn)為120個。
從軟件控制方面來講,我們可以做一個模塊化UPS單機(jī)內(nèi)模塊可并聯(lián)數(shù)量的假設(shè)計(jì)算。假設(shè):
(1)采用圖3所示的CAN總線傳輸平均電流的控制方式的系統(tǒng)架構(gòu);
2)為了保證UPS系統(tǒng)內(nèi)各模塊輸出電流的均分效果,模塊自身的控制器至少在一個市電周期內(nèi)獲取一次均流信息;
(3)系統(tǒng)控制器會綜合均流信息和各模塊間的其它信息進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯控制;
(4)模塊化UPS系統(tǒng)內(nèi)的其它信息也需要一個市電周期交互一次;
(5)并機(jī)系統(tǒng)使用業(yè)界通用的CAN總線方案,采用1MHz通訊速率;
(6)同時考慮CAN總線通訊降額,CAN總線資源占用率為80%。
基于以上6個假設(shè)條件可計(jì)算得出1條CAN總線上最多可以連接49個CAN節(jié)點(diǎn),即使用單條CAN的模塊化UPS單機(jī)內(nèi)最多可以并聯(lián)49個模塊(包括功率模塊、旁路模塊、監(jiān)控模塊和控制模塊)。但機(jī)架內(nèi)并聯(lián)數(shù)目并不僅限于此,如果有更多的并聯(lián)需求,還可以在圖3的架構(gòu)上采用多條CAN總線進(jìn)行機(jī)架內(nèi)擴(kuò)展。
機(jī)架間的并聯(lián)數(shù)量,理論上也可以像模塊間一樣進(jìn)行拓展,此處不再詳細(xì)討論。
3 結(jié)束語
綜上所述,通過CAN總線傳輸平均電流的控制方式是業(yè)界UPS單機(jī)系統(tǒng)內(nèi)可并聯(lián)模塊數(shù)量最多的控制方式,也是多模塊并聯(lián)系統(tǒng)下最穩(wěn)定可靠的方式,當(dāng)前機(jī)架內(nèi)單CAN理論上可以支持49個模塊并聯(lián)。當(dāng)然可以預(yù)見,未來隨著并聯(lián)控制技術(shù)和控制芯片的發(fā)展,模塊化UPS的并聯(lián)能力必將進(jìn)一步擴(kuò)展,以滿足不斷增長的負(fù)載容量的需求。
編輯簡介
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李露,女,在北京盛世君誠科技有限公司公司任職。主要從事云計(jì)算等新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)方向的相關(guān)研究,產(chǎn)品領(lǐng)域集中在機(jī)房環(huán)境設(shè)備,主要包括UPS、機(jī)房空調(diào)、機(jī)房監(jiān)控設(shè)備等。