電源：可冗余并聯(lián)運行的單相UPS研制

1　引言

信息技術的高速發(fā)展和廣泛應用，對其供電電源的質(zhì)量和可靠性要求越來越高，多模塊并聯(lián)實現(xiàn)高可靠性大容量電源被供認為今電力電子技術發(fā)展的重要方向之一。以通信二次電源的構成方式為例，從最初的單模塊供電發(fā)展到1+1冗余，現(xiàn)在N+1方式已被廣泛認可。同主電路和控制電路的研究發(fā)展過程一樣，逆變器并聯(lián)運行技術的研究也是在借鑒DC/DC并聯(lián)技術的基礎上不斷深入，逆變器由于是正弦輸出，其并聯(lián)和熱插拔遠比直流電源復雜得多[1]，有相序(三相時)、頻率、相位、和波形等5個，其中任意一個與電網(wǎng)不一致，就不能使逆變器投入電網(wǎng);由于交流輸出，不能象DC/DC變換器那樣簡單地用二極管來隔離故障單元。再進一步，要實現(xiàn)UPS并聯(lián)，則在實現(xiàn)逆變器并聯(lián)的基礎上，還要解決市電跟蹤和旁路控制等問題。近幾年，國外一些著名UPS公司，如EXIDE，APC，三菱等，已先后推出并機系統(tǒng)產(chǎn)品[2~4]，擁有各自的專利技術。在國內(nèi)，逆變器并聯(lián)正成為研究熱點之一，但已經(jīng)實現(xiàn)UPS并機的研究成果或產(chǎn)品尚未見報道。

南航航空電源重點實驗室在多年逆變器并聯(lián)運行技術研究的基礎上[5]，與科華公司合作，以FR-UK系列(5—100KVA)UPS為背景機，研制成功擁有自主技術的UPS冗余并聯(lián)產(chǎn)品樣機。

2　冗余并聯(lián)控制的基本原理

目前逆變器的并聯(lián)控制方式有集中控制、主從控制、分散邏輯控制和無互連線獨立控制等方案[6]。如，EXIDE產(chǎn)品采用無互連線方式，它在各臺UPS性能一致性很好的前提下，檢測本機輸出功率從一個周期到下一個周期的變化，按照一定的算法，調(diào)節(jié)本機輸出電壓相位，使各并聯(lián)單元之間的相位差調(diào)節(jié)到最小值，從而實現(xiàn)均流供電[4];三菱UPS是檢測瞬時環(huán)流值，分解為有功和無功分量，通過控制幅度和相位偏差，分別均衡電流的無功和有功功率[2]。

本文所提出的并機系統(tǒng)的結構如圖1。這是一種有互連線的分散邏輯控制并機方式?；ミB線包括同步線、均流線和狀態(tài)線，不多于5條。多機并聯(lián)時，互連線通過母線槽連接。并機控制環(huán)

節(jié)分散在各個UPS單機中，各單機完全等價。構成并聯(lián)系統(tǒng)時不用附加額外的控制模塊，理論上可以任意數(shù)目并聯(lián)，也可單機運行。允許熱插拔。本方案的技術關鍵引入了局部反饋和解耦控制的概念。通過施加與基準信號發(fā)生器的同步控制，首先使各單機的輸出電壓基本上實現(xiàn)同頻、同相;然后在傳統(tǒng)SPWM逆變控制的基礎上，增加了一個均流調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)各單機的輸出電流均衡。

所有的并機控制均在主控板(逆變控制板)上實現(xiàn)。UPS的其它部件(如DC/AC主電路)幾乎沒有變動。)各單機內(nèi)部均有旁路。以雙機并聯(lián)為例，正常情況下，雙機并聯(lián)逆變輸出;其中一臺UPS關機或故障脫機時，由另一臺UPS單獨逆變供電;只有兩臺UPS都關機或故障脫機時，才轉向旁路供電(兩臺UPS同時轉為旁路輸出)。

3　實驗結果及分析

對6KVA UPS樣機進行了雙機和三機冗余并聯(lián)系統(tǒng)實驗。主要實驗結果如圖2~圖4及表1~表3。分析實驗結果，可見：

(1)分析圖2,并機過程均流迅速、輸出電壓無擾動。作為負載。故突加負載時，雖然標稱功率增加一倍，但實際瞬間負載增大了很多倍，所以圖3中，此瞬間電感電流較穩(wěn)態(tài)大得多。

(2)分析圖3 ，負載突變過程，并聯(lián)系統(tǒng)有良好的動態(tài)均流特性

(3)分析表1和表2，并機系統(tǒng)的THD一般略大于單機，這是我們所不希望的。

(4)分析表2表3和圖3 ，雙機或三機并聯(lián)系統(tǒng)在線性及整流性負載條件下，均有好的均流特性。輕載時電流相對誤差△I/ 較大的主要原因是各UPS的輸出濾波電容值的偏差造成的。由于并聯(lián)系統(tǒng)直接是對輸出濾波電感電流均流，故電容電流的偏差必然造成輸出電流(實測量)的偏差。影響均流的另一個主要因素是各UPS的等效電流采樣系數(shù)值的離散性。

4　結語

數(shù)字化控制是UPS產(chǎn)品升級的一個重要內(nèi)容，對于復雜的并機系統(tǒng)更有意義。本文所介紹的并機控制方案，目前是以單片機和模擬控制混合實現(xiàn)的。其功能實現(xiàn)的完善性、復雜化尚待改進。根據(jù)仿真和分析，采用全數(shù)字化控制后，可以大大簡化硬件設計;進一步提高故障監(jiān)控能力;增強自主分析能力、保證控制參數(shù)的高度一致性，減少互連線的數(shù)目。

參考文獻：

[1]嚴仰光，UPS發(fā)展的幾個問題，南京航空航天大學航空電源航空科技重點實驗室學術年會(APSC'2000)論文集，2000.10，136~137

[2] 莊光前，徐永富，高可靠的三菱UPS冗余并機技術，UPS應用，2000.1

[3] 沈衛(wèi)東，一種高可靠性、高可用性的模塊化UPS冗余系統(tǒng)，UPS應用，2000.2

[4] 李成章，智能化UPS供電系統(tǒng)原理與維修，北京：電子工業(yè)出版社，99.3

[5] 邢巖，逆變器并聯(lián)運行系統(tǒng)的研究，南京航空航天大學博士論文，1999.12

[6] 段善旭等，UPS電壓型逆變電源并聯(lián)控制技術研究，電源世界，2000.2