UPS-parallelbedrijf — N+1-redundantie en circulerende stroom tussen modules

De gids over de statische bypassschakelaar behandelt de overdracht binnen één UPS-unit tussen omvormer en bypass-net. Deze gids behandelt een ander, aanvullend redundantieconcept dat bij kritische installaties vaak naast elkaar wordt toegepast: meerdere UPS-modules die parallel op dezelfde uitgangsrail werken, zodat de uitval van één module de belasting niet raakt.

Wat N+1-redundantie betekent

Bij een N+1-configuratie zijn er meer UPS-modules (of -frames) geïnstalleerd dan strikt nodig om de belasting te dragen. Als N het aantal modules is dat samen precies voldoende vermogen levert voor de volledige belasting, dan staat er één module extra (+1) paraat. Bij uitval, storing of gepland onderhoud van één module blijven de overige N modules de volledige belasting dragen, zonder dat de belasting een onderbreking ervaart. Dit onderscheidt zich van de interne redundantie van een enkele grote UPS-unit (met bijvoorbeeld dubbel uitgevoerde vermogenstrappen): bij N+1 zijn het volledig zelfstandige, parallel geschakelde UPS-units.

Veelvoorkomende configuraties zijn bijvoorbeeld 3 modules van elk 100 kVA waarvan er 2 (N=2) al voldoende zijn voor een belasting van 180 kVA, met de derde als redundante reserve — of grotere datacenter-opstellingen met meerdere frames die via een gemeenschappelijke, parallelle uitgangsrail (vaak aangeduid als "system bus" of paralleluitgangsrail) zijn verbonden.

Waarom parallelle UPS-modules een circulerende stroom kunnen krijgen

Zodra twee of meer omvormers elektrisch parallel op dezelfde rail staan, moeten hun uitgangsspanningen exact gelijk zijn in amplitude, fase en frequentie om louter actief vermogen te delen. In de praktijk zijn er altijd kleine, onvermijdelijke verschillen tussen modules — door componenttoleranties, meetketen-offsets in de spanningsregeling, of een lichte fasefout in de PWM-besturing. Elk klein verschil in momentaanwaarde tussen de uitgangsspanningen van twee parallel geschakelde omvormers drijft een stroom tussen die omvormers die niet naar de belasting gaat, maar rondloopt tussen de modules onderling: de circulerende stroom (circulating current).

Deze stroom levert geen nuttig vermogen aan de belasting, maar verhoogt wel de belasting van de vermogenshalfgeleiders en de interne bekabeling van de betrokken modules, en kan — bij een significante amplitude — de effectieve beschikbare vermogenscapaciteit van elke module verminderen en de levensduur van componenten negatief beïnvloeden door extra verliezen en opwarming.

Hoe moderne UPS-besturing circulerende stroom beheerst

Moderne, modulaire parallel-UPS-systemen gebruiken een gedeelde communicatiebus (vaak een redundante, fiber- of CAN-bus-gebaseerde verbinding tussen de modules) om:

• de actieve-vermogendeling tussen modules gelijkmatig te verdelen (load sharing), zodat elke module een evenredig aandeel van de totale belastingstroom draagt in plaats van dat één module structureel meer draagt dan de andere;
• de circulerende-stroomcomponent actief te onderdrukken door de momentane spannings- en faseregeling van elke module continu op elkaar af te stemmen, in plaats van te vertrouwen op toevallige overeenkomst;
• bij uitval van de communicatiebus terug te vallen op een gedegradeerde, autonome regelmodus (droop-regeling) die weliswaar minder nauwkeurig deelt, maar wel stabiel blijft functioneren zonder dat de circulerende stroom onbeheerst oploopt.

Bij oudere of eenvoudiger parallelsystemen zonder actieve communicatiebus tussen de modules wordt vaak uitsluitend droop-regeling toegepast: de uitgangsspanning van elke module daalt licht naarmate de geleverde stroom toeneemt, wat vanzelf een zekere balans afdwingt maar minder nauwkeurig is dan een communicatiebus-gestuurde regeling.

Typische fouten

1. Modules van verschillende leveranciers of firmware-versies parallel schakelen zonder dat de fabrikant dit expliciet vrijgeeft — kleine verschillen in regelalgoritmen tussen fabrikanten vergroten het risico op een aanhoudende circulerende stroom.
2. Een defecte communicatiebus tussen modules niet als storing herkennen — bij uitval van de bus schakelt het systeem terug naar een minder nauwkeurige droop-regeling; als dit niet wordt opgemerkt en verholpen, kan de load-sharing-nauwkeurigheid verslechteren zonder dat dit direct zichtbaar is aan de belastingzijde.
3. N+1 verwarren met volledige belastingreductie bij uitval van een module — N+1 betekent dat de resterende N modules de volledige belasting kunnen dragen; als de werkelijke belasting de N-capaciteit overschrijdt (bijvoorbeeld door groei van de belasting na de oorspronkelijke dimensionering), is de redundantie feitelijk verdwenen ook al staat de +1-module er nog fysiek bij.
4. De uitgangsimpedantie en kabellengte tussen modules en de gemeenschappelijke rail niet gelijk houden — een asymmetrische bekabeling tussen modules kan zelf al een spanningsverschil op de railaansluitpunten veroorzaken en zo circulerende stroom introduceren, los van de interne regeling van de modules.

Gerelateerd

• UPS-statische bypassschakelaar — thyristorschakeling en make-before-break-overdracht
• DRUPS — dieselroterende UPS-systemen en kortsluitvermogen
• Periodieke keuring van een UPS-installatie
• Synchronisatiecontrole (25) — synchroonrelais bij parallelschakelen