淺談模塊化UPS的技術選擇

　　1. 引言

　　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用實踐與理解對兩種主流架構的模塊化UPS進行剖析，希望能給各位讀者一些幫助及啟發(fā)。

　　2. 模塊化UPS的兩種典型架構

　　1)分布式架構

　　圖1中展示了分布式模塊化UPS的系統(tǒng)架構。

　　圖1 分布式結構的模塊化UPS架構

　　分布式是早期模塊化UPS經(jīng)常使用的一種架構。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)旁路共同承擔負載。

　　2)分布+集中式架構

　　與之相對應，圖2展示了另一類架構的模塊化UPS。

　　圖2 分布+集中式結構模塊化UPS架構

　　分布+集中式結構的模塊化UPS設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。

　　3. 分散控制與分布+集中控制邏輯模式對比

　　分布式架構的模塊化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)生競爭失敗導致系統(tǒng)故障。

　　分布+集中式架構的模塊化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，集中式冗余架構具有的優(yōu)勢是明顯的。

　　4. 集中旁路與分散旁路對比

　　正如本文中兩種架構圖所示，目前大容量模塊化UPS系統(tǒng)的旁路控制技術主要有兩種模式：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，而先切換導通的SCR將承擔大部分負載甚至所有負載，極易導致該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。

　　5. 總結

　　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)務的長期穩(wěn)定運行提供了保障。兩種典型架構的模塊化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。但從技術角度分析，集中式結構的模塊化UPS具有更高的安全性，更優(yōu)異的可靠性。