模塊化UPS電源并聯
發(fā)布時間：2014.10.13 瀏覽次數：3619
從1998年UPS市場推出首個模塊化產品,至今已有16年的歷史,模塊化UPS具有易擴容、易維護、高效率等適宜用戶的諸多優(yōu)點,實現了UPS系統可用性、可靠性的跨越發(fā)展。隨著技術的進步,模塊化UPS逐漸向大容量、多模塊并聯的方向發(fā)展,目前行業(yè)里華為、施耐德等廠商已經實現機架內20模塊并聯及4機架并聯。模塊化UPS的應用場景也逐步由中等數據中心向大型及超大型數據中心擴展。未來模塊化并聯數目是否還有進一步的發(fā)展空間?本文將就模塊化UPS的擴容特性,也即模塊并聯數量的可擴展性進行探討。
1 UPS模塊并聯技術的發(fā)展
模塊化UPS的模塊并聯數量依賴于并聯均流技術的發(fā)展。理論上只要UPS系統內器件完全一致,模塊之間就可以直接并聯,并實現模塊空載下和帶載下的負載完美均分。但實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,模塊之間直接并聯不僅無法實現負載均分,還可能會導致直接并聯的UPS發(fā)生故障。所以,UPS并聯一定要加入均流控制。
UPS輸出為三相或者單相交流,要實現功率模塊的均流,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,且模塊間的一致性越強,模塊的并聯均流越容易,并聯的數量也將更多。目前業(yè)界UPS的并聯技術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內部存在一條平均輸出電流總線，并以此為依據來調節(jié)UPS的輸出電壓，達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平均電流后,調節(jié)總線實時傳輸電流數值。該方法實時性高,控制方式簡單,系統均流效果較好,理論上可以無限擴展。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現的弱電信號,容易受到功率線路的*。*信號會嚴重影響系統的均流度控制,嚴重時可能導致并機系統極度不均流而關機,而且該均流控制系統存在單點故障,當平均電流總線發(fā)生短路等異常故障時,并機系統會宕機。因此該方法可靠性和可擴展性均十分有限。
(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內阻,減小差異性在內阻中的占比,從而達到均流的目的。減小各模塊差異性的技術,早期以UPS輸出串聯電感為代表,硬件電路需要較大的電感,系統體積大、重量重。隨著技術的進步,UPS并聯技術發(fā)展為通過下垂控制技術增加UPS輸出的等效內阻替代物理電感,從而控制體積,減小甚至消除UPS輸出端的串聯電感。同時為了突破硬件連線帶來的可靠性問題,并聯技術對電流的偵測方式進行了改善,出現了無互聯線的并聯控制方法。目前基于下垂控制技術的*并聯控制技術為抑制模塊差異性方法中的代表。
無互連線的并聯控制方式如圖2所示。該方式消除了平均電流互連線,提升了UPS并聯可靠性。當UPS并聯系統中各模塊的輸出電壓相位、電壓幅值偏差較小時,并聯系統的輸出電壓差、相位差和有功環(huán)流、無功環(huán)流有一定的關聯性?？刂扑惴ɡ眠@個關聯關系可以間接地檢測系統輸出平均電流,同時通過逆變器輸出的下垂特性實現UPS模塊并聯的均流控制。無互連線的并聯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，模塊并聯數量擴展性較好。
理論上使用此方法的模塊化UPS模塊并聯數量可以無限擴展,但是因為以下原因導致實際不能無限擴展:為了達成均流,必須增加UPS的內阻,減小差異在內阻中的占比。當模塊數量增多時,UPS內阻隨之增大,導致穩(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%的指標要求,因此在實際應用中,無互連線的并聯控制方式下的模塊并聯數量可擴展性受到制約,可擴展性不強。
(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阻調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行數字化處理,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模塊獨立計算系統的平均電流,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,同時抗*能力大大增強,再結合通訊總線冗余設計消除單點故障,系統可靠性可得到大幅改善。該方法的主要問題是信號數字化后,均流的實時性與效果受芯片和通訊資源的限制。
2 最大并聯模塊數目評估
由上述可知,CAN總線傳輸平均電流的控制方法具有最優(yōu)的可擴展性,因此模塊化UPS最大并聯數量的問題將基于該架構進行討論。
在系統架構層面上,為達到盡可能多的機架內模塊并聯數量,提升并機系統性能,可在UPS單機系統內增加系統控制器,以擴展任務處理能力和系統功能特性,保障系統進行均流和邏輯控制有充足的計算資源。以TI為例,在2007年發(fā)布的TMS320F28335系列可支持32位浮點運算,運算速率達到150MIPS,完全可以滿足并聯控制對DSP的資源需求。為避免單點故障,系統控制器及其相應的CAN總線應雙備份。
CAN通訊資源的限制將是限制模塊并聯能力的重要因素,這主要包括兩個方面。從硬件線路方面來講,CAN總線上節(jié)點個數增多時,總線信號會受線路電容和電感等線路寄生參數因素的影響,發(fā)生CAN信號失真的現象。理論上,1MHz的高速CAN最長線為40m,最多節(jié)點為120個。
從軟件控制方面來講,我們可以做一個模塊化UPS單機內模塊可并聯數量的假設計算。假設:
(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架構;
2)為了保證UPS系統內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獲取一次均流信息;
(3)系統控制器會綜合均流信息和各模塊間的其它信息進行系統的邏輯控制;
(4)模塊化UPS系統內的其它信息也需要一個市電周期交互一次;
(5)并機系統使用業(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個假設條件可計算得出1條CAN總線上最多可以連接49個CAN節(jié)點,即使用單條CAN的模塊化UPS單機內最多可以并聯49個模塊(包括功率模塊、旁路模塊、監(jiān)控模塊和控制模塊)。但機架內并聯數目并不僅限于此,如果有更多的并聯需求,還可以在圖3的架構上采用多條CAN總線進行機架內擴展。
機架間的并聯數量,理論上也可以像模塊間一樣進行拓展,此處不再詳細討論。
3 結束語
1 UPS模塊并聯技術的發(fā)展
模塊化UPS的模塊并聯數量依賴于并聯均流技術的發(fā)展。理論上只要UPS系統內器件完全一致,模塊之間就可以直接并聯,并實現模塊空載下和帶載下的負載完美均分。但實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,模塊之間直接并聯不僅無法實現負載均分,還可能會導致直接并聯的UPS發(fā)生故障。所以,UPS并聯一定要加入均流控制。
UPS輸出為三相或者單相交流,要實現功率模塊的均流,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,且模塊間的一致性越強,模塊的并聯均流越容易,并聯的數量也將更多。目前業(yè)界UPS的并聯技術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內部存在一條平均輸出電流總線，并以此為依據來調節(jié)UPS的輸出電壓，達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平均電流后,調節(jié)總線實時傳輸電流數值。該方法實時性高,控制方式簡單,系統均流效果較好,理論上可以無限擴展。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現的弱電信號,容易受到功率線路的*。*信號會嚴重影響系統的均流度控制,嚴重時可能導致并機系統極度不均流而關機,而且該均流控制系統存在單點故障,當平均電流總線發(fā)生短路等異常故障時,并機系統會宕機。因此該方法可靠性和可擴展性均十分有限。
(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內阻,減小差異性在內阻中的占比,從而達到均流的目的。減小各模塊差異性的技術,早期以UPS輸出串聯電感為代表,硬件電路需要較大的電感,系統體積大、重量重。隨著技術的進步,UPS并聯技術發(fā)展為通過下垂控制技術增加UPS輸出的等效內阻替代物理電感,從而控制體積,減小甚至消除UPS輸出端的串聯電感。同時為了突破硬件連線帶來的可靠性問題,并聯技術對電流的偵測方式進行了改善,出現了無互聯線的并聯控制方法。目前基于下垂控制技術的*并聯控制技術為抑制模塊差異性方法中的代表。
無互連線的并聯控制方式如圖2所示。該方式消除了平均電流互連線,提升了UPS并聯可靠性。當UPS并聯系統中各模塊的輸出電壓相位、電壓幅值偏差較小時,并聯系統的輸出電壓差、相位差和有功環(huán)流、無功環(huán)流有一定的關聯性?？刂扑惴ɡ眠@個關聯關系可以間接地檢測系統輸出平均電流,同時通過逆變器輸出的下垂特性實現UPS模塊并聯的均流控制。無互連線的并聯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，模塊并聯數量擴展性較好。
理論上使用此方法的模塊化UPS模塊并聯數量可以無限擴展,但是因為以下原因導致實際不能無限擴展:為了達成均流,必須增加UPS的內阻,減小差異在內阻中的占比。當模塊數量增多時,UPS內阻隨之增大,導致穩(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%的指標要求,因此在實際應用中,無互連線的并聯控制方式下的模塊并聯數量可擴展性受到制約,可擴展性不強。
(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阻調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行數字化處理,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模塊獨立計算系統的平均電流,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,同時抗*能力大大增強,再結合通訊總線冗余設計消除單點故障,系統可靠性可得到大幅改善。該方法的主要問題是信號數字化后,均流的實時性與效果受芯片和通訊資源的限制。
2 最大并聯模塊數目評估
由上述可知,CAN總線傳輸平均電流的控制方法具有最優(yōu)的可擴展性,因此模塊化UPS最大并聯數量的問題將基于該架構進行討論。
在系統架構層面上,為達到盡可能多的機架內模塊并聯數量,提升并機系統性能,可在UPS單機系統內增加系統控制器,以擴展任務處理能力和系統功能特性,保障系統進行均流和邏輯控制有充足的計算資源。以TI為例,在2007年發(fā)布的TMS320F28335系列可支持32位浮點運算,運算速率達到150MIPS,完全可以滿足并聯控制對DSP的資源需求。為避免單點故障,系統控制器及其相應的CAN總線應雙備份。
CAN通訊資源的限制將是限制模塊并聯能力的重要因素,這主要包括兩個方面。從硬件線路方面來講,CAN總線上節(jié)點個數增多時,總線信號會受線路電容和電感等線路寄生參數因素的影響,發(fā)生CAN信號失真的現象。理論上,1MHz的高速CAN最長線為40m,最多節(jié)點為120個。
從軟件控制方面來講,我們可以做一個模塊化UPS單機內模塊可并聯數量的假設計算。假設:
(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架構;
2)為了保證UPS系統內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獲取一次均流信息;
(3)系統控制器會綜合均流信息和各模塊間的其它信息進行系統的邏輯控制;
(4)模塊化UPS系統內的其它信息也需要一個市電周期交互一次;
(5)并機系統使用業(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個假設條件可計算得出1條CAN總線上最多可以連接49個CAN節(jié)點,即使用單條CAN的模塊化UPS單機內最多可以并聯49個模塊(包括功率模塊、旁路模塊、監(jiān)控模塊和控制模塊)。但機架內并聯數目并不僅限于此,如果有更多的并聯需求,還可以在圖3的架構上采用多條CAN總線進行機架內擴展。
機架間的并聯數量,理論上也可以像模塊間一樣進行拓展,此處不再詳細討論。
3 結束語
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單機系統內可并聯模塊數量最多的控制方式,也是多模塊并聯系統下最穩(wěn)定可靠的方式,當前機架內單CAN理論上可以支持49個模塊并聯。當然可以預見,未來隨著并聯控制技術和控制芯片的發(fā)展,模塊化UPS的并聯能力必將進一步擴展,以滿足不斷增長的負載容量的需求。
編輯簡介
聯系電話：010-57168632 18210586596 QQ:1755521863
公司網址：http://www.medfield.net.cn
李露,女,在北京盛世君誠科技有限公司公司任職。主要從事云計算等新一代信息技術產業(yè)方向的相關研究,產品領域集中在機房環(huán)境設備,主要包括UPS、機房空調、機房監(jiān)控設備等。