保護性旁路

熟悉模塊化UPS發(fā)展的業(yè)界人士應(yīng)該都了解，模塊化UPS的系統(tǒng)架構(gòu)從開始就有兩條不同的技術(shù)路線：分散旁路和集中旁路。這里從技術(shù)的來源和性能可靠性的對此討論這兩種方案的選擇，希望能給讀者一些啟發(fā)和幫助。

兩種旁路方案的架構(gòu)定義和來源

模塊化UPS，顧名思義，是將大功率的UPS系統(tǒng)，分開成多個子模塊并聯(lián)，通過優(yōu)化的系統(tǒng)控制，實現(xiàn)系統(tǒng)的在線擴容升級、維護，并大幅提高系統(tǒng)的可靠性、可用性和節(jié)能效果，降低客戶的維護成本，近年來已經(jīng)漸漸成為主流客戶的首選。下面以市場上典型的基于10個30kVA功率模塊的300kVA系統(tǒng)來做分析。

1分散旁路架構(gòu)

分散旁路架構(gòu)，即每個功率模塊含有整流、逆變和電池變換等部分以外，還含有與功率模塊容量相等的靜態(tài)旁路，可以認(rèn)為是一臺沒有液晶監(jiān)控的UPS。多個模塊在機柜中并聯(lián)組成系統(tǒng)，模塊間相互關(guān)系類似于傳統(tǒng)多并機UPS系統(tǒng)。系統(tǒng)切換到旁路供電時，負(fù)載由所有功率模塊內(nèi)的分散旁路來并聯(lián)供電。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 分散旁路架構(gòu)圖

2集中旁路架構(gòu)

集中旁路架構(gòu)，系統(tǒng)只有一個與系統(tǒng)容量相等的集中旁路模塊，功率模塊內(nèi)僅包含整流、逆變和電池變換電路，每個部分均由獨立的控制器，模塊間的并聯(lián)不再是傳統(tǒng)的UPS并機系統(tǒng)，而是包含復(fù)雜的逆變均流，旁路控制和監(jiān)控等邏輯。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 集中旁路架構(gòu)圖

3兩種技術(shù)方案的發(fā)展來源

模塊化UPS的概念，最先起源于客戶對系統(tǒng)維修的簡易化的需求，希望能在故障情況下不影響關(guān)鍵業(yè)務(wù)，進(jìn)行簡單的更換操作即可恢復(fù)系統(tǒng)。廠商想到把UPS并機系統(tǒng)設(shè)計成模塊化結(jié)構(gòu)，這也就是分散旁路方案的來源。

分散旁路方案的優(yōu)點是：控制簡單，開發(fā)難度小，僅須將原有的UPS并機系統(tǒng)移植并優(yōu)化監(jiān)控部分即可；機柜成本低；旁路器件因為容量較小，成本也相對較低；靜態(tài)旁路有多路冗余。

集中旁路方案是繼分散旁路之后發(fā)展起來的技術(shù)路線，相比傳統(tǒng)并機UPS系統(tǒng)，從并聯(lián)均流控制、系統(tǒng)邏輯協(xié)調(diào)、容錯能力方面都做了非常大的改動，可以說是一個全新的技術(shù)領(lǐng)域，開發(fā)難度大。

以下的章節(jié)將介紹兩種技術(shù)路線帶來的性能和可靠性方面的差異。

兩種方案的性能差異

靜態(tài)旁路作為UPS供電的最后一道屏障，重要性不言而喻，常見的旁路供電的情況有以下幾種：逆變器故障、逆變器過載或過溫、輸出短路?？梢钥吹?，旁路供電的工況多數(shù)是極端工況，對器件的考核應(yīng)該加倍嚴(yán)酷。

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穩(wěn)態(tài)工況

旁路供電時，集中旁路方案很好理解，只有一個旁路提供全部電流，旁路容量按照系統(tǒng)最大容量來設(shè)計，跟模塊配置數(shù)量無關(guān)，不存在任何問題。

分散旁路方案是由多路小功率靜態(tài)旁路來承擔(dān)負(fù)載，由于旁路回路是低阻回路，多回路的均流沒有辦法用軟件方法來控制，模塊間的均流完全取決于以下幾個因素：

1）個體器件間的差異，主要是導(dǎo)通壓降的差異，器件廠家的分散性不可避免；

2）回路阻抗的差異，主要是各回路線纜的長度無法保證一致，且線纜連接點阻抗因工藝控制等原因無法把握；

一般來說，即使是最樂觀的估計，均流差異都不大可能會小于20%以內(nèi)，也就是說，存在部分模塊電流過大的風(fēng)險，這在嚴(yán)酷的應(yīng)用中是非常危險的。

由于這個不可控的均流能力，部分廠家提出了“解決方案”——旁路均流電感，原理簡單，就是每個旁路回路串聯(lián)一個電感（如圖3所示），利用電感的阻抗來平衡各支路的電流（同樣也是常規(guī)并機系統(tǒng)的方法）。且不說電感量的10%的個體差異，帶來更大的系統(tǒng)損耗，這種方案還會有下面瞬態(tài)性能上不可逾越鴻溝。

圖3 某廠家的旁路均流電感

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瞬態(tài)工況

逆變切換到旁路的工況，基本上是緊急工況，切換時序要求非常高，否則容易造成關(guān)鍵負(fù)載中斷。在大負(fù)載或者是故障電流情況下切換，瞬間的操作電流可能會數(shù)倍于系統(tǒng)額定電流，這也就是為什么靜態(tài)旁路設(shè)計要求更大的余量。

靜態(tài)旁路器件抗瞬態(tài)電流沖擊的主要參數(shù)是I2t，也就是短時間（一般小于10ms）的電流積分，如果I2t過大，器件即很可能燒毀。UPS的性能參數(shù)中，常見規(guī)定的旁路過載能力為1000%維持10ms，也就是在配電開關(guān)保護時間（10ms）內(nèi)旁路需要提供不小于10倍額定電流。下面以300kVA系統(tǒng)為例，分析不同器件的抗沖擊能力的差異。

分散靜態(tài)旁路器件，因為目前技術(shù)能力的原因，器件單體最大電流等級為70A，根據(jù)某著名廠家的器件規(guī)格書，提供的最大I2t為7200A2S（<10ms），300k系統(tǒng)可以認(rèn)為是10路器件并聯(lián)運行。

集中靜態(tài)旁路，用的都是SCR模塊，最主流廠家為德國賽米控（SEMIKRON），我們看看其中一個型號SKKT323/16E的I2t參數(shù)，同樣10ms條件下為450000A2S，兩者之間的相差超過60倍！

而計算一下對于常見的1000%過載10ms的I2t需求，對于300kVA系統(tǒng)而言

也就是說，集中旁路的單個SCR模塊，完全能夠提供超過10倍額定電流的10ms保護能力，而基于分立器件的靜態(tài)旁路，即使不考慮器件不均流，也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的！

瞬態(tài)切換的均流控制，不光與器件、各回路阻抗有關(guān)，也與控制相關(guān)。由于各個模塊有各自的控制器，存在各處理器的處理速度、通信延時和模塊自身差異等因素影響，各模塊的實際切換動作一定有不等的延時，這就導(dǎo)致了第一個切到旁路的模塊，很可能承受著100倍于模塊容量的額定電流！由于是瞬態(tài)大電流，即使串聯(lián)旁路均流電感也不會起到任何限流作用。這對于任何器件來說都是不可能完成的任務(wù)，這種切換無異于原地爆炸。短路故障電流的示意圖如圖4所示。

圖4短路故障電流示意圖

當(dāng)然，分散旁路的廠家也深知這個道理，也提供了相應(yīng)的“解決方案”，就是：短路情況下只有逆變維持200ms，然后不切旁路，直接關(guān)機！

以下來解釋一下，10倍額定電流的工況常見于輸出短路工況，當(dāng)逆變器不能提供足夠的分?jǐn)喙收系碾娏鳎ㄍǔ?倍額定維持200ms）的情況下，系統(tǒng)將切換到旁路供電，用旁路的低阻抗大電流去沖開短路點的保護器件（開關(guān)或熔斷器），這是配電設(shè)計里必須考慮的，如果是正確設(shè)計的配電系統(tǒng)，各分路的保護設(shè)計不應(yīng)該產(chǎn)生越級保護，即下游的故障不應(yīng)該導(dǎo)致上游的開關(guān)動作，系統(tǒng)最壞的情況就是切換到旁路，然后利用旁路強大的過載能力沖開下游的保護器件，這就是旁路抗沖擊要求的來源。

使用分散旁路的系統(tǒng)，如果強行切換到旁路，由于抗沖擊能力的不足和非同步的切換，毫無疑問將會導(dǎo)致器件損壞，系統(tǒng)宕機，所以廠家設(shè)計就只能禁止切換到旁路。可以想象在一個復(fù)雜的機房或者工廠內(nèi)，只要有一個分支發(fā)生短路故障，后果就是整個系統(tǒng)束手就擒！這在實際應(yīng)用中是無論如何不能接受的，但這同時是分散旁路無法解決的固有問題。

系統(tǒng)可靠性分析

分散旁路尚可宣稱的優(yōu)點就是旁路冗余，集中旁路被認(rèn)為是存在單一故障點，下面我們來分析一下。

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從器件選型的角度上分析

從器件選型的角度上來說，單個大功率SCR的可靠性遠(yuǎn)高于數(shù)量眾多的小型器件組成的系統(tǒng)，集中旁路模塊功能簡單，僅需要考慮器件和少量外圍驅(qū)動電路的影響，而分散旁路因為是分布在功率模塊內(nèi)，同時受模塊內(nèi)部眾多器件的影響。

有維修經(jīng)驗的工程人員都知道，整流、逆變電路的故障都有可能因為火花飛濺等原因造成其他部分電路的故障，也就是說靜態(tài)旁路面臨了較多的不確定風(fēng)險。如果說集中旁路是單一故障的話，分散旁路可能要被稱為“多點故障”了。

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從系統(tǒng)容量角度上分析

從系統(tǒng)容量角度上來說，集中旁路的容量按照機柜設(shè)計，與配置的模塊數(shù)量無關(guān)。而分散旁路的靜態(tài)旁路容量由模塊容量決定，也就是說，當(dāng)模塊故障時，系統(tǒng)將會失去相應(yīng)的靜態(tài)旁路容量。一個比較極端的例子，當(dāng)機柜配置2個功率模塊時，如果負(fù)載率是55%左右，當(dāng)一個模塊故障時，剩余的一個模塊則會處于110%過載的工況，最終的結(jié)果就是系統(tǒng)掉電。同樣工況對于集中旁路來說，完全不是問題。

集中旁路模塊因為器件容量的優(yōu)勢，甚至有些廠家提供125%長期過載的能力，這對系統(tǒng)可靠性來說有絕對的保障。

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集中旁路的可靠性設(shè)計分析

集中旁路的可靠性設(shè)計，眾多主流廠家也提出了很多提升可靠性的方案，比如冗余備份的控制回路方案，通信總線冗余的方案，功率模塊和旁路模塊控制解耦方案，功率模塊參與旁路控制方案，每個廠家的解決方案各有特色，經(jīng)過多年的市場驗證，能夠大大提升系統(tǒng)的可用性，加上旁路模塊普遍的熱插拔設(shè)計，維修升級與功率模塊一樣簡便。

總結(jié)

END

過以上的分析，希望可以讓大家能夠進(jìn)一步了解到兩種方案的系統(tǒng)綜合性能和產(chǎn)品可靠性的差異。

技術(shù)流派的爭論和路線選擇是產(chǎn)品開發(fā)的正常現(xiàn)象，對于用戶來說，正確了解各路線的利弊是至關(guān)重要的，兼聽則明，可以避免陷入營銷概念的誤區(qū)。然而，對于生產(chǎn)廠家而言，技術(shù)路線的選擇意義重大，一旦路線確定，產(chǎn)品開發(fā)將無法中途轉(zhuǎn)變，后續(xù)產(chǎn)品系列也必將延續(xù)，這就是為何無論業(yè)界如何發(fā)展，分散旁路的廠家仍然無法轉(zhuǎn)向另一陣營。