2.2.7 “热同步”UPS并机供电系统

1.“热同步”并机技术的工作原理

“热同步”并机系统是由两台具有相同输出功率的UPS单机和双总线输出开关柜组成的。由于这种双总线输出开关柜的引入，它可以明显地提高整个并机系统的可维护性。

由于在双总线输出开关柜中的MOB1（断路器1）和MOB2（断路器2）开关的旁边分别配置有表示UPS1和UPS2之间的频率和相位是否满足直接并机条件要求的指示灯，所以只要操作人员看见这两个指示灯处于发亮状态，就可以将MOB1和MOB2置于闭合状态，实现正常的1+1型并机输出运行操作，不需要专业技术人员去判断UPS1和UPS2的实际输出参数是否满足直接并机条件。

当某台UPS因出现故障而自动脱机并需要检修时，用户只需要将这台出现故障的UPS的输入开关、蓄电池开关和位于双总线输出开关柜中的对应的MOB开关断开，就可确保在用户的负载继续由剩下的一台正常的UPS向用户提供高质量的电源的前提下，在完全无电条件下来检修UPS，从而确保检修人员的人身安全。

当两台UPS在执行并机操作时，不需要互相获取对方的实时的输出频率、相位、电压、电流等参数信息，就能达到相互锁相同步并机、均匀分担负载电流的目的。这种并机技术在强大的微处理器的直接数字合成技术和自适应调控功能的支持下，只需要自己关注自己的输出电压、电流及相位，就可达到输出同步跟踪并均分负载电流及在万一某台UPS出现故障时将这台出现故障的UPS从并机系统中快速脱机等调控功能（执行选择性脱机跳闸操作），从而将UPS的并机概念提高到一个崭新的高度。该技术的好处在于，各UPS单机之间不需要通信线缆连接来传递实时信号，就可实现并机的电流均分控制。对于并机系统中的各台UPS，它们都处于完全平等的调控状态之中。采用独特的小步长、高频度同步相位调制法，每台UPS能智能地将位于并机系统中的各台UPS的同步跟踪调到最佳状态（彼此之间的相位差几乎为零）和实时动态地调节所带负载的百分比。通过这种技术实现并机系统的负载电流的电流均分不平衡度小于2%。

2.“热同步”并机系统的特点

应用“热同步”并机技术来实现的并机系统具有如下特点。

① 系统级交流转换柜（SBM）具有一套单独的用于维修、故障清除和在紧急情况下处理事故的系统级维修转换供电系统。

② 转换柜内采用基于微处理器调控的逻辑控制电路，从而减少了硬件总数，提高了运行可靠性。两套完全冗余的单机监视网络提供UPS供电系统的运行参数测量和报警信息。为方便安装，每条数字网络通信线缆仅由一条双绞线来组成。

③ 从转换柜上的监视器面板上可获得与单机监视器面板上同样的详细UPS运行状态信息。

④ 可选择公共蓄电池组或单独蓄电池组两种配置方案，可达到8台UPS单机的现场并联增容。

3.“热同步”并机技术的优点

相比之下，“热同步”并机技术具有如下优点。

① 两台UPS之间没有信号通信用的线缆，减小故障率。

② 两台UPS均独立工作，无主从关系。

③ 当两台UPS的交流旁路同时工作时，能提供更强的故障清除能力。

④ UPS单机系统可以很容易地被扩展至N+1型直接冗余并机系统。

⑤ 当一台UPS的输入电源发生故障时，另一台UPS的输出电源可对这台出现故障UPS的蓄电池进行充电，从而确保蓄电池永远处于满充状态。

4.“热同步”并机技术

下面以爱克赛公司的PW9315系列UPS为例阐述“热同步”并机技术。由于PW9315系列UPS单机本身的输出电压可精确到380V+0.1V，UPS逆变器电源的相位与市电电源的相位之间的偏差小于1°。当UPS直接并机时，两台UPS均会同时同步跟踪交流旁路电源的频率和相位，由于这两台 UPS的交流旁路电源是公用同一市电电源的，因此，这时的两台UPS的输出电源在电压及相位方面已经非常接近了。但为使各台UPS的相位差尽可能地趋于零，位于并机系统中的UPS还会小幅度地和快速地调整它的输出电源的相位，以使得可能出现在UPS并机系统中的各台UPS之间的输出电流的均流不平衡度尽可能地减小。在理想情况下，均流不平衡度为零，也就是说，从每台UPS单机所输出的电流都完全相等。

为提高调节精度，在这种并机系统中，采用高频度、小步长的调控法，它在1s内对UPS的逆变器电源执行3000次的同步跟踪调节。当在这两台UPS之间出现微小的相位差时，会导致每台UPS所输出的负载电流不相等。此时，位于UPS并机系统中的各台UPS将会通过它们各自的输出电流监测电路来实时监视其实际的输出电流的幅值。当某台UPS发现它的输出电流增大时，它的CPU就会控制自己的输出电源的相位向相反的方向移动，以达到减小负载电流的不平衡度的目的。经过反复的多次调节，就能最终找到一个最小的电流不平衡点，这就是 UPS并机系统的最佳状态同相位调控点。在此需说明的是，采用这种“热同步”并机技术的UPS冗余直接并机系统的均流不平衡度可以达到1.5%～2%以下，而采用其他并机调控技术的冗余并机系统的均流不平衡度一般为5%左右，而对采用被动式并机方案的冗余并机系统而言，其均流不平衡度甚至可能高达8%左右。

5.选择性脱机跳闸调控原理

冗余并机系统的脱机跳闸功能是判断和确认位于并机系统中的某台UPS是否出现故障，并且立即将其自动地从并机系统中脱离出。当UPS并机系统正常工作时，两台UPS的输出具有同频率、同相位和同电压幅值的特性。因此，每台UPS承担1/2的总负载电流，也就是说由每台UPS来均分负载。当用户的负载不变时，可能出现在UPS的输出端的瞬态电压增量ΔU等于0，可能出现的瞬态电流增量ΔI等于0。这样一来，可能出现的瞬态功率增量ΔP等于0。

当负载突然加大时，它在造成UPS输出电流增大（ΔI大于0）的同时，必然会造成输出电压的瞬态降低（ΔU小于0）。在这种情况下，电压的变化值和此时所可能产生的电流的变化值的乘积为负值（ΔI×ΔU小于0）。当负载突然减小时，它在造成UPS输出电流减小（ΔI小于0）的同时，必然会造成输出电压的瞬态升高（ΔU大于0）。显然，此时的电压和电流的变化值的乘积仍然为负值（ΔI×ΔU小于0）。综上所述，当位于UPS并机系统中的各台UPS均处于正常工作状态时，UPS的输出功率增量的瞬态变化量只能为零或负值。反之，当一台UPS出现故障时，该UPS的输出电压在升高或降低的同时，反而会引起它的输出电流发生同样性质的增大或减小，即ΔI×ΔU大于0。例如，如果UPS逆变器出现过压输出故障，它不仅会造成输出电压升高（ΔU大于0），还会造成输出电流增大（ΔI大于0）。逆变器因故出现故障而进入自动关机工作状态时，它在造成输出电压下降（ΔU小于0）的同时，还会造成输出电流减小（ΔI小于0）。由此可见，只要UPS出现故障，UPS的输出功率增量的瞬态变化量永远是正值。这就是说，只有在UPS的逆变器出现故障时，才有可能出现ΔU×ΔI为正值的情况，所以通过分析ΔU×ΔI的正负，就可以判断出位于并机系统中的UPS是否正常工作。一旦发现某台UPS出现故障，在并机控制逻辑电路的调控下，立即采取如下的脱机跳闸处理措施。

① 立即将有故障的UPS执行逆变器自动关机操作。

② 立即将位于有故障的UPS的逆变器的输出通道上的断路器开关置于关断状态。

③ 立即向用户发出UPS并机系统已处于非冗余供电状态的提示性报警信息，以提醒值班人员到现场排除故障。

利用剩下的无故障的UPS继续提供高质量的电源，而不是像UPS单机那样去执行逆变器供电→交流旁路供电的操作，从而将用户的关键性负载置于随时都有可能出问题的由普遍的市电电网来供电的不利局面下运行。

6.“热同步”UPS并机系统

下面以1+1并机系统为例来讨论“热同步”UPS并机系统的调控原理。

（1）正常工作状态

1+1型“热同步”并机系统如图2-27所示。在此条件下，分别来自UPS1和UPS2的具有“三同”特性的高质量的逆变器电源分别经MOB1和MOB2开关柜被送到负载上。每台UPS单机各承担1/2的总负载电流。在实际运行中，按冗余方式运行的1+1型并机供电系统中所可能出现的最大稳态负载电流应该是等于或小于1台UPS单机的额定输出电流。因此，在此条件下，每台UPS的最大负载容量仅为其额定输出功率的50%（位于1+1型并机系统中的每台UPS单机的负载容量最好选为30%～35%UPS的额定输出功率）。运行中如果因故致使 UPS1出现故障，此时，在“热同步”并机技术的调控下，它会自动在将UPS1的逆变器自动关机和将逆变器的输出断路器开关断开的同时，继续把位于UPS1中的静态交流旁路供电通道上的静态开关置于关断状态（在这里，UPS1是按与UPS单机完全不同的工作方式在运行的，当UPS以单机形式工作时，一旦它的逆变器的输出断路器开关被关断，逆变器处于自动关机状态时，它一定会将它的交流旁路静态开关置于导通状态）。这就是所谓的选择性自动脱机操作，它表示UPS并机系统有能力识别出究竟是哪台UPS单机出现故障，并能将出现故障的UPS从并机系统中脱开，从而避免影响并机系统的正常工作。

（2）当输出端出现过载或短路故障时

当UPS输出端出现过载现象时，1+1型冗余并机系统会以下述两种方式来运行。

①当用户端的输出电流的过载量大于1台UPS单机输出功率但小于两台UPS输出功率的总和时，此时的1+1型并机系统尽管可以继续向负载提供高质量的电源。但此时的并机系统将从具有容错功能的冗余工作状态进入没有任何容错功能的非冗余工作状态。遇此情况时，并机系统会向用户发出无冗余的提示性报警（喇叭音响和在液晶显示屏上出现报警信息，对于配置有集中监控功能的电源监控软件的用户来说，还可以执行网络广播报警/电话拨叫等服务）。

② 在1+1型并机UPS系统的运行中，如果出现下述情况之一时，即实际负载容量超过两台UPS的总输出功率时，出现在输出端的短路故障因故没有及时地使相应熔丝动作或配电柜中断路器开关跳闸而有可能危及1+1型并机系统的安全运行时，两台UPS单机同时出现故障时，在“热同步”并机技术的调控下，它会在同步关断UPS1和UPS2的逆变器输出开关的同时，立即将位于两台UPS交流旁路供电通道上的两个静态开关同时置于导通状态。这样一来，市电电源将通过这两条交流旁路供电通道向负载供电，从而可利用市电电网的系统容量来消除可能出现在负载端上的严重过载或短路故障。

（3）当市电出现故障时

在1+1型并机UPS供电系统的运行中，如果遇到市电停电、市电输入电压过高或过低等3种情况之一时，由于UPS中的输入整流滤波器停止工作，1+1型并机系统将在由蓄电池组所提供的直流电源的支持下，经逆变器变换后继续向用户的负载提供高质量的交流电源。在此需要说明的是，此时由UPS所提供的交流电源的频率和相位再也不同步跟踪市电电源。此时UPS逆变器的频率将进入本机振荡输出频率状态，其稳频精度为50Hz±0.01%。

（4）当1台UPS的市电输入发生故障时

在1+1型并机供电系统的运行中，如果因故使UPS1的输入电源发生故障（包括停电、电压过高、电压过低或输入断路器因故跳闸），此时的UPS2继续在市电电源所提供的交流电源的支持下，经双总线输出开关中的MOB2开关向用户的负载提供高质量的电源（此时的UPS2的逆变器电源继续同步跟踪市电源）。此时，UPS1的逆变器由于失去交流旁路同步跟踪信号源，它会在“热同步”并机技术的调控下，从双总线输出开关柜的汇流排上去取得UPS2的输出电源信号，并用这个电源信号来作为UPS1的同步跟踪信号。显然，此时的UPS1的逆变器是处于同步跟踪UPS2的工作状态的。此时的UPS1的逆变器还将从原来的逆变器工作状态进入充电器工作状态。这样一来，位于UPS1中的蓄电池将会从UPS2获得它所需的浮充电流确保它一直处于满充状态，以便万一在UPS2的市电输入电源也出现故障时，位于这种1+1型并机系统中的两套蓄电池组均能满充，而向它们的逆变器提供能源，从而确保并机系统获得足够长的蓄电池后备供电时间。