模塊化UPS典型架構(gòu)解析

責(zé)任編輯:editor009

2014-12-11 07:34:39

摘自:OFweek

近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)規(guī)模不斷增大,重要性越來越高,其對系統(tǒng)彈性、可用性、運營效率、可運維性等提出了更高的要求。作為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,UPS無疑需要匹配這種要求。

近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)規(guī)模不斷增大,重要性越來越高,其對系統(tǒng)彈性、可用性、運營效率、可運維性等提出了更高的要求。作為數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,UPS無疑需要匹配這種要求。在此背景下,UPS模塊化已經(jīng)成為業(yè)界的共識。與傳統(tǒng)塔式機相比較,模塊化UPS具有以下優(yōu)勢:

1)投資有效性:隨需擴容,節(jié)省初期投資;

2)模塊冗余高可靠性:避免出現(xiàn)重大斷電事故;

3)易維護性:在線熱插拔,維護簡單快速,無須轉(zhuǎn)旁路;

4)節(jié)能環(huán)保性:對電網(wǎng)污染小,高效率及模塊休眠等技術(shù)減少能源浪費。

正因為具有如此眾多的優(yōu)點,目前大多數(shù)UPS廠商都已發(fā)布模塊化UPS,越來越多的用戶已經(jīng)或正在考慮使用模塊化UPS建設(shè)新數(shù)據(jù)中心。但現(xiàn)今市場上的模塊化UPS所采用的技術(shù)不盡相同,客戶在選用過程中有一定的困惑,本文將基于筆者的應(yīng)用實踐與理解對兩種主流架構(gòu)的模塊化UPS進行剖析,希望能給各位讀者一些幫助及啟發(fā)。

模塊化UPS的兩種典型架構(gòu)

1)分布式架構(gòu)

 

為何要選擇模塊化UPS?全面解析模塊化優(yōu)勢

 

分布式是早期模塊化UPS經(jīng)常使用的一種架構(gòu)。此類模塊化UPS系統(tǒng)層面上等價于數(shù)臺獨立的UPS直接并聯(lián),其功率模塊利用小型UPS改造而成,可自主獨立工作,其特點是:①除整流、逆變的控制外,均流與邏輯切換也由內(nèi)部控制單元控制;②內(nèi)置容量與功率模塊容量一致的靜態(tài)旁路,在旁路模式時,由每個模塊內(nèi)的靜態(tài)旁路共同承擔(dān)負載。

2)分布+集中式架構(gòu)

分布+集中式結(jié)構(gòu)的模塊化UPS設(shè)備所有的功率模塊內(nèi)置控制單元用于本模塊的整流器與逆變器控制,而將整個系統(tǒng)的均流及邏輯切換等功能從模塊內(nèi)部控制單元中提取出來,由一個集中的控制模塊控制。為了消除可能引入的單點故障,該控制模塊及相應(yīng)通訊總線均進行1+1冗余。當一個控制單元出現(xiàn)故障時,整個UPS系統(tǒng)中功率模塊可由另一處于熱備狀態(tài)的控制單元無縫接管系統(tǒng)控制,保障系統(tǒng)不間斷運行。同時,功率模塊內(nèi)不再內(nèi)置靜態(tài)旁路,系統(tǒng)配置一個靜態(tài)旁路模塊,其容量即為系統(tǒng)容量。

分散控制與分布+集中控制邏輯模式對比

分布式架構(gòu)的模塊化UPS采用分散控制邏輯模式,系統(tǒng)中每個模塊都含有一個完整獨立的控制單元,系統(tǒng)的主控模塊會通過一定的邏輯規(guī)則從系統(tǒng)內(nèi)所有模塊中選出,其余模塊作為從控模塊聽從主控模塊調(diào)度。當UPS系統(tǒng)中的一個從控模塊出現(xiàn)故障時其余模塊仍正常工作,當主控模塊出現(xiàn)故障時可通過一定的競爭規(guī)則來使得另一個模塊作為主控模塊,保障系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。

分散控制邏輯模式的優(yōu)點在于每個控制單元都可以完成對系統(tǒng)獨立控制的工作,故不存在這方面的單點故障點。但缺點也很明顯,首先因為主控模塊既要處理本身的信號,又要協(xié)調(diào)各模塊之間的信號,所以控制邏輯比較復(fù)雜,軟件邏輯可靠性不高。其次各主控模塊故障后,會在剩余模塊中競爭產(chǎn)生一個模塊作為主控模塊,該過程中也容易發(fā)生競爭失敗導(dǎo)致系統(tǒng)故障。

分布+集中式架構(gòu)的模塊化UPS功率模塊內(nèi)整流、逆變的控制是分布的,而均流邏輯等控制則是集中控制模式,即采用獨立集中的控制模塊(如圖2中控制模塊)來檢測市電的頻率和相位,然后向每個模塊發(fā)出同步信號,各個功率模塊接受到此同步信號后通過自身的控制環(huán)輸出相應(yīng)頻率相位的正弦波。當市電丟失時,集中控制模塊會自激產(chǎn)生同步信號發(fā)送給各個UPS模塊來保證各單元的輸出同頻同相。同時在均流的控制實現(xiàn)形式方面,集中式架構(gòu)的模塊化UPS依靠控制模塊來檢測整個系統(tǒng)的負載電流,然后除以系統(tǒng)模塊數(shù)量來作為各個UPS模塊的均流參考值,進而與各模塊輸出電流比較后求出偏差值來不斷調(diào)整各模塊的輸出電流,以保證系統(tǒng)內(nèi)模塊間良好的均流度。分布+集中控制邏輯模式的優(yōu)點在于采用獨立的均流與邏輯控制單元,均流度更好,且控制邏輯層級清晰,各功率模塊之間不存在競爭關(guān)系,軟件邏輯可靠性較高。為了保證集中控制單元的可靠性,避免單點故障,一般采用該架構(gòu)的UPS控制單元及通訊線路均會做1+1備份。1+1熱備份是最常用的備份方式,其可靠性在各類系統(tǒng)長期運行實踐中已得到驗證。

綜合來說,集中式冗余架構(gòu)具有的優(yōu)勢是明顯的。

集中旁路與分散旁路對比

正如本文中兩種架構(gòu)圖所示,目前大容量模塊化UPS系統(tǒng)的旁路控制技術(shù)主要有兩種模式:1、系統(tǒng)集中旁路模式(UPS系統(tǒng)內(nèi)只有一套旁路系統(tǒng),如圖2所示);2、系統(tǒng)分散旁路模式(UPS系統(tǒng)內(nèi)每個功率模塊都有一套旁路系統(tǒng),如圖1所示)。集中旁路系統(tǒng)具有過載能力強,可靠性高的優(yōu)點,而分散旁路具有可擴容,成本低的優(yōu)點,但可能存在一定的可靠性風(fēng)險。

對于分散旁路模式,表面上看因分散布置,在UPS模塊冗余時類似于冗余設(shè)計,一處旁路故障,其它旁路仍可工作。實際上此種分散與冗余有本質(zhì)不同。旁路的主要器件為SCR。因為器件的離散性較大,系統(tǒng)工作在旁路模式時,各個旁路基本不可能處于均流狀態(tài);而為了保持旁路輸出的電壓波形完整,在旁路模式時不會進行開關(guān)動作,難以電流進行控制,僅依賴自然均流不均流度很難控制在25%以內(nèi),電流大的模塊很可能因旁路過載而關(guān)機,影響系統(tǒng)供電連續(xù)性。

除了穩(wěn)態(tài)的均流問題,在瞬態(tài)時分散旁路系統(tǒng)也具有一定的風(fēng)險。在系統(tǒng)控制器發(fā)送切換旁路模式的信號之后,因為信號傳輸路徑、模塊控制器響應(yīng)速度、器件一致性等各方面原因,各個旁路很難同步切換,而先切換導(dǎo)通的SCR將承擔(dān)大部分負載甚至所有負載,極易導(dǎo)致該SCR失效。

靜態(tài)旁路是主路模式的冗余,作用非常重要。而分散旁路的設(shè)計方式大大降低了旁路的可靠性。實際上,在傳統(tǒng)塔式UPS應(yīng)用中當并機數(shù)超過四臺時,一般為了避免旁路不均流問題,都需要采用集中靜態(tài)旁路系統(tǒng)。因為旁路系統(tǒng)的限制,采用分散旁路系統(tǒng)的UPS很難具有較好可擴展性。

總結(jié)

如上所述,模塊化UPS因其高可靠、易維護、易擴容等優(yōu)點,大大地節(jié)省了客戶運營維護成本,為業(yè)務(wù)的長期穩(wěn)定運行提供了保障。兩種典型架構(gòu)的模塊化UPS都能提供較好的維護性與擴容能力,比起傳統(tǒng)UPS的可用性大幅提升。但從技術(shù)角度分析,集中式結(jié)構(gòu)的模塊化UPS具有更高的安全性,更優(yōu)異的可靠性。

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