模块化UPS电源并联
发布时间：2014.10.13 浏览次数：3209
从1998年UPS市场推出首个模块化产品,至今已有16年的历史,模块化UPS具有易扩容、易维护、高效率等适宜用户的诸多优点,实现了UPS系统可用性、可靠性的跨越发展。随着技术的进步,模块化UPS逐渐向大容量、多模块并联的方向发展,目前行业里华为、施耐德等厂商已经实现机架内20模块并联及4机架并联。模块化UPS的应用场景也逐步由中等数据中心向大型及超大型数据中心扩展。未来模块化并联数目是否还有进一步的发展空间?本文将就模块化UPS的扩容特性,也即模块并联数量的可扩展性进行探讨。
1 UPS模块并联技术的发展
模块化UPS的模块并联数量依赖于并联均流技术的发展。理论上只要UPS系统内器件完全一致,模块之间就可以直接并联,并实现模块空载下和带载下的负载完美均分。但实际上器件无法做到完全一致,加上温度等环境因素的影响,模块之间直接并联不仅无法实现负载均分,还可能会导致直接并联的UPS发生故障。所以,UPS并联一定要加入均流控制。
UPS输出为三相或者单相交流,要实现功率模块的均流,必须保证各模块输出端的相电压的幅度和相位在一定精度之内,且模块间的一致性越强,模块的并联均流越容易,并联的数量也将更多。目前业界UPS的并联技术采用消除差异和抑制差异两种控制方法，以控制模块间的空载环流和均分负载。
(1)消除各模块差异性的方法
消除各模块差异性的方法是通过精确控制，使各UPS模块输出正弦电压的频率、相位和幅度保持高度一致，传统上最常用的方法为平均电流总线控制法。使用平均电流总线控制法的UPS内部存在一条平均输出电流总线，并以此为依据来调节UPS的输出电压，达到各模块输出电流一致的目的。
早期的模块化UPS平均电流总线通过硬件的方式获取,如图1所示。通过硬件电路获取系统平均电流后,调节总线实时传输电流数值。该方法实时性高,控制方式简单,系统均流效果较好,理论上可以无限扩展。但是平均电流总线控制方法存在一个致命的问题,即平均电流总线是硬件实现的弱电信号,容易受到功率线路的*。*信号会严重影响系统的均流度控制,严重时可能导致并机系统极度不均流而关机,而且该均流控制系统存在单点故障,当平均电流总线发生短路等异常故障时,并机系统会宕机。因此该方法可靠性和可扩展性均十分有限。
(2)抑制各模块差异性的方法
抑制各模块差异性的方法是通过软件控制方法等效增加UPS内阻,减小差异性在内阻中的占比,从而达到均流的目的。减小各模块差异性的技术,早期以UPS输出串联电感为代表,硬件电路需要较大的电感,系统体积大、重量重。随着技术的进步,UPS并联技术发展为通过下垂控制技术增加UPS输出的等效内阻替代物理电感,从而控制体积,减小甚至消除UPS输出端的串联电感。同时为了突破硬件连线带来的可靠性问题,并联技术对电流的侦测方式进行了改善,出现了无互联线的并联控制方法。目前基于下垂控制技术的*并联控制技术为抑制模块差异性方法中的代表。
无互连线的并联控制方式如图2所示。该方式消除了平均电流互连线,提升了UPS并联可靠性。当UPS并联系统中各模块的输出电压相位、电压幅值偏差较小时,并联系统的输出电压差、相位差和有功环流、无功环流有一定的关联性。控制算法利用这个关联关系可以间接地检测系统输出平均电流,同时通过逆变器输出的下垂特性实现UPS模块并联的均流控制。无互连线的并联控制方式的均流效果比平均电流总线控制方法的均流效果稍差，但它的控制方法简单，模块并联数量扩展性较好。
理论上使用此方法的模块化UPS模块并联数量可以无限扩展,但是因为以下原因导致实际不能无限扩展:为了达成均流,必须增加UPS的内阻,减小差异在内阻中的占比。当模块数量增多时,UPS内阻随之增大,导致稳态的逆变输出电压幅值和频率精度变差。不能满足稳态输出电压差1%和相位差2%的指标要求,因此在实际应用中,无互连线的并联控制方式下的模块并联数量可扩展性受到制约,可扩展性不强。
(3)消除各模块差异性的CAN总线传输平均电流的控制方式
如上所述,基于硬件弱电线路的均流控制和基于内阻调整的均流控制均有较大的缺陷,且难有良好的改善措施。因此,近些年出现了一种由平均电流总线控制法衍生出的CAN总线传输平均电流的方法。该方法将各模块电流信号进行数字化处理,并通过CAN通讯总线将均流信号传递给各个模块,从而解决了弱电信号被*的问题。然后各UPS模块独立计算系统的平均电流,来控制模块自身输出电流的均分效果。该方法继承了硬件平均电流总线控制法控制简单、均流效果好的优点,同时抗*能力大大增强,再结合通讯总线冗余设计消除单点故障,系统可靠性可得到大幅改善。该方法的主要问题是信号数字化后,均流的实时性与效果受芯片和通讯资源的限制。
2 最大并联模块数目评估
由上述可知,CAN总线传输平均电流的控制方法具有最优的可扩展性,因此模块化UPS最大并联数量的问题将基于该架构进行讨论。
在系统架构层面上,为达到尽可能多的机架内模块并联数量,提升并机系统性能,可在UPS单机系统内增加系统控制器,以扩展任务处理能力和系统功能特性,保障系统进行均流和逻辑控制有充足的计算资源。以TI为例,在2007年发布的TMS320F28335系列可支持32位浮点运算,运算速率达到150MIPS,完全可以满足并联控制对DSP的资源需求。为避免单点故障,系统控制器及其相应的CAN总线应双备份。
CAN通讯资源的限制将是限制模块并联能力的重要因素,这主要包括两个方面。从硬件线路方面来讲,CAN总线上节点个数增多时,总线信号会受线路电容和电感等线路寄生参数因素的影响,发生CAN信号失真的现象。理论上,1MHz的高速CAN最长线为40m,最多节点为120个。
从软件控制方面来讲,我们可以做一个模块化UPS单机内模块可并联数量的假设计算。假设:
(1)采用图3所示的CAN总线传输平均电流的控制方式的系统架构;
2)为了保证UPS系统内各模块输出电流的均分效果,模块自身的控制器至少在一个市电周期内获取一次均流信息;
(3)系统控制器会综合均流信息和各模块间的其它信息进行系统的逻辑控制;
(4)模块化UPS系统内的其它信息也需要一个市电周期交互一次;
(5)并机系统使用业界通用的CAN总线方案,采用1MHz通讯速率;
(6)同时考虑CAN总线通讯降额,CAN总线资源占用率为80%。
基于以上6个假设条件可计算得出1条CAN总线上最多可以连接49个CAN节点,即使用单条CAN的模块化UPS单机内最多可以并联49个模块(包括功率模块、旁路模块、监控模块和控制模块)。但机架内并联数目并不仅限于此,如果有更多的并联需求,还可以在图3的架构上采用多条CAN总线进行机架内扩展。
机架间的并联数量,理论上也可以像模块间一样进行拓展,此处不再详细讨论。
3 结束语
1 UPS模块并联技术的发展
模块化UPS的模块并联数量依赖于并联均流技术的发展。理论上只要UPS系统内器件完全一致,模块之间就可以直接并联,并实现模块空载下和带载下的负载完美均分。但实际上器件无法做到完全一致,加上温度等环境因素的影响,模块之间直接并联不仅无法实现负载均分,还可能会导致直接并联的UPS发生故障。所以,UPS并联一定要加入均流控制。
UPS输出为三相或者单相交流,要实现功率模块的均流,必须保证各模块输出端的相电压的幅度和相位在一定精度之内,且模块间的一致性越强,模块的并联均流越容易,并联的数量也将更多。目前业界UPS的并联技术采用消除差异和抑制差异两种控制方法，以控制模块间的空载环流和均分负载。
(1)消除各模块差异性的方法
消除各模块差异性的方法是通过精确控制，使各UPS模块输出正弦电压的频率、相位和幅度保持高度一致，传统上最常用的方法为平均电流总线控制法。使用平均电流总线控制法的UPS内部存在一条平均输出电流总线，并以此为依据来调节UPS的输出电压，达到各模块输出电流一致的目的。
早期的模块化UPS平均电流总线通过硬件的方式获取,如图1所示。通过硬件电路获取系统平均电流后,调节总线实时传输电流数值。该方法实时性高,控制方式简单,系统均流效果较好,理论上可以无限扩展。但是平均电流总线控制方法存在一个致命的问题,即平均电流总线是硬件实现的弱电信号,容易受到功率线路的*。*信号会严重影响系统的均流度控制,严重时可能导致并机系统极度不均流而关机,而且该均流控制系统存在单点故障,当平均电流总线发生短路等异常故障时,并机系统会宕机。因此该方法可靠性和可扩展性均十分有限。
(2)抑制各模块差异性的方法
抑制各模块差异性的方法是通过软件控制方法等效增加UPS内阻,减小差异性在内阻中的占比,从而达到均流的目的。减小各模块差异性的技术,早期以UPS输出串联电感为代表,硬件电路需要较大的电感,系统体积大、重量重。随着技术的进步,UPS并联技术发展为通过下垂控制技术增加UPS输出的等效内阻替代物理电感,从而控制体积,减小甚至消除UPS输出端的串联电感。同时为了突破硬件连线带来的可靠性问题,并联技术对电流的侦测方式进行了改善,出现了无互联线的并联控制方法。目前基于下垂控制技术的*并联控制技术为抑制模块差异性方法中的代表。
无互连线的并联控制方式如图2所示。该方式消除了平均电流互连线,提升了UPS并联可靠性。当UPS并联系统中各模块的输出电压相位、电压幅值偏差较小时,并联系统的输出电压差、相位差和有功环流、无功环流有一定的关联性。控制算法利用这个关联关系可以间接地检测系统输出平均电流,同时通过逆变器输出的下垂特性实现UPS模块并联的均流控制。无互连线的并联控制方式的均流效果比平均电流总线控制方法的均流效果稍差，但它的控制方法简单，模块并联数量扩展性较好。
理论上使用此方法的模块化UPS模块并联数量可以无限扩展,但是因为以下原因导致实际不能无限扩展:为了达成均流,必须增加UPS的内阻,减小差异在内阻中的占比。当模块数量增多时,UPS内阻随之增大,导致稳态的逆变输出电压幅值和频率精度变差。不能满足稳态输出电压差1%和相位差2%的指标要求,因此在实际应用中,无互连线的并联控制方式下的模块并联数量可扩展性受到制约,可扩展性不强。
(3)消除各模块差异性的CAN总线传输平均电流的控制方式
如上所述,基于硬件弱电线路的均流控制和基于内阻调整的均流控制均有较大的缺陷,且难有良好的改善措施。因此,近些年出现了一种由平均电流总线控制法衍生出的CAN总线传输平均电流的方法。该方法将各模块电流信号进行数字化处理,并通过CAN通讯总线将均流信号传递给各个模块,从而解决了弱电信号被*的问题。然后各UPS模块独立计算系统的平均电流,来控制模块自身输出电流的均分效果。该方法继承了硬件平均电流总线控制法控制简单、均流效果好的优点,同时抗*能力大大增强,再结合通讯总线冗余设计消除单点故障,系统可靠性可得到大幅改善。该方法的主要问题是信号数字化后,均流的实时性与效果受芯片和通讯资源的限制。
2 最大并联模块数目评估
由上述可知,CAN总线传输平均电流的控制方法具有最优的可扩展性,因此模块化UPS最大并联数量的问题将基于该架构进行讨论。
在系统架构层面上,为达到尽可能多的机架内模块并联数量,提升并机系统性能,可在UPS单机系统内增加系统控制器,以扩展任务处理能力和系统功能特性,保障系统进行均流和逻辑控制有充足的计算资源。以TI为例,在2007年发布的TMS320F28335系列可支持32位浮点运算,运算速率达到150MIPS,完全可以满足并联控制对DSP的资源需求。为避免单点故障,系统控制器及其相应的CAN总线应双备份。
CAN通讯资源的限制将是限制模块并联能力的重要因素,这主要包括两个方面。从硬件线路方面来讲,CAN总线上节点个数增多时,总线信号会受线路电容和电感等线路寄生参数因素的影响,发生CAN信号失真的现象。理论上,1MHz的高速CAN最长线为40m,最多节点为120个。
从软件控制方面来讲,我们可以做一个模块化UPS单机内模块可并联数量的假设计算。假设:
(1)采用图3所示的CAN总线传输平均电流的控制方式的系统架构;
2)为了保证UPS系统内各模块输出电流的均分效果,模块自身的控制器至少在一个市电周期内获取一次均流信息;
(3)系统控制器会综合均流信息和各模块间的其它信息进行系统的逻辑控制;
(4)模块化UPS系统内的其它信息也需要一个市电周期交互一次;
(5)并机系统使用业界通用的CAN总线方案,采用1MHz通讯速率;
(6)同时考虑CAN总线通讯降额,CAN总线资源占用率为80%。
基于以上6个假设条件可计算得出1条CAN总线上最多可以连接49个CAN节点,即使用单条CAN的模块化UPS单机内最多可以并联49个模块(包括功率模块、旁路模块、监控模块和控制模块)。但机架内并联数目并不仅限于此,如果有更多的并联需求,还可以在图3的架构上采用多条CAN总线进行机架内扩展。
机架间的并联数量,理论上也可以像模块间一样进行拓展,此处不再详细讨论。
3 结束语
综上所述,通过CAN总线传输平均电流的控制方式是业界UPS单机系统内可并联模块数量最多的控制方式,也是多模块并联系统下最稳定可靠的方式,当前机架内单CAN理论上可以支持49个模块并联。当然可以预见,未来随着并联控制技术和控制芯片的发展,模块化UPS的并联能力必将进一步扩展,以满足不断增长的负载容量的需求。
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李露,女,在北京盛世君诚科技有限公司公司任职。主要从事云计算等新一代信息技术产业方向的相关研究,产品领域集中在机房环境设备,主要包括UPS、机房空调、机房监控设备等。