浅析UPS冗余方式

摘 要：为了增加整个电源系统的可靠性，可以将UPS组成冗余系统，下文中将对目前采用的UPS冗余连接方式进行综述。分析比较串联冗余和并联冗余的可靠性及技术特点。

关键词：UPS；串联冗余；并联冗余

中图分类号： TM472 文献标识码： A

1引言

现代社会中，电能是一种使用广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的重要标志之一。随着科学技术的发展，人类社会对电能的需求日益增加同时对电能的质量以及供电的安全性要求也越来越高。例如，在银行、证券、通信、工业自动化生产线、医疗等各行业中，供电故障给企业造成的损失有时是不可挽回的。特别是随着网络化、信息化建设步伐的加快，如何向网络核心设备提供高质量、安全可靠的电源就显得非常重要。使用不间断电源（Uninterruptible Power System,UPS）是解决上述问题的重要方法之一。

与此同时，用户对UPS供电系统的可靠性提出了更高的要求，已经达到了可用性99.999％的程度。随着先进控制理论的引入以及数字技术的不断发展与完善，为了更好的满足用户对UPS容量以及可靠性的要求，目前世界上的UPS生产厂家在提高产品质量的同时也将UPS组成各种冗余系统，以提高系统的可靠性。UPS冗余系统主要有两种方案：串联冗余和并联冗余。

2 串联冗余（即热备份）

串联冗余技术是一种比较早期、简单而成熟的技术，它被广泛地应用于各个领域，UPS串联冗余的定义是：备机UPS的逆变器输出直接接到主机的旁路输入端，在运行中一旦主机逆变器故障时能够快速切换到旁路，由备机的逆变器输出供电，保证负载不停电。UPS串联冗余的特点是，两台UPS均为完整的具有独立旁路的在线式UPS单机。两台UPS除了电源线的连接外不需要其他信号的连接。在正常情况下，主机100%的给负载供电，备机的负载为零。由于备机是在主机旁路处在等待工作状态，故称为热备份。那么什么样的UPS可以组成串联系统呢？必须具有如下技术条件：

（1）必须是在线式UPS电源，这样逆变器才能保持和旁路的同步；

（2）UPS具有整流器和旁路双重输入端；

（3）UPS能够承受100%的负载跳变。

双机串联冗余提高了UPS电源供电系统的可靠性，但存在一些缺点：

（1）主机静态开关发生故障时，将可能中断整个系统供电，出现瓶颈故障；

（2）在市电故障，市电超限时，因为UPS封锁旁路，所以主、从机无法切换，造成热备份失效；

（3）维修困难,当主机发生故障，切换到备机供电时，用户负载不能停机，无法关闭UPS进行维修。

（4）备机长期处于备用状态，电池也长期处于浮充状态，影响电池寿命。

图1串联冗余方式

3并联冗余

并联冗余技术是近年来发展起来的采用更复杂技术的一种冗余方式，各UPS单机在系统中具有同等的地位，共同分担负荷，其中任意一台单机出现故障，其它单机能自动均担多出来的负荷，而故障单机将自动从负载母线上脱开，不存在切换问题。并联冗余解决了串联冗余主备UPS电源老化不一致的问题，并且能够实现增容功能。要实现并联冗余必须解决以下技术问题：

（1）各UPS逆变器输出波形保持同相位，同频率；

（2）各UPS逆变器输出电压一致；

（3）在输出电压同步的情况下，总的负载电流要在各个UPS间均衡分配，达到负载均分的目的；

（4）UPS故障时能快速脱机。

3.1 传统并联方式

图2传统并联方式

传统并联方式是两台UPS共用一组静态旁路开关，同时增加并机板或并机柜来控制两台UPS的同步，从而保证两台UPS的一致输出。

由于一般UPS控制系统多为模拟反馈电路，其输出参数及特性随温度、元件参数及器件的老化而漂移，同时由于各UPS一致性较差，故这种类型的UPS无法直接并联。为了提高供电系统可靠性，需要将UPS并联使用时，为确保各并联UPS之间输出参量的一致性，达到同步运行的目的，要增加一个并联柜，即在原基础上增加一些检测环节。同时为达到并联UPS切换的一致性，必须将原有的各静态线路开关拆除，共用一组静态开关。这种并联方式虽然比单台或串联热备份方式在可靠性等方面有较大的提高，但存在以下缺点：

（1）由于这种方式仅有一组静态开关，没有冗余备份，当静态开关本身出现问题时，整个供电系统就不能够正常输出，造成输出中断；

（2）并机板或并机柜是整个UPS并联系统的单点故障点，一旦并机板或并机柜出现故障，则整个系统必将瘫痪；

（3）切换时的冲击电流，当其中一台出现故障，全部负载切换至另一台过程中会有较大的冲击电流，很容易造成器件损坏；

（4）并联UPS系统需要参与并联UPS的工作特性的一致性非常好，而大容量UPS要做到两台的一致性非常好将是非常困难的，只能通过并联控制板来控制两台UPS，并协调工作，这样，当两台机的一致性较差时，就容易发生并联失败。

3.2 模块并联方式

图3模块并联方式

模块式并联冗余UPS是新一代数字化的并联技术产品，模块式多控制并联冗余UPS系统，它由可扩容的标准机柜和标准的UPS模块组成，每个模块就是一整的UPS，拥有自己独立的CPU、整流器、逆变器、充电器以及免维护电池，而机柜则起支撑、输入/输出接线、显示及与电脑通讯的作用，不参与UPS的控制和工作。整个UPS系统中任何一个模块或机柜中的任一个部分的单点故障或其它故障都会被隔离，从而不影响整个系统的工作性能。整个系统没有一个中央控制单元，系统内部设计有完善的投票机制，整个系统的工作特性由"少数服从多数原则"决定。

模块式UPS系统中，其中一个模块的故障，使整个UPS系统容量减少很小，平均每个模块需分担的负载量增加很少，故不会引起大的电流冲击。系统采用热插拔电路及接插件技术，可以根据负载情况进行组件的热插拔，以方便进行系统扩容和组件的维修，并可在不停机的情况下添加或减少组件。

模块式并联冗余UPS系统与传统并联方式相比实现真正意义上的冗余并联，有一个模块故障退出时，并不影响其他模块的并联运行。它以可靠性高、危险性分散、功能扩展容易等良好的特性已在众多领域中得到了广泛的应用。

4 结束语

综上所述，模块式并联冗余UPS系统与串联冗余UPS系统及传统并联UPS系统相比，有多方面的优势，是并联技术革命性的进步，也在是目前较为流行的技术。

在广大市场的需求下，在先进技术的强力推动下，UPS也正在不断的朝着数字化、智能化、网络化的方向发展，为人类提供更高质量、安全可靠的电源。

5参考文献

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[2] 钱希森.小型UPS原理及应用.北京：科学出版社，2000

[3] 刘凤君.串并联补偿在线UPS的型式原理与控制方式.UPS应用，2002

[4] 吴波.基于DSP的单项UPS全数字控制技术.UPS技术与应用，2001