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英威腾:模块化UPS分散旁路和集中旁路方案

2017-03-06 11:15
魏丁小陆
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(3)两种技术方案的发展来源

模块化UPS的概念,最先起源于客户对系统维修的简易化的需求,希望能在故障情况下不影响关键业务,进行简单的更换操作即可恢复系统。厂家天然地就想到把UPS并机系统设计成模块化结构,这也就是分散旁路方案的来源。

分散旁路方案的优点是:控制简单,开发难度小,仅须将原有的UPS并机系统移植并优化监控部分即可;机柜成本低;旁路器件因为容量较小,成本也相对较低;静态旁路有多路冗余。

集中旁路方案是继分散旁路之后发展起来的技术路线,相比传统并机UPS系统,从并联均流控制、系统逻辑协调、容错能力方面都做了非常大的改动,可以说是一个全新的技术领域,开发难度大。

下面的章节将介绍两种技术路线带来的性能和可靠性方面的差异。

二、两种方案的性能差异

静态旁路作为UPS供电的最后一道屏障,重要性不言而喻,常见的旁路供电的情况有以下几种:逆变器故障、逆变器过载或过温、输出短路。可以看到,旁路供电的工况多数是极端工况,对器件的考核应该加倍严酷。

(1)稳态工况

旁路供电时,集中旁路方案很好理解,只有一个旁路提供全部电流,旁路容量按照系统最大容量来设计,跟模块配置数量无关,不存在任何问题。

分散旁路方案是由多路小功率静态旁路来承担负载,由于旁路回路是低阻回路,多回路的均流没有办法用软件方法来控制,模块间的均流完全取决于以下几个因素:

l1)个体器件间的差异,主要是导通压降的差异,器件厂家的分散性不可避免;

l2)回路阻抗的差异,主要是各回路线缆的长度无法保证一致,且线缆连接点阻抗因工艺控制等原因无法把握;

一般来说,即使是最乐观的估计,均流差异都不大可能会小于20%以内,也就是说,存在部分模块电流过大的风险,这在严酷的应用中是非常危险的。

由于这个不可控的均流能力,部分厂家提出了“解决方案”——旁路均流电感,原理简单粗暴,就是每个旁路回路串联一个电感(如图3所示),利用电感的阻抗来平衡各支路的电流(同样也是常规并机系统的方法)。且不说电感量的10%的个体差异,带来更大的系统损耗,这种方案还会有下面瞬态性能上不可逾越鸿沟。

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图3. 某厂家的旁路均流电感

(2)瞬态工况

逆变切换到旁路的工况,基本上是紧急工况,切换时序要求非常高,否则容易造成关键负载中断。在大负载或者是故障电流情况下切换,瞬间的操作电流可能会数倍于系统额定电流,这也就是为什么静态旁路设计要求更大的余量。

静态旁路器件抗瞬态电流冲击的主要参数是I2t,也就是短时间(一般小于10ms)的电流积分,如果I2t过大,器件即很可能烧毁。UPS的性能参数中,常见规定的旁路过载能力为1000% 维持10ms,也就是在配电开关保护时间(10ms)内旁路需要提供不小于10倍额定电流。下面以300kVA系统为例,分析不同器件的抗冲击能力的差异。

分散静态旁路器件,因为目前技术能力的原因,器件单体最大电流等级为70A,根据某著名厂家的器件规格书,提供的最大I2t为7200A2S(<10ms),300k系统可以认为是10路器件并联运行。

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集中静态旁路,用的都是SCR模块,最主流厂家为德国赛米控(SEMIKRON),我们看看其中一个型号SKKT323/16E的I2t参数,同样10ms条件下为450000 A2S,两者之间的相差超过60倍!

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而我们计算一下对于常见的1000% 过载 10ms的I2t需求,对于300kVA系统而言.

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