模塊化UPS分散旁路和集中旁路方案

　　近來(lái)跟一些業(yè)內(nèi)客戶交流，筆者聽(tīng)到了一個(gè)“新奇”的說(shuō)法：某廠家的模塊化UPS有一個(gè)奇妙的功能，就是單個(gè)功率模塊可以單獨(dú)作為完整UPS使用，并列為一大賣點(diǎn)?？磥?lái)市場(chǎng)營(yíng)銷也要與時(shí)俱進(jìn)，這不就是以前的“分散旁路”的模塊化UPS嗎?十多年來(lái)都沒(méi)有改變過(guò)的技術(shù)，現(xiàn)在被包裝成新賣點(diǎn)了，這真是“知識(shí)就是力量”啊。

　　熟悉模塊化UPS發(fā)展的業(yè)內(nèi)同仁應(yīng)該都了解，模塊化UPS的系統(tǒng)架構(gòu)從開(kāi)始就有兩條不同的技術(shù)路線：分散旁路和集中旁路。這里筆者想從技術(shù)的來(lái)源和性能可靠性來(lái)對(duì)比談?wù)勥@兩種方案的選擇，希望能給讀者一些啟發(fā)和幫助。

　　一、兩種旁路方案的架構(gòu)定義和來(lái)源

　　模塊化UPS，顧名思義，是將大功率的UPS系統(tǒng)，分開(kāi)成多個(gè)子模塊并聯(lián)，通過(guò)優(yōu)化的系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線擴(kuò)容升級(jí)、維護(hù)，并大幅提高系統(tǒng)的可靠性、可用性和節(jié)能效果，降低客戶的維護(hù)成本，近年來(lái)已經(jīng)漸漸成為主流客戶的首選。下面以市場(chǎng)上典型的基于10個(gè)30kVA功率模塊的300kVA系統(tǒng)來(lái)做分析。

　　(1)分散旁路架構(gòu)

　　分散旁路架構(gòu)，即每個(gè)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(tài)旁路，可以認(rèn)為是一臺(tái)沒(méi)有液晶監(jiān)控的UPS。多個(gè)模塊在機(jī)柜中并聯(lián)組成系統(tǒng)，模塊間相互關(guān)系類似于傳統(tǒng)多并機(jī)UPS系統(tǒng)。系統(tǒng)切換到旁路供電時(shí)，負(fù)載由所有功率模塊內(nèi)的分散旁路來(lái)并聯(lián)供電。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

　　圖1. 分散旁路架構(gòu)圖

　　(2)集中旁路架構(gòu)

　　集中旁路架構(gòu)，系統(tǒng)只有一個(gè)與系統(tǒng)容量相等的集中旁路模塊，功率模塊內(nèi)僅包含整流、逆變和電池變換電路，每個(gè)部分均由獨(dú)立的控制器，模塊間的并聯(lián)不再是傳統(tǒng)的UPS并機(jī)系統(tǒng)，而是包含復(fù)雜的逆變均流，旁路控制和監(jiān)控等邏輯。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

　　圖2. 集中旁路架構(gòu)圖

　　(3)兩種技術(shù)方案的發(fā)展來(lái)源

　　模塊化UPS的概念，最先起源于客戶對(duì)系統(tǒng)維修的簡(jiǎn)易化的需求，希望能在故障情況下不影響關(guān)鍵業(yè)務(wù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的更換操作即可恢復(fù)系統(tǒng)。廠家天然地就想到把UPS并機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)，這也就是分散旁路方案的來(lái)源。

　　分散旁路方案的優(yōu)點(diǎn)是：控制簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)難度小，僅須將原有的UPS并機(jī)系統(tǒng)移植并優(yōu)化監(jiān)控部分即可;機(jī)柜成本低;旁路器件因?yàn)槿萘枯^小，成本也相對(duì)較低;靜態(tài)旁路有多路冗余。

　　集中旁路方案是繼分散旁路之后發(fā)展起來(lái)的技術(shù)路線，相比傳統(tǒng)并機(jī)UPS系統(tǒng)，從并聯(lián)均流控制、系統(tǒng)邏輯協(xié)調(diào)、容錯(cuò)能力方面都做了非常大的改動(dòng)，可以說(shuō)是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)難度大。

　　下面的章節(jié)將介紹兩種技術(shù)路線帶來(lái)的性能和可靠性方面的差異。

　　二、兩種方案的性能差異

　　靜態(tài)旁路作為UPS供電的最后一道屏障，重要性不言而喻，常見(jiàn)的旁路供電的情況有以下幾種：逆變器故障、逆變器過(guò)載或過(guò)溫、輸出短路?？梢钥吹?，旁路供電的工況多數(shù)是極端工況，對(duì)器件的考核應(yīng)該加倍嚴(yán)酷。

　　(1)穩(wěn)態(tài)工況

　　旁路供電時(shí)，集中旁路方案很好理解，只有一個(gè)旁路提供全部電流，旁路容量按照系統(tǒng)最大容量來(lái)設(shè)計(jì)，跟模塊配置數(shù)量無(wú)關(guān)，不存在任何問(wèn)題。

　　分散旁路方案是由多路小功率靜態(tài)旁路來(lái)承擔(dān)負(fù)載，由于旁路回路是低阻回路，多回路的均流沒(méi)有辦法用軟件方法來(lái)控制，模塊間的均流完全取決于以下幾個(gè)因素：

　　l1)個(gè)體器件間的差異，主要是導(dǎo)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(zhǎng)度無(wú)法保證一致，且線纜連接點(diǎn)阻抗因工藝控制等原因無(wú)法把握;

　　一般來(lái)說(shuō)，即使是最樂(lè)觀的估計(jì)，均流差異都不大可能會(huì)小于20%以內(nèi)，也就是說(shuō)，存在部分模塊電流過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)，這在嚴(yán)酷的應(yīng)用中是非常危險(xiǎn)的。

　　由于這個(gè)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(jiǎn)單粗暴，就是每個(gè)旁路回路串聯(lián)一個(gè)電感(如圖3所示)，利用電感的阻抗來(lái)平衡各支路的電流(同樣也是常規(guī)并機(jī)系統(tǒng)的方法)。且不說(shuō)電感量的10%的個(gè)體差異，帶來(lái)更大的系統(tǒng)損耗，這種方案還會(huì)有下面瞬態(tài)性能上不可逾越鴻溝。

　　圖3. 某廠家的旁路均流電感

　　(2)瞬態(tài)工況

　　逆變切換到旁路的工況，基本上是緊急工況，切換時(shí)序要求非常高，否則容易造成關(guān)鍵負(fù)載中斷。在大負(fù)載或者是故障電流情況下切換，瞬間的操作電流可能會(huì)數(shù)倍于系統(tǒng)額定電流，這也就是為什么靜態(tài)旁路設(shè)計(jì)要求更大的余量。

　　靜態(tài)旁路器件抗瞬態(tài)電流沖擊的主要參數(shù)是I2t，也就是短時(shí)間(一般小于10ms)的電流積分，如果I2t過(guò)大，器件即很可能燒毀。UPS的性能參數(shù)中，常見(jiàn)規(guī)定的旁路過(guò)載能力為1000% 維持10ms，也就是在配電開(kāi)關(guān)保護(hù)時(shí)間(10ms)內(nèi)旁路需要提供不小于10倍額定電流。下面以300kVA系統(tǒng)為例，分析不同器件的抗沖擊能力的差異。

　　分散靜態(tài)旁路器件，因?yàn)槟壳凹夹g(shù)能力的原因，器件單體最大電流等級(jí)為70A，根據(jù)某著名廠家的器件規(guī)格書，提供的最大I2t為7200A2S(<10ms)，300k系統(tǒng)可以認(rèn)為是10路器件并聯(lián)運(yùn)行。

　　集中靜態(tài)旁路，用的都是SCR模塊，最主流廠家為德國(guó)賽米控(SEMIKRON)，我們看看其中一個(gè)型號(hào)SKKT323/16E的I2t參數(shù)，同樣10ms條件下為450000 A2S，兩者之間的相差超過(guò)60倍!

　　而我們計(jì)算一下對(duì)于常見(jiàn)的1000% 過(guò)載 10ms的I2t需求，對(duì)于300kVA系統(tǒng)而言.

　　也就是說(shuō)，集中旁路的單個(gè)SCR模塊，完全能夠提供超過(guò)10倍額定電流的10ms保護(hù)能力，而基于分立器件的靜態(tài)旁路，即使不考慮器件不均流，也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的!

　　瞬態(tài)切換的均流控制，不光與器件、各回路阻抗有關(guān)，也與控制相關(guān)。由于各個(gè)模塊有各自的控制器，存在各處理器的處理速度、通信延時(shí)和模塊自身差異等因素影響，各模塊的實(shí)際切換動(dòng)作一定有不等的延時(shí)，這就導(dǎo)致了第一個(gè)切到旁路的模塊，很可能承受著100倍于模塊容量的額定電流!由于是瞬態(tài)大電流，即使串聯(lián)旁路均流電感也不會(huì)起到任何限流作用。這對(duì)于任何器件來(lái)說(shuō)都是不可能完成的任務(wù)，這種切換無(wú)異于原地爆炸。短路故障電流的示意圖如圖4所示。

　　圖4. 短路故障電流示意圖

　　當(dāng)然，分散旁路的廠家也深知這個(gè)道理，也提供了相應(yīng)的“解決方案”，就是：短路情況下只有逆變維持200ms，然后不切旁路，直接關(guān)機(jī)!

　　我們來(lái)解釋一下，10倍額定電流的工況常見(jiàn)于輸出短路工況，當(dāng)逆變器不能提供足夠的分?jǐn)喙收系碾娏?通常為3倍額定維持200ms)的情況下，系統(tǒng)將切換到旁路供電，用旁路的低阻抗大電流去沖開(kāi)短路點(diǎn)的保護(hù)器件(開(kāi)關(guān)或熔斷器)，這是配電設(shè)計(jì)里必須考慮的，如果是正確設(shè)計(jì)的配電系統(tǒng)，各分路的保護(hù)設(shè)計(jì)不應(yīng)該產(chǎn)生越級(jí)保護(hù)，即下游的故障不應(yīng)該導(dǎo)致上游的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，系統(tǒng)最壞的情況就是切換到旁路，然后利用旁路強(qiáng)大的過(guò)載能力沖開(kāi)下游的保護(hù)器件，這就是旁路抗沖擊要求的來(lái)源。

　　使用分散旁路的系統(tǒng)，如果強(qiáng)行切換到旁路，由于抗沖擊能力的不足和非同步的切換，毫無(wú)疑問(wèn)將會(huì)導(dǎo)致器件損壞，系統(tǒng)宕機(jī)，所以廠家設(shè)計(jì)就只能禁止切換到旁路?？梢韵胂笤谝粋€(gè)復(fù)雜的機(jī)房或者工廠內(nèi)，只要有一個(gè)分支發(fā)生短路故障，后果就是整個(gè)系統(tǒng)束手就擒!這在實(shí)際應(yīng)用中是無(wú)論如何不能接受的，但這同時(shí)是分散旁路無(wú)法解決的固有問(wèn)題。

　　三、系統(tǒng)可靠性分析

　　分散旁路尚可宣稱的優(yōu)點(diǎn)就是旁路冗余，集中旁路被認(rèn)為是存在單一故障點(diǎn)，下面我們來(lái)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(lái)說(shuō)，單個(gè)大功率SCR的可靠性遠(yuǎn)高于數(shù)量眾多的小型器件組成的系統(tǒng)，集中旁路模塊功能簡(jiǎn)單，僅需要考慮器件和少量外圍驅(qū)動(dòng)電路的影響，而分散旁路因?yàn)槭欠植荚诠β誓K內(nèi)，同時(shí)受模塊內(nèi)部眾多器件的影響。有維修經(jīng)驗(yàn)的工程人員都知道，整流、逆變電路的故障都有可能因?yàn)榛鸹w濺等原因造成其他部分電路的故障，也就是說(shuō)靜態(tài)旁路面臨了較多的不確定風(fēng)險(xiǎn)。如果說(shuō)集中旁路是單一故障的話，分散旁路可能要被稱為“多點(diǎn)故障”了。

　　(2)從系統(tǒng)容量角度上分析

　　從系統(tǒng)容量角度上來(lái)說(shuō)，集中旁路的容量按照機(jī)柜設(shè)計(jì)，與配置的模塊數(shù)量無(wú)關(guān)。而分散旁路的靜態(tài)旁路容量由模塊容量決定，也就是說(shuō)，當(dāng)模塊故障時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)失去相應(yīng)的靜態(tài)旁路容量。一個(gè)比較極端的例子，當(dāng)機(jī)柜配置2個(gè)功率模塊時(shí)，如果負(fù)載率是55%左右，當(dāng)一個(gè)模塊故障時(shí)，剩余的一個(gè)模塊則會(huì)處于110%過(guò)載的工況，最終的結(jié)果就是系統(tǒng)掉電。同樣工況對(duì)于集中旁路來(lái)說(shuō)，完全不是問(wèn)題。集中旁路模塊因?yàn)槠骷萘康膬?yōu)勢(shì)，甚至有些廠家提供125%長(zhǎng)期過(guò)載的能力，這對(duì)系統(tǒng)可靠性來(lái)說(shuō)有絕對(duì)的保障。

　　(3)集中旁路的可靠性設(shè)計(jì)分析

　　集中旁路的可靠性設(shè)計(jì)，眾多主流廠家也提出了很多提升可靠性的方案，比如冗余備份的控制回路方案，通信總線冗余的方案，功率模塊和旁路模塊控制解耦方案，功率模塊參與旁路控制方案，每個(gè)廠家的解決方案各有特色，經(jīng)過(guò)多年的市場(chǎng)驗(yàn)證，能夠大大提升系統(tǒng)的可用性，加上旁路模塊普遍的熱插拔設(shè)計(jì)，維修升級(jí)與功率模塊一樣簡(jiǎn)便。

　　四、總結(jié)

　　通過(guò)以上的分析，希望可以讓大家能夠進(jìn)一步了解到兩種方案的系統(tǒng)綜合性能和產(chǎn)品可靠性的差異。

　　技術(shù)流派的爭(zhēng)論和路線選擇是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的正常現(xiàn)象，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，正確了解各路線的利弊是至關(guān)重要的，兼聽(tīng)則明，可以避免陷入營(yíng)銷概念的誤區(qū)。然而，對(duì)于生產(chǎn)廠家而言，技術(shù)路線的選擇意義重大，一旦路線確定，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)將無(wú)法中途轉(zhuǎn)變，后續(xù)產(chǎn)品系列也必將延續(xù)，這就是為何無(wú)論業(yè)界如何發(fā)展，分散旁路的廠家仍然無(wú)法轉(zhuǎn)向另一陣營(yíng)。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(yīng)該心中明白個(gè)中緣由。