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模块化UPS设备主机结构分析

发布时间:2015-11-10 10:54 浏览次数:
  模块化UPS有着在线扩容,提供冗余,在线维修维护等优势,能采用 1+1并机模式获得冗余,模块化UPS有着节约投资成本,节约维护成本,占地面积小等优势,无论从哪种角度考虑,模块化UPS都比传统UPS更安全,有更好的性价比。
  模块化已经成为业界一致认可的未来,大多数UPS电源厂家都开始研究发展模块化UPS,并且推出了技术成熟的模块化UPS产品。通常采用模块化UPS设备实现冗余,是为了更高安全性和更节省的成本。但在现今市场上的模块化UPS设备主机结构又不尽相同。下面就以常见的主机结构具体分析一下。
 传统模块化UPS主机设备结构图
传统模块化UPS设备主机结构效果图
  传统模块化UPS设备有一个控制所有UPS功率模块的操作面板,所有功率模块都没有自主能力,运行的参数全靠操作面板中的中央处理器(CPU)来控制,为了消除该单点故障,故采用了两个CPU,实现了冗余。当一个CPU出现故障时,整个UPS系统中功率模块可由另外一个完好的CPU控制,依然继续运行。图中可以看出,四个功率模块并行排列冗余结构,因为如果一个模块失效,其它模块可以继续工作。四个模块都从共享的直流电池总线上获取能量,所有的功率模块都共用一个静态旁路。这是最初的传统模块化UPS电源设备主机的结构。然而,由于操作面板、电池总线及静态旁路都没采用冗余,如果这些组件中的一个发生故障的话,整体UPS系统的功能就会大打折扣,甚至在静态旁路出故障的时候,整个UPS电源系统将会完全瘫痪。
 
  显然,如果利用冗余作为对UPS故障发生的最高可能的等级防范,模块化UPS设备主机结构并不完全适用,在运行中,可能会有不少的问题需要解决。下面,我们来看看另一类模块化UPS的结构——分布式并行结构(DPA)。
 分布式并行结构效果图
分布式并行模块化UPS设备主机结构效果图
  这种结构的每一个功率模块都含有CPU控制单元,就很好的消除了控制管理方面的单点故障。并且,每个模块均可以单独使用自己的电池组,大大体现了模块UPS扩容等方面的灵活性;最大的亮点则在于静态旁路的分化,每个功率模块中都含有静态旁路。这也就意味着这种结构的UPS对系统所有的组件都提供了冗余,因此它比传统结构类型的模块化UPS具有更高的冗余性。
 
那么两种结构的模块化UPS主机设备有和区别呢?
 
环流控制
  模块化UPS的稳定性很大部分取决于环流的控制,目的就是让功率模块直接的输出必须同频、同幅、同相。只有这些指标都趋于相同,才不会产生环流,输出的电能才能并联在一起输出给负载使用。
  传统模块化UPS结构采用是CPU1或者CPU2来发布命令,所有的功率模块都听从CPU发布的命令,在接到CPU的信号后,各个功率模块调整自己的输出,等待CPU的下一个信号。可以很明显的看出,这种信号的传输有一个滞后的缺点,CPU在收到所有模块的详细数据后通过计算得出结果,再发出相应的指令给各个功率模块,时间上有所延缓,可能功率模块接到CPU的信号时,负载的情况已经发生了变化,这就会导致模块间的环流加剧。如果能将功率模块调整的时间缩短,那么环流也就能得到相应的控制。
DPA结构在这方面的反应时间就比传统的模块化结构要快很多,每个模块内都有各自的CPU,在接受到其他功率模块的数据后,立刻计算出结果,将自身的输出进行调整,可以及时的让UPS的输出符合负载的变化,有效的抑制了环流的产生和扩大。在这个方面,DPA结构具有的优势是明显的。
 
环流消除
  因为负载的变化以及模块本身电子元器件的差异,只要是模块化UPS就必定会有环流产生,只是大小的环流问题,这些环流就存在于UPS的输出端,干扰着UPS的正常运行。如何来消除环流就是模块化UPS必须解决的问题。环流小的时候可以通过UPS逆变器电路直接吸收掉,如果是较大的环流,倒灌的电流就通过逆变器直接进入直流母线系统。在这个时候,传统模块UPS结构因为直流母线是公共的,环流直接影响直流母线,使直流母线的电压上升。我们可以发现,直流母线电压上升针对的不是一个单一的模块,而是直流母线上所有的模块,直接的后果就是,因为直流母线电压的上升(这里有一个范围值,只有超过了直流电压的高值范围才会发生)导致所有的模块停止工作,更危险的状况可能会因为瞬间的电压过高,多个模块连续损坏。而DPA结构的UPS,环流只对每个模块的直流母线起作用,在任何极端的情况下,也仅仅是使一个模块停止工作,并不会影响整个系统的稳定性。
 
静态旁路
  它担负着UPS本身在极端情况下不让负载断电的责任。独立的静态旁路让模块化UPS的功率模块减少了重量,但这样也致使整个模块化UPS系统有了单一的故障点,一旦静态旁路出现故障,UPS就不能在旁路和逆变之间自由的切换,如果旁路使用的交流接触开关和小功率可控硅元件的话,静态开关出现的故障就会是灾难性的,负载将会全部断电。分散在每个功率模块后,静态旁路也是冗余的,而且在成本方面也节约了不少。对于一台总容量为100KVA的模块化UPS,可能在前期只使用了40KVA,但因为是独立的静态旁路,就必须配置100KVA的静态开关,这是极大的浪费,而分散在每个功率模块后,静态开关的容量也被分散,需要多大的UPS容量就使用多大的静态旁路功率,合理的容量使用会使UPS系统的使用成本大幅降低。做到真正的绿色节能。
 
  使用模块化UPS,就是为了提升UPS的可靠性,使设备运行在更安全的电力环境中。两种结构的模块化UPS都能提供较高的安全性,但通过比较,DPA结构的模块化UPS主机具有更高的安全性,更彻底的冗余,更小的损耗。
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