2.2.2 UPS的并联连接

提高UPS供电系统可靠性的另一个方法就是并联连接，但是UPS的并联连接并不像热备份连接那么容易。因为所有UPS的输出阻抗不可能一样，加之各逆变器的输出电压和市电电压锁相都具有正负误差，则各个UPS的电压既有相位差又有幅值差，所以用普通UPS直接并联是危险的，只有具备并联功能的UPS才能并联。

1.并联条件

从一般原理上讲，普通在线式UPS都可直接并联，但应说明的一点是，这些UPS必须由同一路市电供电。在这种情况下，因为 UPS的逆变器永远在跟踪旁路市电，由于这些UPS都在跟踪同一路市电，也就相当于互相在相位上跟踪，这些UPS在频率和相位上都是一致的，所以可以并联。但这种并联是不安全的，这有以下两个原因。

① 虽然它们都在频率和相位上跟踪旁路，但在相位上有超前和滞后之分，一般大容量UPS的相位跟踪在±3°，如果这两台并联的UPS一个是+3°，一个是-3°，那么两台UPS并联后就有可能在相位上差了6°，这就有可能使输出电压相差30V，这将会在UPS输出端造成很大的环流，使逆变器因过载而烧毁。

② 虽然使用的是同型号、同规格的UPS，但由于逆变参数和变压器参数的微小差异会导致输出电压不一样，这也将会在UPS输出端造成很大的环流，使逆变器因过载而烧毁。

以上两方面的差异都会导致输出电压的不一致，一方面形成环流，另一方面各相负载输送的电流也不一样，很可能出现1台过载的情况。以上两个指标虽然可以通过一次调整而达到基本一致，但随着UPS工作温度和时间的变化，这种平衡很快就会失去。可以这样说，不加任何措施的几台UPS并联，其可靠性不一定比单台UPS高，甚至还要低。

2.并联连接的方式

UPS并联连接的优点在于它不但可以提高可靠性，而且过载、动态性能比热备份连接要好得多，并且可以增容。并联连接的方式有下述几种。

① 主从式并联系统。并联系统中有一台UPS为主机，其他为从机。

② 无主从并联系统。系统中任一台UPS既是主机又是从机，哪一台UPS先开机它就是主机。

③ 限流并联系统。把系统中所有UPS的输出并联连接，但每台UPS必须有可靠的限流功能，即不论在什么情况下都可保证把该UPS的输出功率限制在其额定值内，它仅限于单相电源。

UPS并联连接的目的是提高UPS供电系统的可靠性，增大UPS系统的容量。而并联连接要解决的关键问题是处于并机状态的各台UPS的逆变器，应在同时同步跟踪交流旁路电源的条件下，满足同幅度、同频率和同相位，以达到均分负载和环流为零的要求。

由于UPS输出阻抗存在差异，加之逆变器输出电压和市电电压的误差，且各台UPS之间的电压存在相位差和幅值差，所以，UPS并联技术实现难度和风险都比较大，一般仅在大功率应用场合才会采用该技术。UPS并联连接必须注意以下事项。

① 保证各台UPS相位和幅值相同，使各台UPS之间不出现破坏性环流，系统中并联的UPS越多，出现环流的概率也越大，系统带负载能力及可靠性也就越差。

② 当并联UPS系统中任一台出现故障时，不能将负载单独转为旁路，而是将负载分摊到与其并联的其他UPS上，从而对其他UPS造成冲击或过载，影响系统工作的可靠性。只有当并联系统中所有UPS的逆变器都停止工作时，才集体转到旁路上。需要指出一个理解误区，即理解为并联就是简单的相加，两台10kVA的UPS并联，最大可带20kVA的负载，现在带上14kVA的负载应该可以。其实不然，因为只要其中的一台UPS发生故障，14kVA的负载将被强行加在另一台UPS上，这对UPS的工作性能非常不利，不可长期工作，最终还是转为旁路供电，从而降低了系统的可靠性。因此，如果系统要求N+1冗余（N＞1），那么可以使用冗余并联，而对于1+1冗余，其可靠性与选择热备份连接基本一致。

③ 为了保证并联连接工作正常，必须在原UPS的基础上增加并联柜、并联板和并联静态开关等，这必然会增加投资。有些厂家的产品还需要现场调试，在使用过程中增减UPS时，必须重新调试并联均流问题，增加了维护难度，提高了成本。

并联技术的优点在于其动态性能好、扩容方便等，组建大容量系统时，一般都采用并联技术。如果将可靠性进行量化的话，热备份连接的UPS系统比单机系统高出两个数量级，而并联连接的UPS系统又比热备份连接的UPS系统高出两个数量级。并联连接的UPS供电系统不但可靠性提高了，而且带负载能力也加强了。因为是并联方式的连接，在两台UPS系统中，就具有两倍的带负载能力，所以在冗余的情况下，系统的过载和耐冲击能力比热备份连接的UPS系统强得多；在非冗余的情况下，它的并联可以增容，这也是热备份连接技术所不能实现的。随着并联台数的增加，其可靠性也相应提高，但是并联台数也不能无限增加，因并联台数超过一定时系统的可靠性反而降低。UPS冗余并联的主要指标和功能如下。

① UPS并联的主要指标是电流均分，即当N台UPS并联工作时，并联系统每一台UPS的输出电流均为1/N负载电流，当然100%的一致是困难的，但差异要限制在一定范围内（一般小于2%）。

② 冗余并联的UPS系统，当其中一台出现故障时，不能像单台UPS工作那样立即转旁路。而是由其他UPS逆变器继续供电。

③ 当负载功率小到由一台UPS供电尚有足够余量时，为了节能，应关闭几台UPS。例如，6台600kVA的UPS并联，每台UPS空载运行功耗不低于5kW，节假日或夜间当负载容量减到300kVA时，这时应运行1台最多两台UPS，停运其他4台以减小能耗。V-SPEED的IM系列UPS，在负载容量小于UPS额定容量的20%时，该UPS在节能软件的控制下自动关机休眠，当负载容量升到25%以上时，UPS又被唤醒。

④ 并联UPS系统往往有自己单独的机房，为了监控方便，除了在一台UPS的面板上可进行全系统监控外，往往需要远程监控，一个远程监控面板，即相当于将UPS上的面板移到值班室，或者通过RS232接口将信号引到计算机上进行监控，而这种远程监控信号只能由并联系统中的一台UPS取出。

⑤ 由V-SPEEDIMUPS构成的冗余并联系统，若并联的6台UPS的逆变器和5个旁路开关控制板均失效，则仅剩的1个旁路开关控制板，仍可控制6个静态旁路开关正常工作。专用并联UPS比普通UPS加并联措施后构成的冗余并联系统在功能上有很大提高，在监控项目上也有所增加。

并联UPS系统虽然比热备份连接的UPS系统有更多的优越性，但其控制技术要比热备份连接的UPS系统复杂得多。因为在多台UPS并联时，其中最重要的指标就是电流均分。这个指标就限制了并联台数的增加。目前，可以看到各个品牌UPS实现并机的台数也不完全一样。例如，Fenton系列的UPS可高达6台并联；IMVSitepro系列500kVA以下的UPS可4台并联，500kVA及以上的UPS可6台并联；Siemens系列500kVA以下的UPS可4台并联， 500kVA及以上的UPS可8台并联；三菱系列的UPS可8台并联；Silcon系列的UPS的并联台数达到了9台。一般来说，当功率在500kVA以下时，并联台数被限制在4台以内的居多。

并联不一定是冗余的，并不是所有并联UPS系统都具有冗余的功能。并联的概念是增容，而冗余的概念则是可靠性。例如，两台50kVA的UPS并联给80kVA负载供电，只能说这两台UPS是实现了并联，但若其中任一台因故障而关机，则余下的另一台也会因过载而转入旁路供电；然而如果负载为40kVA，那么一台50kVA的UPS因故障而关机后，负载并没有被转换到这台UPS的旁路上去，而是由另一台UPS继续供电，这就是实现了冗余。也就是说，当一个UPS并联系统中的一台或几台UPS发生故障时，余下的UPS仍能向负载正常供电，那么这个系统就是冗余系统。因此，并联是实现冗余的必要手段而并不一定就是冗余。在谈到这个问题时，可先了解什么是UPS系统的冗余度。

UPS系统冗余度的表达式为N+X。式中，N的含义是并联系统中UPS单机的总台数；X的含义是并联系统中允许同时出故障的UPS单机台数。例如，在5台UPS并联系统中，允许其中两台同时出故障，那么这个系统的冗余度就是5+2。

UPS全冗余并联系统是近年来才提出来的概念，它是对不全冗余的并联UPS系统而言的。所谓UPS全冗余并联系统，是指在UPS并联系统中的所有UPS单机既是组合后的有机整体，分开后又各自独立；在全冗余并联系统中，任一部分发生故障都不会影响整个系统的正常运行，而且也不会留下任何隐患，如果是不全冗余的并联UPS系统就存在这些问题。

最初的UPS并联仅限于增容和可靠性的提高，随着技术的发展和要求的提高，并联系统的功能也在不断增加，甚至涉及电能的节约等问题。例如，SilconUPS的软件可以在轻载的情况下“关掉”并联系统中的一台或几台UPS，从而节约能量，等负载功率增加到一定值时，被“关掉”的UPS又及时自动启动供电。此外，有些UPS还可以将多台并联的UPS系统编组运行。例如9台UPS并联，在容量允许的情况下编成3组分时运行，可以第1周由第1组供电，第2周由第2组供电，第3周由第3组供电，第4周又由第1组供电……这样循环供电的好处在于不但UPS得到了轮休，蓄电池也得到了轮流充、放电，提高了蓄电池的可靠性，而且也得到了轮流检修和保养的机会，有效地提高了系统的可靠性。

3.并联控制技术

由于采用的UPS特性和应用环境不同，并联控制技术在不同的制造厂家也各有不同，主要有以下3种。

（1）利用数字电压信号通信

在并联系统的各台UPS之间利用高速通信线连接，每台UPS都对其负载电流进行实时测量，然后将其本身的输出电流调整到总负载电流的1/N，目前这种方法应用最为普遍。

（2）光纤通信

为了增强传输信号的抗干扰能力和实现较远距离的并联系统，采用光缆传输是一种最可靠的方法，在远距离并机中更有明显的优越性。

（3）无线并机

这是一种采取自我调整的方法来达到电流均分目的的技术。无线并机又分为下垂法和T型连接法，分别如图2-2和图2-3所示。

利用数字电压信号通信和光纤通信两种方法可使并联UPS数量达到4～9台。

多台UPS并联时，通常的做法是将并联控制信号线从一台UPS接到另一台UPS，一直连到最后一台UPS，如图2-4（a）所示。这种连接方式有一个不足之处是，万一控制信号线中有一条断开或接触不良，就会影响整个并联系统的正常运行。为了提高可靠性，有的机器就又加了一条冗余线缆，如图2-4（a）中的点线所示。采用Sitepro系列UPS构成并联系统的方式是将并联控制信号线仍照以上方式从一台UPS接到另一台UPS，一直连到最后一台UPS，但这时的连接并未结束，再用一条信号线将第一台UPS与最后一台UPS连接起来，形成环形控制，如图2-4（b）所示。系统在运行中即使有一条信号线断开或接触不良，组成系统的所有UPS仍在统一的控制下工作，从而提高了系统的可靠性。

4.初级并联方式

由于一般UPS控制系统多为模拟反馈电路，其输出参数及特性随温度、元器件参数及元器件的老化而漂移，同时由于各台UPS一致性较差，所以这种类型的UPS无法直接并联。为了提高供电系统可靠性，当需要将UPS并联使用时，为确保各台并联UPS之间输出参数的一致性，达到同步运行的目的，需要增加一个并联柜，即在原基础上增加一些检测环节。同时为达到并联UPS转换的一致性，必须将原有的各静态旁路开关拆除，公用一组静态旁路开关。这就是UPS初级并联方式。

UPS初级并联方式如图2-5所示。这是几台（一般两台）UPS公用一组静态旁路开关，同时增加并联柜以平衡负载电流的方式实现并联。采用本方式的目的是为解决上述多机冗余UPS配置方式中所出现的位于交流旁路上静态开关不均流的问题。它用一个专门的并联柜，位于该并联柜内的并机逻辑板可利用它的母线频率、母线电流调控电路来实现各台UPS单机逆变器的输出总是处于同相位、同频率和均流向负载供电的良好运行状态。当UPS供电系统万一出现故障时，系统将从逆变器电源供电转为交流旁路供电，市电电源是经位于并联柜中的一组交流旁路静态开关（对三相UPS来说，共有3组交流旁路静态开关）来向负载供电，而不会出现由N组交流旁路静态开关同时向负载供电而产生不均流的问题。按目前的技术水平，可将6～8台大型UPS进行并机运行。采用并联柜的UPS初级并联方式虽然比单台或串联热备份方式在可靠性等方面有较大的提高，但存在以下弱点。

① 由于这种方式仅有一组静态开关，没有冗余备份，当静态开关本身出现问题时，整个供电系统就不能够正常输出，造成输出中断。

② 当平衡检测环节（即并联柜）出现故障时，各台UPS间有可能产生环流而造成逆变器烧毁。

③ 当负载为非线性负载，尤其是为峰值系数较差的负载时，因各台UPS内部反馈系统参数瞬间调整，彼此互相没有关联而造成UPS动态一致性较差，所以会短时出现很大的环流，有可能造成逆变器烧毁。

由于采用并联柜的方式不但投资大而且笨重，为此UPS厂家在普通UPS中增加了接口，平时可作一般UPS单机用，当需要并联时就加上并联板，经调整后就可实现并联。在普通UPS中加并联接口的设计思想不失为一举两得的做法，但带来了一些不便。例如，6台UPS并联要在6台UPS中加装并联板，要到6台UPS的面板上去观察每台UPS的状态和参数，若修改某一参数，则要到6台UPS上分别去进行等。因此，瑞士V-SPEED公司推出了IM系列并联专用UPS（SiteproP系列），又将UPS的并联技术向前推进了一步。这使UPS并联变得非常简单，只需要把几台并联UPS的输出线缆连接到一起，信号总线插头插到每一台UPS的相应位置，在一个面板上可以看到并联系统中每一台UPS的工作状态，也可在一台UPS的面板上控制系统中的每一台UPS，修改它们的参数等。采用并联专用UPS来实现并联系统比采用通用UPS具有优越性。

5.高级并联方式

UPS高级并联如图2-6所示。此种方式无任何独立部件，全部冗余并联，实现了真正冗余并联，且在此系统中不需要额外附加并联柜，可靠性极高，是目前并联技术的发展趋势。由于采用冗余并联，负载分配均匀，设备利用率很高。

UPS高级并联方式，是由并联通信板实现的，工作方式相当于计算机的并行工作原理。其中一台主机为导航UPS，假设为1#机。整个并联系统由导航UPS （1#机）发出脉冲控制所有并联UPS的工作（最多可并联6台），这时各台UPS的相应元器件相当于并联工作，UPS单机的逆变器输出端直接并联起来运行，共同向负载供电而不必另附加并联柜。

UPS高级并联方式与初级并联方式不同的是UPS的逆变器的同步跟踪方式不同。对于UPS高级并联方式，产品在出厂时将其中的一台UPS单机指定为

具有优先跟踪市电电源的导航UPS，然后让处于并联系统中的其他UPS的逆变器跟踪导航UPS的逆变器电源而不是去直接跟踪市电电源。当导航UPS（1#机）出现故障或未开机时， 2#机自动升为导航UPS，控制其他UPS，在1#机恢复正常后，又由其进行控制；而当其他UPS出现故障时，故障机便自动退出。这种连接方式的优点是所有UPS均由一台UPS的控制信号所控制，这样既可保证各台UPS间输出参数及动态特性完全一致，又彻底解决了初级并联方式不可避免的内部环流问题，以及静态旁路开通和跟踪一致性的问题。

由于这种并联通信工作方式具有连接简单、可靠性高、动态性好等优点，已开始被广泛采用；但是此并联方式对UPS自身技术要求较高，有些UPS很难采用这种技术。

6.并联台数

目前，一般要求并联系统的容量大多在10kVA以上，小容量的UPS系统为了提高可靠性一般都采取热备份连接方式。而大容量UPS并联的数量在目前一般不超过6台。UPS的并联数量并不是越多越可靠，在实际应用的UPS并联系统中，单输出均流这一个指标就带来好多问题。在三相UPS中，若要做到均流，则就必须保证并联的各台UPS的对应相电压和相位保持一个最小值。并联台数越多，越不易达到一致，即使当时达到了一致，随着时间的推移、温度的变化，尘埃的侵入、元器件的老化、冷却系统造成的振动及湿度和腐蚀性气体的破坏等因素都时刻在破坏着这种平衡，尽管有测量和调整系统，但测量环节的参数也在遭受着上述因素的侵扰，所以这些因素限制了并联UPS台数的增加。当并联台数达到一定数量后，可靠性开始降低，这就是从量变到质变。单从理论推导出来的结论是在一定的理想条件下做出的，它和实际一直在变化着的情况是有距离的。高可靠性的UPS主机的MTBF很长，可达到20万小时以上，而且当采用冗余并机工作方式时具有容错冗余和扩容双重功能。其MTBF比单机的MTBF延长了许多倍。UPS的并联方式的负载率和可靠性如表2-1所示。

从表2-1可以得出下列结论。

① UPS并联系统能显著延长单机的MTBF，也就是提高其可靠性。

②当并联台数增加时，虽然提高了UPS系统的利用率，但也降低了并联系统的可靠性。

③ 并联台数应根据对冗余系统的可靠性要求及输出功率的利用率来考虑。

7.冗余并联UPS的性能价格比

所谓冗余并联UPS的性能价格比，是指在UPS性能相同时的价格比，这是一个综合指标，或者是性能不一样，但UPS的价格也不一样时的比较。如果有一台80kVA的负载设备，那么是配一台100kVA的单机UPS还是配100台1kVA的UPS构成的系统？一台100kVA的UPS不到50万元，而采用100台1kVA的UPS并联再加并联附件后的价格远大于50万元，肯定在价格上没有优势；100台1kVA的UPS的故障率远大于一台100kVA的UPS，尽管有20%的冗余，虽然发生故障不会影响负载的运行，但由此给用户带来的维护工作量也是可观的，更何况一般大容量UPS的结构完善，本身的可靠性就高于小容量UPS。对此需要进行综合比较，才能针对性能价格比下一个适当的结论。

8.N+X自冗余

UPS的冗余并联供电方案可提高对负载供电的可靠性，但实现这样并联功能需要提高系统成本，这就导致功率在10kVA以下的系统在价格与可靠性问题上陷入困境。NCSMPETRA自冗余UPS结构的推出就有效地解决了上述的矛盾。SYMMETRA自冗余UPS基本结构原理方框图如图2-7所示，其基本单元是4kVA。该UPS是一个N+X自冗余系统，其中的N就是并联功率模块总数，其中的X就是在并联系统中允许出故障的模块数。

瑞士IMEL公司采用2kVA和3kVA的基本模块构成2kVA、3kVA、6kVA和9kVA模块式UPS。在一个机壳中用3个3kVA模块和蓄电池模块构成9kVA的UPS，如果取掉一个UPS模块而用蓄电池模块填入此处就可构成6kVA的UPS。当然这种并联不具备真正意义的冗余并联概念。但它毕竟有冗余并联的功能。它虽然没有电流均分功能，但每个模块却有限流的功能，这样就不怕电流不均分，充其量并联系统中有的UPS满载工作，有的甚至空载工作，但可以保证所有模块都不过载。像这种模块式的结构，其构成数量也不应过多，目前都不超过4块。集中在一个机壳内的许多模块由于负载不平衡，其各模块发热也不平均，很容易形成热集中点，再加上前后左右的相互烘烤，热量不容易散发出去，形成热累积，这是系统热故障的隐患。