模块化UPS的系统架构的两种旁路方案的介绍

近来跟一些业内客户交流，某厂家的模块化UPS有一个奇妙的功能，就是单个功率模块可以单独作为完整UPS使用，并列为一大卖点。看来市场营销也要与时俱进，这不就是以前的“分散旁路”的模块化UPS吗?十多年来都没有改变过的技术，现在被包装成新卖点了，这真是“知识就是力量”啊。

熟悉模块化UPS发展的业内同仁应该都了解，模块化UPS的系统架构从开始就有两条不同的技术路线：分散旁路和集中旁路。这里笔者想从技术的和性能可靠性来对比谈谈这两种方案的选择，希望能给读者一些启发和帮助。

一、两种旁路方案的架构定义

模块化UPS，顾名思义，是将大功率的UPS系统，分开成多个子模块并联，通过优化的系统控制，实现系统的在线扩容升级、维护，并大幅提高系统的可靠性、可用性和节能效果，降低客户的维护成本，近年来已经渐渐成为主流客户的首选。下面以市场上典型的基于10个30kVA功率模块的300kVA系统来做分析。

(1)分散旁路架构

分散旁路架构，即每个功率模块含有整流、逆变和电池变换等部分以外，还含有与功率模块容量相等的静态旁路，可以认为是一台没有液晶监控的UPS。多个模块在机柜中并联组成系统，模块间相互关系类似于传统多并机UPS系统。系统切换到旁路供电时，负载由所有功率模块内的分散旁路来并联供电。系统架构图如图1所示。

 

 

图1. 分散旁路架构图

(2)集中旁路架构

集中旁路架构，系统只有一个与系统容量相等的集中旁路模块，功率模块内仅包含整流、逆变和电池变换电路，每个部分均由独立的控制器，模块间的并联不再是传统的UPS并机系统，而是包含复杂的逆变均流，旁路控制和监控等逻辑。系统架构图如图2所示。

 

 

图2. 集中旁路架构图

(3)两种技术方案的发展

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。

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。

 

 

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。

 

 

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!

 

 

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.

 

 

也就是说，集中旁路的单个SCR模块，完全能够提供超过10倍额定电流的10ms保护能力，而基于分立器件的静态旁路，即使不考虑器件不均流，也是远远不够的!

瞬态切换的均流控制，不光与器件、各回路阻抗有关，也与控制相关。由于各个模块有各自的控制器，存在各处理器的处理速度、通信延时和模块自身差异等因素影响，各模块的实际切换动作一定有不等的延时，这就导致了第一个切到旁路的模块，很可能承受着100倍于模块容量的额定电流!由于是瞬态大电流，即使串联旁路均流电感也不会起到任何限流作用。这对于任何器件来说都是不可能完成的任务，这种切换无异于原地爆炸。短路故障电流的示意图如图4所示。

 

 

图4. 短路故障电流示意图

当然，分散旁路的厂家也深知这个道理，也提供了相应的“解决方案”，就是：短路情况下只有逆变维持200ms，然后不切旁路，直接关机!

我们来解释一下，10倍额定电流的工况常见于输出短路工况，当逆变器不能提供足够的分断故障的电流(通常为3倍额定维持200ms)的情况下，系统将切换到旁路供电，用旁路的低阻抗大电流去冲开短路点的保护器件(开关或熔断器)，这是配电设计里必须考虑的，如果是正确设计的配电系统，各分路的保护设计不应该产生越级保护，即下游的故障不应该导致上游的开关动作，系统最坏的情况就是切换到旁路，然后利用旁路强大的过载能力冲开下游的保护器件，这就是旁路抗冲击要求的。

使用分散旁路的系统，如果强行切换到旁路，由于抗冲击能力的不足和非同步的切换，毫无疑问将会导致器件损坏，系统宕机，所以厂家设计就只能禁止切换到旁路。可以想象在一个复杂的机房或者工厂内，只要有一个分支发生短路故障，后果就是整个系统束手就擒!这在实际应用中是无论如何不能接受的，但这同时是分散旁路无法解决的固有问题。

三、系统可靠性分析

分散旁路尚可宣称的优点就是旁路冗余，集中旁路被认为是存在单一故障点，下面我们来分析一下。

(1)从器件选型的角度上分析

从器件选型的角度上来说，单个大功率SCR的可靠性远高于数量众多的小型器件组成的系统，集中旁路模块功能简单，仅需要考虑器件和少量外围驱动电路的影响，而分散旁路因为是分布在功率模块内，同时受模块内部众多器件的影响。有维修经验的工程人员都知道，整流、逆变电路的故障都有可能因为火花飞溅等原因造成其他部分电路的故障，也就是说静态旁路面临了较多的不确定风险。如果说集中旁路是单一故障的话，分散旁路可能要被称为“多点故障”了。

(2)从系统容量角度上分析

从系统容量角度上来说，集中旁路的容量按照机柜设计，与配置的模块数量无关。而分散旁路的静态旁路容量由模块容量决定，也就是说，当模块故障时，系统将会失去相应的静态旁路容量。一个比较极端的例子，当机柜配置2个功率模块时，如果负载率是55%左右，当一个模块故障时，剩余的一个模块则会处于110%过载的工况，最终的结果就是系统掉电。同样工况对于集中旁路来说，完全不是问题。集中旁路模块因为器件容量的优势，甚至有些厂家提供125%长期过载的能力，这对系统可靠性来说有绝对的保障。

(3)集中旁路的可靠性设计分析

集中旁路的可靠性设计，众多主流厂家也提出了很多提升可靠性的方案，比如冗余备份的控制回路方案，通信总线冗余的方案，功率模块和旁路模块控制解耦方案，功率模块参与旁路控制方案，每个厂家的解决方案各有特色，经过多年的市场验证，能够大大提升系统的可用性，加上旁路模块普遍的热插拔设计，维修升级与功率模块一样简便。

四、总结

通过以上的分析，希望可以让大家能够进一步了解到两种方案的系统综合性能和产品可靠性的差异。

技术流派的争论和路线选择是产品开发的正常现象，对于用户来说，正确了解各路线的利弊是至关重要的，兼听则明，可以避免陷入营销概念的误区。然而，对于生产厂家而言，技术路线的选择意义重大，一旦路线确定，产品开发将无法中途转变，后续产品系列也必将延续，这就是为何无论业界如何发展，分散旁路的厂家仍然无法转向另一阵营。目前最主流的模块化UPS厂家，比如艾默生、伊顿、APC、英威腾、华为等，都是采用集中旁路的方案，精明的客户应该心中明白个中缘由。