UPS双母线一体化配电解决方案

0    引言

    结合上海某电力系统具体情况,我们做出了艾默生专业机房设备解决方案。该方案展示了最新专业机房系统全貌，为最安全最可靠的UPS并机双母线冗余供电系统。

1    机房配电方案

    根据机房的实际情况，配置情况如图1所示。

图1    双母线一体化配电方案

    配置4台容量为300kVA的Hipulse系列12脉冲整流UPS,每2台（1＋1）带并机柜提供双母线供电，每台UPS配置192节GNB1000AH/2V电池，两台合计384块。双母线合计768块。

    系统1由UPS1－1和UPS1－2两台带并机柜并机。并在旁路柜前增加一台隔离变压器,当UPS转旁路时,消除市电对负载谐波干扰及降低零地电压。两台UPS平时可各带50％负载，当一台UPS有故障时，另一台可带100％负载继续供电。当两台UPS同时有故障时，可经UPS静态旁路开关柜MSS转到旁路供电。

    系统2由UPS2－1和UPS2－2两台带并机柜并机。并也在旁路柜前增加一台隔离变压器。系统2的结构和工作原理同系统1。

    平时，系统1与系统2分别带自己的负载。系统1经UPS1输出柜和静态转换开关600ASTS1带重要PC负载,系统2经UPS2输出柜和静态转换开关600ASTS2带通信设备、电梯照明等负载。当其中一个系统供电母线上的任何设备或电缆需要维护或故障时，其负载可经静态转换开关切换至另一个系统供电。由此，做到了点对点的冗余，极大增加了整个系统的可靠安全性。

    在两套系统的相互切换过程中，为保证二者可以同频率、同相位，艾默生提供一种LBS负载总线同步跟踪控制器。在它的控制管理下，如果UPS供电系统2出现供电故障，具有自动跟踪控制功能的负载总线同步跟踪控制器和静态转换开关会让系统1暂时承担起全部负载的供电任务。在此期间，用户就可对系统2进行脱机检修。

    两套系统分别配外置维修旁路，外置维修旁路由1个空气开关组成。当系统需要维护时，可由该旁路供电。在外置维修旁路柜及UPS系统并机柜的内置维修旁路开关上，各安装有一个CASTELLKEY互锁装置，以保证二者之间的安全正确切换，使逆变器输出和维修旁路永远不会短路。

2    艾默生Hipulse系列UPS特点

    艾默生7000 Hipulse系列UPS产品是艾默生公司在大中型计算机电源设备中的主流产品，其独特的技术可简述如下。

2.1    高可靠性

    衡量一台UPS可靠性高低的重要指标之一是其应具有极强的抗输出过载能力。这意味着，即使因用户投入大负荷或非线性负载而形成瞬态浪涌过载输出局面时，不但应保证UPS逆变器的完好无损，而且还不能出现因逆变器输出过载能力差而转交流旁路供电的局面。这是因为，当UPS在执行逆变器供电→交流旁路供电切换操作的期间，有可能因不稳压的市电电源与具有稳压输出特性的逆变器之间的瞬态电压差过大而损坏UPS。艾默生UPS的典型过载能力，三相工作时110％额定负载为1h，125％额定负载为10min，150％额定负载为1min；单相工作时，200％额定负载为30s。

    当过载量和在该过载量下的持续时间没有超过上述范围时，将一直由逆变器向负载供电。

2.2    具有极强的抗“阶跃性”负载及抗短路能力

    在UPS运行中最严重的情况是输出被短路。由于配置有设计独特的输出限流电路，即使用户因不慎而造成输出短路时，逆变器也不会被损坏。艾默生UPS的典型抗短路能力，在三相工作时，短路电流被限制在160％标称输出电流5s；单相工作时，短路电流被限制在290％标称输出电流5s。

2.3    优越的带三相不平衡负载的能力

    对于三进/三出型UPS来说，即使用在波峰因数(crest raTIo)为3:1的计算机之类的非线性负载时，也能在不降低额定输出功率的条件下，向用户提供失真度<3％～5％的高质量的正弦波电源。此外，由于配置有自适应平衡调整电路，当接100％不平衡负载（一相空载，两相满载）时，也可确保三相相电压差<2％，相位差在120°±1°的范围内。

2.4    高输入功率因数

    由于大量整流滤波型负载（例如：计算机、通信设备、家用电器或一般的UPS）被引入市电而使电网被“污染”，造成大量的高次谐波电流流过整个供电系统，导致中线电流过流及电动机负载异常发热。为解决上述问题，而向用户提供如下技术方案来消除谐波“污染”，确保用户电网的供电质量达到“绿色电源”标准，即在大型UPS中，采用输入滤波及12脉冲整流滤波方案，将输入功率因数从一般UPS的0.8提高到>0.92。

2.5    优异的并机输出特性

    在设计独特的直接并机调控系统中，设有频率母线和电流母线分别精密调控各台UPS对市电的同步跟踪相位关系和均流输出特性。因而，它不仅确保整个UPS供电系统中的每台UPS都能均匀分摊负载电流，而且还能使可能出现在并机系统中的“环流”几乎为零。此外，它还配置了灵敏的“环流监测”电路，时刻监视整个UPS供电系统的工作状态，从而确保这种并机系统具有极高的可靠性（其MTBF可达1×106h数量级）。上述指标是同类机型中的最高水平。

2.6    完善的电池管理系统

    由于采用了“先恒流后恒压”的充电技术及开发了功能强大的“电池监控软件”，从而形成了高性能的电池管理系统。该调控系统具有如下优点：

    ——采用二阶分级调控的电池充电限流技术，确保不会发生过充电现象；

    ——采用微处理器监测技术，根据用户的实际负载量自动调整电池的临界放电电压的阈值，确保不会发生“深度放电”的现象；

    ——利用可编程电池监控软件对蓄电池执行定时的“自诊断”测试，自动实时显示电池充电百分容量及电池的剩余供电时间；

    ——提供具有自动温度补偿功能的电池充电系统；

    ——配有过充保护和自动均充定时控制器。

3    LBS负载母线同步追踪器

3.1    LBS的工作原理

    LBS负载母线同步控制器包括一张装于每台UPS的LBS接口卡，和一只带选择开关的LBS挂墙控制盒。只须从UPS到LBS间采样几个参考信号，而在各UPS之间无须其他逻辑控制，以确保系统得到独立和隔离。

    LBS同时监视两条母线上的UPS输出频率及相位。一旦发现它们超出同步跟踪范围（例如1°，可调）时，LBS激活，内部控制对预先通过LBS选择为MASTER（主机）的UPS继续跟踪市电，而另一条母线上的UPS将通过LBS的控制，对MASTER进行跟踪，当两条母线上的UPS系统同步跟踪5s后，LBS再回到同时跟踪两套UPS频率及相位的工作状态。

3.2    LBS的四大优点

    1）LBS组成的双母线同步跟踪供电系统的可维护性和容错性能得到了进一步的改善    对于双母线供电系统，当需要对某一条输出母线及母线上的开关等进行维护或需要系统增容时，用户可随时将由第一条母线上的配电柜转由第二条母线上UPS供电。这意味着，不停电就可进行负载母线的维护，而单机运行、并机运行、串联热备份运行方式，是无法实现不停电维护的。可见，LBS对于解决“点故障”更为可靠。

    2）LBS是解决真正的“双母线供电系统”最经济最简单的办法    两台UPS及一个LBS就可实现简单又高可靠的冗余供电系统，而完全无需许多用户认为必须的系统控制柜、外置维修旁路柜等设备。对于大型的应用，用户在LBS每条母线端可选用并机冗余UPS系统。

    3）LBS及静态转换开关所组成的系统比串联热备份供电系统更为可靠    这是因为它的冗余，由供电到负载前端的母线，我们称作“点冗余”。利用LBS及静态转换开关，即使对于单输入的负载，也可方便地实现双母线供电的功能。同时，对维护人员而言，减小了因须停电维护而对重要负载造成的危机及损失。还要指出的是，电气独立的配电方式确保第一条母线上的某个负载的故障完全不会影响其他负载。对至关重要的负载设备仍然可由第二套UPS及配电系统连续供电。

    4）LBS系统允许Hipulse系列UPS与另一任何牌子的新的或正在运行的同容量UPS系统共同组成双母线供电系统    设计者可以在一套已有的多机并机UPS系统上，再加一台新的UPS单机实现上述可靠性高的双母线冗余供电系统。这不但节省了投资，而且使至关重要的负载得到了最可靠、利用率最高、最安全的UPS系统供电。

4    STS静态转换开关

4.1    艾默生静态转换开关（STS）概述

    艾默生的静态转换开关（STS）是一种固态的、三极、双位的转换开关，如图2所示。STS设计用来实现两个同步三相交流电源之间进行不间断（<5ms）转换。两路交流电源的幅度、频率和相位差应控制在一定的范围内。STS的主要作用是在一路输入电源发生故障或需要检修、测试时，实现从一路电源到另一路电源之间真正的不间断的转换,禁止接入两路会产生回流的输入电源。STS可以通过控制面板设定其中任意一路输入电源为主电源，另一路输入电源为备用电源。只有在主电源故障或手动复位的情况下，STS才会自动在5ms内从主电源切换到备用电源。STS的两路静态开关是严格互锁的，STS内还装有手动旁路开关，在STS需要检修时，可以手动地将输入电源切换到旁路开关。进行手动转换时可保证输出不间断。

图2    STS内部结构图

4.2    STS的工作模式

    STS的所有的转换都是快速的先断后合，主电源及备用电源之间不会产生冲击电流，所有的转换都在<5ms的时间内完成。

4.2.1    正常工作模式

    在正常工作状态下，主电源处于正常的电压范围内，负载一直连接于主电源。在主电源发生故障时，负载自动切换到备用电源，主电源恢复正常后，负载又自动切换到主电源。

4.2.2    过流抑制模式

    在STS感应的负载电流超过预先设定的过流值时，表示有冲击电流或者过载，这时即使主电源电压超出正常的电压范围，STS也不发生转换。在负载电流恢复到正常值时，过流抑制模式自动复位，STS恢复到正常的工作模式。

4.2.3    手动转换

    在备用电源电压处于正常的电压范围内，且备用电源与主电源间的相位差处于允许的范围内。STS可以手动地在两路电源之间进行切换。

4.2.4    紧急转换

    为了保证负载电源供给不中断，在负载连接的电源中断时，STS将自动在5ms内转换到另一路电源。紧急转换优先任何转换或者抑制。

4.2.5    晶闸管故障

    为了确保正常运行，STS不停地监视晶闸管（SCR）的状态。当供给负载电源的SCR发生短路时，STS将自动报警提示，并迅速打开另一路电源的隔离开关。当有SCR开路时，STS将自动报警，切换先前打开的隔离开关。所有的开路和短路报警都将被锁定，要求系统进行维修并复位到原先的正常工作状态。

4.2.6    维修旁路

    STS装有互锁的维修旁路开关，STS可以通过旁路开关不间断地切换到任一路输入电源，以便于维修。在维修时，STS的输入、输出和旁路的电源接线端子都应被隔离，以便在系统处于旁路时，安全维护STS内的任何组件。

5    结语

    UPS双母线一体化配电方案是艾默生结合了该电力系统的具体情况，在对场地和设施作了全面的考虑后提出的。应用这套方案系统将得到稳定、高效、安全的24h不间断电力支持，堪称最新专业机房系统的典范。