冗余式UPS均流技術(shù)研究

0 前言：

冗余式UPS也稱為冗余式UPS并機(jī)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是由兩臺或兩臺以上的UPS并機(jī)同時(shí)向負(fù)載供電，在容量上至少冗余一臺UPS。冗余式UPS的可靠性較高，當(dāng)其中一臺或冗余的幾臺UPS出現(xiàn)故障時(shí)，其他的UPS仍可正常向負(fù)載供電，避免了因?yàn)槌霈F(xiàn)故障UPS而斷電。

在冗余式UPS并機(jī)系統(tǒng)中，均流技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，冗余結(jié)構(gòu)是以均流技術(shù)為基礎(chǔ)，均流設(shè)計(jì)的是否得當(dāng)，直接決定了UPS的穩(wěn)定性和可靠性。因此，應(yīng)該深入的研究UPS的均流技術(shù)實(shí)現(xiàn)的途徑及與其相適應(yīng)的控制策略、控制方法、外部接口電路等。

1環(huán)流的產(chǎn)生

從理論上講，如果多臺普通在線式UPS由同一路電網(wǎng)供電，都可直接并聯(lián)構(gòu)成冗余式UPS。由于單機(jī)UPS的逆變器跟蹤旁路市電，而這些參與并機(jī)的UPS都在跟蹤同一路市電，一旦直接并機(jī)也就相當(dāng)于互相在相位上跟蹤。這些參與并機(jī)的UPS在頻率和相位上都必須是一致的，因?yàn)椋?1)在相位上，雖然它們都在頻率和相位上跟蹤旁路，但在相位上有超前和落后之分，一般大容量UPS的相位跟蹤在，如果這兩臺并聯(lián)的UPS一個(gè)是+，另一個(gè)是-，那么兩個(gè)并聯(lián)后就有可能在相位上相差，這就有可能使兩臺UPS輸出電壓相差

2Umsin3=600sin3=30v

這就會在UPS輸出端造成很大的環(huán)流，如圖1(a)。

(2)在電壓上：雖然是同一廠家生產(chǎn)的UPS逆變器，但由于逆變參數(shù)和變壓器參數(shù)的微小差異會導(dǎo)致輸出電壓不一致，例如一個(gè)為217V，一個(gè)為223V等，也會在輸出端造成環(huán)流，如圖1(b)。

2均流技術(shù)原理分析

UPS的并聯(lián)運(yùn)行需要滿足5個(gè)條件，即并聯(lián)的各個(gè)UPS所產(chǎn)生的電壓、頻率、波形、相位、相序均相同，只有這樣才能消除環(huán)流，均分負(fù)載功率，其關(guān)鍵就在于各UPS的逆變器應(yīng)共同負(fù)擔(dān)負(fù)載電流，即要實(shí)現(xiàn)均流控制，從而達(dá)到要求的運(yùn)行狀態(tài)。以下不妨以兩臺UPS的逆變電源并聯(lián)運(yùn)行為例進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2中：U1、U2代表兩個(gè)逆變電源輸出PWM波形的基波電壓；L1、C1、L2、C2分別代表兩個(gè)逆變電源的輸出濾波器；R為公共負(fù)載阻抗。

根據(jù)圖1可列出以下電路基本方程

當(dāng)U1與U2只存在幅值差異，則此電壓差與逆變輸出電壓同相位，如圖3(a)所示。由于電感電流滯后電壓90，因此，此時(shí)的環(huán)流主要是無功分量。當(dāng)U1與U2只存在相位差異，則此電壓差比逆變輸出電壓超前90，如圖3(b)所示，環(huán)流電流與逆變電壓同相位，因此，此時(shí)的環(huán)流主要是有功分量。

由式(3)可看出，由于環(huán)流iH的存在使各逆變電源的輸出電流小僅包含有效負(fù)載電流分量，還有環(huán)流分量。即iL1、iL2由兩部分電流組成，一部分為負(fù)載電流分量(1／R+2jωC)U0／2，一部分為環(huán)流分量(U1-U2)／2jωL。在輸出濾波器參數(shù)相同的情況下， (3)式右邊第二項(xiàng)自然相等，負(fù)載電流分量總是平衡的；但第一項(xiàng)則為無功環(huán)流，環(huán)流分量的存在會使逆變器的輸出電流各不相同。由于(3)式中電壓為矢量形式，所以只要U1和U2在電壓幅值或相位上任何輕微的差異都會引起兩臺UPS的電流差異，從而輸出遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定輸出的環(huán)流，并且環(huán)流的大小與負(fù)載的關(guān)系不大。由于環(huán)流方向相反，只有當(dāng)它為0，才能保證并聯(lián)UPS輸出電流相等，而此環(huán)流僅由U1、U2決定：當(dāng)U1、U2同相時(shí)，電壓高的環(huán)流分量是容性，電壓低的環(huán)流分量是感性；當(dāng)U1、U2幅值相等時(shí)，相位超前者環(huán)流分量為正有功分量(輸出有功)，相位滯后的環(huán)流分量為負(fù)有功分量(吸收有功)；在U1、U2既不同相又不同幅值時(shí)，環(huán)流分量中既有無功部分，又有有功部分。

3系統(tǒng)參數(shù)對并聯(lián)均流的影響

在不同狀況下環(huán)流分量相對于各逆變電源呈現(xiàn)出不同的負(fù)載特性，或?yàn)橛泄驗(yàn)闊o功；環(huán)流分量改變了各逆變電源的輸出電流也相應(yīng)改變了各逆變電源的輸出功率，使各逆變電源所承擔(dān)的負(fù)載均衡。

系統(tǒng)參數(shù)對逆變器并聯(lián)均流的影響有所不同。電感參數(shù)的偏移對并聯(lián)系統(tǒng)均流程度的影響一般，電感量偏移50％時(shí)，系統(tǒng)將產(chǎn)生最大環(huán)流，帶載能力下降，但仍能正常工作。輸出濾波電容參數(shù)的偏差對并聯(lián)系統(tǒng)的均流效果影響不大，在電容量相差50％時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)流不到總輸出電流的2％，帶載能力基本不變。輸出電壓幅值的偏差對并聯(lián)系統(tǒng)的均流效果有很大影響。電壓幅值相差5％時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)將產(chǎn)生2倍于輸出電流的環(huán)流，帶載能力急劇下降，不能正常工作。輸出電壓相位的差異對并聯(lián)系統(tǒng)均流效果的影響很大，在相位相差9的情況下，并聯(lián)系統(tǒng)將會產(chǎn)生系統(tǒng)總輸出電流的6倍左右的環(huán)流，系統(tǒng)喪失帶載能力，環(huán)流將會對逆變器的功率器件產(chǎn)生破壞性影響。

4均流控制方案

目前主要的均流控制方案有：集中控制并聯(lián)方案(Concentrated Control)、主從控制并聯(lián)方案(Master-Slave Control)、分布式控制并聯(lián)方案(Distributed Control)、3C控制并聯(lián)方案(CircularChain Control)、無線并聯(lián)控制方案(WirelessIndependent Control)等。其中無線并聯(lián)控制方案比較流行，同時(shí)還出現(xiàn)了一些新的無線均流控制方案：

4.1有功調(diào)頻和無功調(diào)壓控制

傳統(tǒng)的無線均流控制方案是基于下垂特性，在輸出電壓調(diào)節(jié)和功率均分之間取折中，有功功率變化可能導(dǎo)致逆變器輸出頻率的漂移。有功調(diào)頻和無功調(diào)壓控制如圖4所示，可以克服無線均流控制的這種缺欠，實(shí)現(xiàn)真正的無線并聯(lián)。

有功調(diào)頻和無功調(diào)壓控制利用逆變器的輸出交流功率線，作為通信載體的電力線載波通信方式實(shí)現(xiàn)逆變器之間的信息交換。每臺逆變器都將自身的有功和無功功率通過高頻調(diào)制成高頻數(shù)字信號耦合到功率輸出母線上，這樣，每臺逆變器都能獲知其他模塊的輸出功率，從而調(diào)節(jié)自身的輸出電壓和頻率。 4.2共模電流頻率控制

在無線并聯(lián)均流控制中，電力線載波通信是將單臺逆變器自身的信息通過高頻調(diào)制的方式耦合到輸出電力線上，高頻干擾使濾波器參數(shù)的選擇非常困難。針對電力線載波通信的高頻干擾產(chǎn)生的誤碼問題，可以采用共模電流頻率控制，如圖5所示。

這種控制策略將單臺逆變器的自身信息，包括并聯(lián)模塊的臺數(shù)以及同步信號等，通過頻率調(diào)制的方式轉(zhuǎn)變成500Hz附近的抖頻共模電流信號，從而避免了開關(guān)頻率對輸出信號的干擾，也避免了輸出差模濾波器對信號的衰減。各并聯(lián)模塊將功率輸出端的共模輸出電流與自身的共模給定信號比較，從而得到其他模塊的信息。

上述兩種無線均流控制方案在一定程度上克服了傳統(tǒng)無線并聯(lián)的輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差大和瞬態(tài)響應(yīng)慢的缺陷。但其本質(zhì)上仍需依賴于各模塊間的信息交換而非基于自身信息的完全自治系統(tǒng)。信息交換必然導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性的降低：電力線載波通信方式受逆變器開關(guān)管高頻干擾的可能性很大，因此，存在一定誤碼是難免的。共模電流頻率控制由于調(diào)制輸出的信號為中頻模擬信號，因而信息的互換對逆變器主電路輸出阻抗參數(shù)的依賴性很大。例如，若逆變器輸出共模阻抗不一致，將會使單臺逆變器對并聯(lián)模塊的臺數(shù)做出錯誤的估計(jì)，從而影響同步和均流精度。

5小結(jié)

冗余式UPS憑借其冗余性、熱插拔和可交互等方面的特點(diǎn)，極大地提高了供電系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、靈活性、智能化、免維護(hù)等方面的性能。由于在電力供給中的重要性，國內(nèi)外都對其相關(guān)技術(shù)極為關(guān)注。國內(nèi)外的一些科研機(jī)構(gòu)和UPS制造廠商投入了大量資金、人力和物力進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究，已經(jīng)有少量相關(guān)產(chǎn)品問世。隨著UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的不斷深化，冗余式UPS必將引起不間斷電源新的革命，進(jìn)而成為未來UPS系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。