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空管机房UPS单机及“1＋N”并机系统分析

发表时间：2021/9/6 来源：《中国科技信息》2021年9月下作者：戴焕昌

[导读] 随着全国民航业的高速发展，空管机房等重要的空中交通管理设备机房越来越多。UPS在空管设备机房中的应用越来越广泛,机房维护人员越来越关注UPS的单机及“1+N”并机系统如何工作及维护。

中国民用航空中南地区空中交通管理局湖南分局戴焕昌

摘要：随着全国民航业的高速发展，空管机房等重要的空中交通管理设备机房越来越多。UPS在空管设备机房中的应用越来越广泛,机房维护人员越来越关注UPS的单机及“1+N”并机系统如何工作及维护。本文从常见的UPS的单机及“1+N”并机系统为例,重点介绍了空管机房常用的几种UPS配置类型,对其供电系统的工作原理及维护要求进行分析,为空管机房的UPS供电相关建设及维护提供参考。
关键词：UPS单机；“1+N”并机系统
        1引言
        近年来，经过不断的空管机房建设，形成了比较完善的通信、导航、情报及气象设备机房。这其中很多机房中运用了UPS的单机及“1+N”并机系统，提高了通信、导航、情报及气象设备的保障水平。本文将分析UPS的单机及“1+N”并机系统的工作原理及其在空管中机房中的应用。
        2.UPS单机工作原理
        应用在空管机房中UPS单机一般采用 AC-DC-AC变换器，工作原理如图 1。

        图1 单机工作原理框图
        UPS第一级变换（AC-DC）采用SCR三相全控桥式整流器，把三相交流输入电压变换成稳定的直流母线电压。整流器同时兼充电器功能，并采用先进的温度补偿技术，可以有效延长电池使用寿命。逆变器主功率采用大功率绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为其逆变元件，控制上采用了空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，把直流母线电压逆变回交流电压。市电正常时，整流器和逆变器同时工作，给负载供电的同时对电池进行充电。当市电异常时，整流器停止工作，转由电池经逆变器向负载供电；若电池电压下降到放电终止电压，而市电还未恢复正常，UPS将关机，如果主旁不同源且旁路正常，系统转由旁路供电。市电异常，电池维持UPS工作，直至电池电压降到电池放电终止电压而关机的时间，被称作“后备时间”。后备时间的长短取决于电池的容量和所带负载的大小。
        2.1UPS旁路原理
        UPS通过包含可控电子开关电路的“静态开关”模块（如图2所示）的智能控制，使负载既可以由逆变器供电也可以由旁路电源来供电。

        图2 UPS电源开关配置
        在正常情况下，负载由逆变器供电，此时逆变器侧的静态开关闭合；当出现过载（过载时间到）或逆变器故障时，“静态开关”模块自动将负载切换到旁路电源侧。在正常运行状态下，要实现逆变器与旁路电源间无间断切换，必须控制逆变器输出与旁路电源完全同步。鉴于此，当旁路电源频率在同步范围内时，逆变器控制电路总是使逆变输出频率跟踪旁路电源频率。UPS还设置了手动维修旁路开关，用于UPS因维护而需要关机的情况，由旁路电源通过手动维修旁路开关直接给重要负载供电。但是当负载由旁路或维修旁路供电时，供电不能得到相应的保证。
        2.2UPS系统控制原理
        正常运行时UPS处于正常运行状态，即UPS输入市电正常，整流器和逆变器均正常工作，负载由逆变器供电，电池开关闭合且电池在直流母线电压下处于稳定的浮充状态。 “1 ＋N ”并机UPS系统中由于并机系统中各UPS单机的输出必须并联在一起，所以系统会检查各逆变器控制电路是否同步，以及与旁路的频率及相位是否完全吻合，同时还要保证它们各自的输出电压基本完全相同。负载的供电电流自动由各UPS单机均衡承担。在同步过程中，UPS系统会显示相应的警告信息。在以上条件得到满足的情况下，单机的静态开关才能闭合。
        市电异常时，如市电停电或不正常，整流器将自动停止工作，系统转由电池逆变输出，电池逆变时间的长短取决于负载的大小及电池的容量。在此期间，如市电仍未恢复正常，逆变器将自动停止工作，UPS的操作控制显示面板将显示相应告警信息。市电的中断和恢复都不会中断对负载的供电。当市电在允许的时间内恢复正常时，整流器将自动启动，此时其输出功率逐渐增加，重新给负载供电并对电池进行充电，因此负载的供电不会中断。
        如需将电池从UPS系统脱离以备维修，可通过外部隔离开关将电池分离。此时，除不能具备市电停电时的电池后备功能以外，UPS的其它功能及规定的所有稳态性能指标均不受影响。
        2.3UPS故障影响
        UPS单机故障时如出现逆变器故障，负载自动转由旁路供电，输出电源不会中断。这种情况下，可以联系UPS当地服务中心寻求支持。“1＋N”UPS并机系统故障时，如并机系统中的某个单机发生故障，该单机将自动将退出并机系统。如系统中剩余的单机仍能满足负载的供电要求，系统将继续给负载供电，负载电源不中断。如果剩余的单机不再能够满足负载的供电要求，负载将自动被切换到旁路市电。
        UPS单机及“1＋N”并机系统过载时，如逆变器输出过载且超出所规定的时间或电流指标范围，逆变器将关闭，负载将自动转由旁路供电，负载电源不中断。如过载降到所规定的时间或电流指标范围内，并机系统能够满足供电要求时，负载将被切换回逆变器供电。如遇输出短路，负载将被切换到旁路，逆变器关闭。此切换首先是由系统所使用的保护器件的特性所决定的。以上两种情况，UPS 操作控制显示面板都会提供告警信息显示。“1＋N”UPS并机系统控制逻辑系统持续对负载的供电要求进行监测，并对UPS各单机的供电进行控制。如过载时间超过设定值，系统不能满足负载供电要求时，负载将切换到旁路电源。当负载值下降到系统能够满足负载供电要求时，负载将切换回逆变供电。
        3“1＋N”并机系统原理
        “1＋N”UPS并机系统最多可由N台容量相同的同型号UPS单机直接并联组成，无需统一的静态旁路。当系统切换到旁路供电状态时，各UPS单机的旁路静态开关均分负载。从电源的角度看，并机系统中各单机内部配置与普通单机配置完全相同。并机控制信号对系统均流、同步以及旁路切换等进行管理。控制信号由并机电缆连接，并机电缆使用多芯电缆连接在系统的各单机之间，形成环形。当并机系统由3个或更多单机并联组成时，建议在静态旁路上串连旁路均流电感。“1＋N”并机系统原理如下图3所示。

        图 3 “1＋N”并机系统原理框图
        4结论
        通过上面的比较和分析，可以比较清晰的看出，采用“1＋N”UPS并机系统后，将进一步提高UPS供电系统的可靠性。因地制宜，对于导航台机房可以采用UPS单机即可满足要求，“1＋N”UPS并机系统则为电源负载均提供了足够的供电安全可靠性保障，对电源负载和单电源数据设备混杂的空管设备机房非常合适。
参考文献:
[1] 张乃国. UPS供电系统应用手册[M].北京:电子工业出版社，2003.