UPS电源远距离并机技术在大型船舶上的应用

    通常UPS并机时系统内部各个UPS之间采用CAN通信方式。这种通信方式优点较多,比如实时性高,受干扰概率小,传输可靠性高,可以自动隔离故障的UPS通信节点,对于一些典型的应用场合如数据中心机房,UPS紧凑摆放构建的并机系统中,使用这种通信连接方式,可靠性和稳定性都能得到很好的保障。但是对于一些特殊的应用场合,比如在大型工地、大型轮船上的应用,UPS之间的摆放距离可能超过100米,这样会导致某一波特率下的信号传输可靠性不够,容易产生由于并机系统通信异常导致的供电故障并造成一些不必要的损失。

一、实际案例分析
　　
　　某大型客滚船项目,需要满足两台Eaton9395 25KVAUPS在船上安置,一个带甲舱,安置在船头,一个带乙舱,安置在船尾,两台UPS既要实现单机带载,又要实现120米远距离的并机应用。
　　
　　现场情况由于船舶产品的特殊要求,与通常远距离并机中遇到的运行在逆变模式下的输出环流问题、运行在旁路模式下的均流问题、系统转换时不同步风险问题、远距离并机通讯等相比,还有如下更高要求的挑战:
　　
　　1.虽然可以使用Can中继器完成远距离并机通讯问题,但由于受船上条件限制,can走线路径无法避免的会出现类似于CAN-bus总线与电压变化强烈的供电线路并行走线的情况,这会大概率增加can通讯故障的风险。
　　
　　2.不同船舱不同的工作需要和目的,需要同时满足单机、并机间的相互切换工作;
　　
　　3.考虑到船上安全,船厂有增加输入端三绕组隔离变压器,输出端隔离变压器,然后进行并机;
　　
　　4.船舶电源质量太差,船舶上有柴发(船上2个分区,每个分区两台1340kW柴发并联)和轴发(由船舶驱动转轴中引出分轴,以利功率回收利用)。柴发和轴发以硬并联的方式进行输出端并联,在不同工作模式下,会有柴发、轴发退出和加入的动作,这会引起电源剧烈震荡。

　　

二、伊顿9395UPS并机系统解决方案
　　
　　2.1通讯方案介绍
　　
　　EatonUPS专利的Hot-sync热同步并机技术,多台UPS在并机时,不需要互相获取对方的实时频率、相位、电压、电流等参数信息,只需要传递UPS的状态信息,就能达到同步并均匀分担负载电流,这为远距离UPS并机的实现创造了前提条件。
　　
　　Eaton9395UPS的Can通信波特率为250kps,实用通信距离最大为70m。现场两台UPS的并机距离为120m左右,超过了Can通信距离,这容易造成通信数据丢失,通信异常,因此需要使用中继设备来延长信号传输距离。本文介绍使用CAN转光纤的设备CANHub-AF232来进行中继信号传输,光纤传输距离一般是CAN通信线传输距离的2倍,并且光纤抗干扰能力强。
　　
　　CANHub-AF2S2能实现多个CAN网络的透明连接,可以在总线级别实现复杂结构的多点连接,使得主干网络没有支线长度限制,网络中任意两个节点可以到达协议距离。该设备具有4个通信端口,2个双绞线端口都有独立的CAN收发器,能倍增节点数目,因此在提供自由的布线方式的同时,也解除了系统总线上CAN收发器最大节点数驱动限制;2个光纤端口可使CANHub-AF2S2应用于高干扰现场环境中,特别是在高压场合、动力场合等环境。每个端口还具备检测总线活跃及总线故障指示灯,方便观察CAN总线网络工作状态。
　　
　　如下图2使用光纤中继的方式来延长信号传输距离。

　　UPS1(2)分别通过CAN连接线和CAN光纤转换器1(2)的“CAN总线双绞线端口”连接。两个转换器之间通过单模四芯的光纤线相互连接,必须使CAN光纤转换器RX端口跟另一个CAN光纤转换器TX端口相连。
　　
　　数据传输时首先将CAN信号转换为光信号,通过长度120m光纤传输到另一端,再次转换为标准CAN信号,现场测试完全满足伊顿UPS的并机通讯要求。
　
　　2.2 单并机模式自由切换方案
　　
　　传统的UPS并机模式一般为容量并机或是冗余并机,给后端的负载提供安全保障。而该案例中的船舶上分两个舱(甲舱和乙舱),基于安全方面的考量,他们提出了特殊的应用需求。将客户现场的配电系统进行简化,如图4所示:

　　船舶分两甲乙两个舱,各自有独立的配电系统,同时两个船舱之间又有联动开关,可以将两个船舱的供电系统并接在一起,从而提供系统的安全可靠性,具体需求如下:
　　
　　A.当K1、K2、K3open,UPS1和UPS2都作为单机系统分别给甲舱和乙舱供电;　　
　　B.当K1、K2、K3closed,UPS1和UPS2作为并机机系统一起给甲舱和乙舱供电;　　
　　C.当K3闭合,UPS1供电线路异常时,UPS2可以作为单机同时给甲舱和乙舱供电;　　
　　D.当K3闭合,UPS2供电线路异常时,UPS1可以作为单机同时给甲舱和乙舱供电。
　　
　　基于客户的需求,我们结合9395系列UPS的功能特点,我们通过在并机系统中引入MOB开关信号的方案来实现。

　　如果UPS并机系统中每台UPS的输出开关都配置了输出MOB空开常闭辅助触点,9395系列可以将该常闭触点信号引入对应的UPS中去,用于侦测开关状态以及UPS的系统控制。启用该功能后,当输出mob开关断开时,UPS侦测到输出开关断开,该UPS即脱离并机系统,对该UPS进行开机、关机、转旁路等操作都不会影响并机系统的运行;当输出mob开关闭合时,UPS侦测到输出开关已经闭合,该UPS即加入到并机系统中,和其它的UPS一起给后端负载提供电力保证。
　　
　　确定引入MOB信号的方案可以满足客户的需求后,两台UPS各配置了一个输出开关和联动开关,如图6所示。

　　甲舱的UPS1配置输出开关MT3B和联动开关G,两个开关配置的常闭触点串联后接入UPS1,任意一个开关断开,UPS1都能侦测到MOB开关断开的信号而脱离并机系统。

   同理,乙舱的UPS2配置输出开关MT4B和联动开关H,两个开关配置的常闭触点串联后接入UPS2,任意一个开关断开,UPS2都能侦测到MOB开关断开的信号而脱离并机系统。
　　
　　基于以上配置,我们预定的测试方案如下:
　　
　　当开关MT3B、G、H和MT4B均闭合时,甲舱和乙舱由UPS1和UPS2组成的并机系统提供清洁能源;
　　
　　当开关G和H任意一个或两个同时断开时,甲舱由UPS1提供清洁能源,乙舱由UPS2提供清洁能源,实现了UPS并机系统拆分为独立的单机系统。
　　
　　当UPS1供电线路异常或MT3B开关断开时,甲舱和乙舱均由UPS2提供清洁能源。
　　
　　当UPS2供电线路异常或MT4B开关断开时,甲舱和乙舱均由UPS1提供清洁能源。
　　
　　现场按照前期的预定方案进行测试,并机系统的响应符合并机系统的响应逻辑,能够准确的响应不同状态下的操作和转换,而单、并机模式间的相互转换也能正常实现,符合客户的应用需求。
　　
　　2.3并机实际运行状况
　　
　　柴发和轴发以硬并联的方式进行输出端并联,在不同工作模式下,会有柴发、轴发退出和加入,引起电源震荡,输入THDV高达15%以上,UPS前后端均有变压器,使相位存在差异,难以保证逆变模式下的输出环流能满足正常值需求,实际调试中,得益于伊顿Hotsync热同步并机技术,能够准确及时的传递系统的状态信息,最终的均流大小和输出电压的波形都达到了常规并机的效果。

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