並聯冗餘UPS系統由兩個或多個單機UPS系統組成，各單機UPS系統的輸出並聯連線到一個公共的配電系統。系統一般按N+1個單機UPS系統配置，其中N個單機UPS系統就足以供給系統全部負載，再增加一個作為備用，稱為N+1並聯冗餘系統。因此，如果只有一個單機系統故障時，N+1並聯冗餘系統仍能正常工作。N+1並聯冗餘系統，與單機系統相比，輸出容量可以擴大，可以增加冗餘功能（N+1並聯冗餘系統不能增加容量，只能增加冗餘）。多台單機UPS並聯也可以只擴容而不增加冗餘，稱為N+0並聯容量系統或N並聯容量系統。
基本介紹
- 中文名：並聯冗餘UPS
- 外文名：Parallel redundant UPS
在並聯冗餘UPS系統中，在正常工作時，所有單機UPS並聯運行，均分負載。如果一個單機UPS故障，或者需要脫離系統進行維護，其餘單機UPS有足夠的容量供給負載，能確保負載供電的不間斷，故不必將負載轉換到旁路電源。
1．並聯冗餘UPS系統構成的條件
並聯冗餘UPS系統構成的基本條件是：
（1）組成並聯冗餘UPS的各單機UPS一般應為同容量、同廠家、同型號的產品。
（2）這些單機UPS必須同步運行才能並聯。即各單機UPS的逆變器的輸出頻率、相位必須相同，而且輸出電壓也必須相同。
（3）各單機UPS之間均分負載。各單機UPS之間無環流。
（4）各單機UPS出現故障時，應能自動脫離負載母線，即具有選擇性單機UPS跳機性能。
2．並聯冗餘UPS系統的同步
（1）同步信號的選擇
一般來說，因為各單機UPS的輸出均同步於其旁路電源，如果各單機UPS的旁路電源是同一個市電電源，各單機UPS就會自然同步運行。但考慮市電停電時各單機UPS將同步於各自內部的晶體振盪器，在這種情況下就不會自然同步了。為了保證在任何情況下各單機UPS都能同步運行和負載均分，常常採用以下同步方法：
1）主從同步。指定其中一台單機UPS為主UPS，其餘的為從UPS。在正常情況下，有市電時主UPS同步於市電，無市電時同步於自己的內部晶振；所有“從UPS”（可編號為1、2、3……）都同步於主UPS。如主UPS故障，1號“從UPS”自動變為主UPS。以此類推，2號、3號……UPS也可為主UPS。
2）無主從同步。即不指定主UPS，任何一個單機UPS都可以為主UPS，也可以為從UPS。一般按開機情況隨機確定主UPS，例如哪一台先啟動完畢，即為主UPS，此主UPS故障時的替代方法同上述方法。
（2）鎖相環同步
為了使單機UPS的逆變器輸出電壓與同步信號（旁路電源電壓）的頻率和相位相同（同步運行），需要一種裝置用於檢測逆變器輸出電壓和旁路電壓電源的相位差，並將它們變為電壓信號去控制逆變器的相位和頻率，使逆變器與旁路電壓同步，這種裝置就是鎖相環。鎖相環是由鑒相器（PD）、低通濾波器（LPF）和壓控振盪器（VCO）組成的。
鑒相器用於比較輸入信號Ui（t）（如旁路電源電壓）和從壓控振盪器反饋回來的輸出信號Uo（t）的相位，鑒相器的輸出為正比於兩個信號的相位差的誤差電壓信號Ud（t）。
低通濾波器用於衰減Ud（t）中的高頻分量和噪聲，提高抗干擾能力，輸出控制電壓Uc（t）。
壓控振盪器是輸出頻率受控制電壓Uc（t）控制的振盪器。當控制電壓Uc（t）=0時，其輸出頻率固定不變，控制電壓Uc（t）≠0時，振盪器的輸出頻率隨控制電壓Uc（t）而變化。
在鎖相環中，如果壓控振盪器的頻率與同步信號的頻率差異在規定的範圍內，鑒相器輸出的誤差信號經低通濾波器後，可控制壓控振盪器的頻率和相位向同步信號靠攏，當壓控振盪器的頻率與同步信號的頻率完全相同，而且相位差達到恆定時，鎖相環進入鎖定狀態。
3．並聯冗餘UPS系統的負載均分
在單機UPS系統中，只要旁路電源可用，逆變器總是與旁路電源同步，因此當逆變器故障時，可以通過靜態開關不間斷地將負載轉換到旁路電源。
在並聯冗餘UPS中，每個單機UPS都與其旁路電源同步，由於各單機UPS的旁路電源是同一個市電電源，各單機UPS就會自然同步運行。但各單機UPS相位還會有微小的變化。為了保證各單機UPS之間均分負載，必須保證各單機UPS輸出電壓的頻率和相位上準確的匹配。為此，通常各單機UPS之間需要通信，進行必要相位調節。
先進的UPS採用無線並聯技術，各單機UPS之間不需要通信。每個單機UPS只需要監視自己的輸出功率，根據輸出功率的變化情況進行調節，保持與其他單機UPS同步運行和負載均分。無線並機的原理是利用並聯的單機UPS之間的相角差與每個單機UPS所承擔負載的關係，進行相位調節的。例如，兩個並聯的單機UPS的輸出波形匹配時，它們將均分負載。如果一個單機UPS波形超前另一個單機UPS，它將承擔較多的負載，而另一個單機UPS承擔比例較小的負載。兩個單機UPS之間的負載分配對兩單機UPS的相角差非常靈敏，1度的相角差將會引起50%的負載不平衡。
在無線並機UPS系統中，每個單機UPS都監視自己的輸出功率，並跟蹤從一個周波到下一個周波輸出功率的變化，兩個相鄰周波的功率差稱為ΔP。如果一個單機UPS的ΔP增加，表明該單機UPS的相角超前於另一個單機UPS，就需要稍微降低其輸出頻率，進行補償。這種頻率調節一般在幾個毫赫茲（milliHertz）的數量級。如果一個單機UPS的ΔP減少，表明該單機UPS的相角滯後於另一個單機UPS，就需要稍微提高其輸出頻率，進行補償。在穩態運行中，各單機UPS的ΔP為零，均不調節它們的輸出頻率。在突加和突減負載時，兩個單機UPS的輸出功率具有同樣的瞬變並進行一次頻率調節（反向或正向調節）。頻率調節量也是在幾個毫赫茲（milliHertz）的數量級。
4．並聯冗餘UPS系統的故障單機UPS的自動跳機
下面介紹無線並機UPS的選擇性單機UPS跳機。當單機UPS故障，不能為負載供電時，它必須脫離負載母線。無線並機UPS的選擇性跳機性能包括如下兩個過程：檢測單機UPS故障和使該單機UPS從負載母線上斷開。
（1）不影響關鍵負載母線電源質量的故障
有些故障不會影響關鍵負載母線的電源質量，例如某單機UPS因其空氣濾清器堵塞引起過溫，因此不能繼續工作，必須從負載母線上斷開，原來由此故障UPS承擔的負載可以由其他UPS承擔。這類故障不會影響關鍵母線的電源質量，故障UPS從關鍵負載母線上斷開的時間也不是非常緊急。
（2）影響關鍵負載母線電源質量的故障
有些單機UPS的故障會影響負載母線，例如逆變器的元件IGBT短路，將會影響其輸出電壓，對負載母線電壓造成嚴重影響。對於這種故障應迅速識別並儘快從關鍵負載母線上斷開。
（3）選擇性跳機的方法
如負載均分的控制方法一樣，每個單機UPS只需要監視自己是否有故障，發現故障後立即從關鍵負載母線上斷開。為了識別單機UPS故障，控制電路檢測UPS輸出電壓和輸出電流相對於當前的輸出電壓和輸出電流數據的變化。每個單機UPS的控制器都存儲最後5個周波的每相輸出電壓和輸出電流波形。將最後5個周波的輸出電壓和輸出電流的平均值（VA和IA）與當前的電壓和電流波形（VN和IN）進行比較，計算電壓和電流的增量△V和△I（△V=IN−IA，△V=VN−VA），然後根據△V´△I乘積的符號確定是否有故障以及是否需要與負載母線脫離。
5．並聯冗餘UPS系統的種類
根據旁路系統的配置情況，並聯冗餘UPS系統可分為集中旁路和分散旁路的並聯冗餘UPS系統。
（1）集中旁路的並聯冗餘UPS系統
集中旁路的並聯冗餘UPS系統的每個單機UPS都沒有靜態旁路和維修旁路。整個並聯冗餘UPS系統配置一個集中的靜態旁路和維修旁路，安裝在一個獨立的並機櫃中。並機櫃為所有的單機UPS提供統一的同步信號和必要的檢測電路，確保各單機UPS同步運行。靜態旁路開關和維修旁路開關的容量應能滿足系統輸出容量的要求，即N+1並聯冗餘UPS系統的旁路開關的容量應大於或等於N台單機UPS的容量。
（2）分散旁路並聯冗餘UPS系統
分散旁路的並聯冗餘UPS系統的每個單機UPS內部都配置靜態旁路開關和維修旁路。不需要並機櫃，各單機UPS可以直接並聯。
分散旁路並聯冗餘UPS系統有正常方式、旁路方式、蓄電池方式、節能系統方式、可變模組管理系統方式5種工作方式。其中節能系統方式和可變模組管理系統方式是考慮提高系統效率和節能而提出的，兩者不能同時運行，根據設定情況，只能運行其中一種方式。
1）正常方式。在正常方式下，市電為每個單機UPS供電，每個單機UPS為負載提供穩定、可靠的交流電。各個單機UPS並聯運行，均分負載。如果市電中斷或超出規定指標，各單機UPS均自動轉換到電池方式，繼續不間斷地為負載供電。市電恢復後，各單機UPS自動返回正常方式。如果各UPS過載或故障，各單機UPS均轉換到旁路方式。當過載或故障清除後，自動轉換到正常方式。
2）旁路方式。在旁路方式下，負載直接由旁路電源（市電）供電。系統的旁路電源是從每個單機UPS的旁路電源經靜態開關引入的。從正常方式轉換到旁路方式的條件是系統過載或負載故障。在N+1並聯冗餘UPS系統中，如果有一個單機UPS故障並脫離供電系統（離線）後，剩餘的單機UPS還能夠支持負載，系統就不轉換到旁路，負載由剩餘的單機UPS供電；如果多個單機UPS離線，負載必須轉換到維修旁路或關機。在N+0並聯冗餘UPS系統（並聯無冗餘UPS）中，如果有1台單機UPS跳閘離線，其餘的UPS均轉旁路。
3）電池方式。市電中斷或指標超出規定容限時，UPS系統將自動轉換為電池方式。在蓄電池方式下，各單機UPS中的蓄電池為逆變器提供應急DC電源，各逆變器繼續運行，不間斷地為負載供電。各單機UPS的逆變器並聯運行，均分負載。如果市電未能恢復，蓄電池將一直放電到逆變器允許的最低輸入電壓等級。此時，每個單機UPS將發出“2分鐘後關機”的告警。如果此時旁路電源可用，系統將轉換到旁路方式而不關機。如果蓄電池放電過程中的任意時間，市電輸入電源恢復可用，系統就轉換到正常方式，原來蓄電池承擔的逆變器的輸入功率逐漸由整流器承擔，同時給蓄電池充電。由於蓄電池再充電需要較大電流，整流器啟動後開始時可能會進入限流工作方式。
4）節能方式（ESS，EnergySaverSystemMode）。節能方式是指市電電源經靜態旁路開關直接為關鍵負載供電。運行在節能方式時，如果市電電源出現異常情況，就自動轉換到正常方式。當旁路電源電壓或頻率超出預定的範圍時，系統就轉換到蓄電池方式，然後轉換到正常方式，由逆變器為負載供電，典型的轉換時間為2ms。從節能方式向正常方式的所有的轉換均先轉換到蓄電池方式，然後再轉換至雙變換方式。當市電受到嚴重干擾時，系統從ESS方式轉換到雙變換方式並要在雙變換方式運行1h（可程式），1h後再回到ESS方式。如果在雙變換方式運行1h周期內，又檢測到市電嚴重干擾，則此1h記時將重新開始。
5）可變模組管理系統方式（VMMS，VariableModuleManagementSystem）。在可變模組管理系統方式下，UPS與傳統的雙變換UPS工作相同。但UPS根據負載的大小，有選擇地將負載移到少數的單機UPS中，以保證單機UPS的負載率較高，效率較高。當一個單機UPS被設定為VMMS方式時，此單機UPS將停止開通逆變器和整流器，但使其輸出接觸器閉合，以保持其輸出電壓與負載母線電壓相同並與之鎖相。在此方式下，此單機UPS監視重要負載母線，並保持其輸入接觸器閉合，在關鍵負載母線出現干擾和有階躍負載時，此單機UPS立即返回運行，為負載供電。在VMMS方式中，單機UPS可用的最大功率被限制到單機UPS額定功率的80%，如果負載超過了此極限，則需增加單機UPS，以承擔增加的負載。在市電嚴重干擾時，UPS將轉換到雙變換正常方式，所有的單機UPS運行1h，此1h終了時，UPS將自動轉換回VMMS方式。如果在此1h內有出現市電嚴重干擾，則1h定時器將重新啟動，UPS再重新開始在正常方式運行1h。
6．並聯冗餘UPS系統的並聯台數
採用並聯冗餘UPS可以得到較高的可用性。一般可採用1+1或N+1並聯冗餘UPS系統。1+1並聯冗餘UPS系統可提供比N+1並聯冗餘UPS更高的可用性，一般用於要求很高的套用中。在需要綜合考慮成本、可靠性和擴容性的場合，可選擇N+1並聯冗餘UPS系統。
N+1並聯冗餘UPS系統的可用性比單機UPS的可用性高。但是，N+1並聯冗餘UPS系統的並聯台數不是越多越好。1+1並聯冗餘UPS系統的可用性最高，隨著並聯台數的增加，N+1並聯冗餘UPS系統的可用性會下降。當並聯台數為大於4（3+1）台時，系統可用性將會急劇下降。在實際套用中，隨著並聯台數（包括蓄電池組）的增加，UPS系統故障率顯著增加；系統的成本和維護量也會增加，維護量的增加意味著人為干預增多，因而增加了系統故障的危險。
7．並聯冗餘UPS的局限性
並聯冗餘是獲得高可靠性和高可用性UPS的重要方法。並聯冗餘UPS可以滿足各種關鍵負載的要求，所以得到了最廣泛的套用，但也有其局限性。
然而，對於單電源輸入的負載，如果為其供電的斷路器故障跳閘，必然會引起這個負載斷電。為此，可以採用靜態轉換開關STS，STS的兩路輸入由兩個分路引入，其中一個優先供電，當此路的斷路器或線路故障時，由STS將負載轉換到另一路供電。轉換時間一般在5ms內，故不會影響負載的工作（一般設備允許瞬間供電中斷的時間是8-20ms）。因此，採取STS的辦法，單電源負載也相當於雙電源負載，一個電源故障時也不會造成負載斷電。所以，一般來說，對單電源負載也沒有問題了。
但是，當並聯冗餘UPS本身出現故障時，就造成關鍵負載的系統故障。在實際套用中，這種故障是時有發生的。
必須指出，並聯冗餘UPS系統（單母線輸出）運行中，絕對不能出現超過20ms的停電或閃斷現象，才能保證負載的安全運行。但是，這是不可能避免的。
在下列情況下常常會導致並聯冗餘UPS系統輸出停電或閃斷故障：
1）UPS的整流器的濾波電容器發生故障（爆炸）。
2）UPS輸出的配電電路發生短路故障。
3）UPS的整流器的SCR發生短路故障，或IGBT燒壞。
4）旁路靜態開關的SCR誤導通。
因此，並聯冗餘UPS系統不是絕對可靠。
