UPS逆變模塊的N＋m冗余并聯(lián)結構和均流

摘要：介紹了UPS采用電壓源逆變器模塊的并聯(lián)運行，及構成N＋m冗余并聯(lián)結構進行供電的好處，講述了一種新的并聯(lián)均流電路。

關鍵詞：不間斷電源；逆變器模塊；并聯(lián)；冗余N＋m

引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和用電設備的不斷增加，對UPS容量的要求越來越大。大容量的UPS有兩種構成方式：一種是采用單臺大容量UPS；另一種是在UPS單機內部采用功率模塊N＋m冗余并聯(lián)結構。前者的缺點是成本高、體積重量大、運輸安裝困難、可靠性差，一旦出現(xiàn)故障將會引起供電癱瘓。后者的好處是提高了供電的靈活性，可以將小功率模塊的開關頻率提高到MHz級，從而提高了模塊的功率密度，使UPS的體積重量減?。徊⑶覝p小了各模塊的功率開關器件的電流應力，提高了UPS的可靠性；同時動態(tài)響應快，可以實現(xiàn)標準化，便于維修更換等。

N＋m冗余并聯(lián)技術是專門為了提高UPS的可靠性和熱維修〔也稱作熱插拔和熱更換（hotplug?in）〕而采用的一種新技術。所謂N＋m冗余并聯(lián)，是指在一個UPS單機內部，采用N＋m個相同的電源模塊（powersupplyunits，簡稱PSU）并聯(lián)組成UPS整機。其中N代表向負載提供額定電流的模塊個數(shù)，m代表冗余模塊個數(shù)。m越大USP的可靠性越高，但UPS的成本也越高。在正常運行時UPS由N＋m個模塊并聯(lián)向負載供電，每個模塊平均負擔1/(N＋m)的負載電流，當其中某一個或k個（k≤m）模塊故障時，就自行退出供電，而由剩下的N＋（m－k）個模塊繼續(xù)向負載提供100％的電流，從而保證了USP的不間斷供電。

1 N＋m冗余并聯(lián)的可靠性、可用性及條件

1.1 可靠性的提高

由N＋m個小功率模塊組成的冗余并聯(lián)結構形式的UPS如圖1和圖2所示。圖1是采用n個整流模塊、一組蓄電池和k個逆變模塊組成的冗余并聯(lián)結構形式，n可以等于k，也可以不等于k。圖2是采用n個整流模塊、n組蓄電池和n個逆變模塊組成的UPS模塊冗余并聯(lián)結構形式。圖3是采用單一大功率整流模塊、一組蓄電池和一個大功率逆變模塊組成的結構形式，是一般UPS常用的結構形式。

下面我們以圖2所示的冗余并聯(lián)結構為例，說明為什么冗余并聯(lián)結構能夠使可靠性得以提高。當n=k=N＋m時，假定由一個整流模塊和一組蓄電池及一個逆變模塊組成的UPS模塊（如圖2中虛線框內所示）的可靠性為P1，則N＋m個UPS模塊的可靠性為

例如，當一個UPS模塊的可靠性P1=0.99時（不可靠性為1％），如果N＋m=3，則

P3=1－(1－0.99)3=0.999999

3個UPS模塊的并聯(lián)可以將可靠性提高4個數(shù)量級，不可靠性由原來的1％降到了0.000001％。

1.2 可用性的提高

UPS的可用性的一般定義為

可用性（Availability）=MTBF/(MTBF+MTTR） （1）

式中：MTBF為平均無故障時間，反映UPS的可靠性及冗余性；

MTTR為平均維修時間，即維修所需要的時間。

式（1）說明，UPS的可用性不僅僅取決于MTBF，而且還取決于MTTR，只有采用熱更換（熱插拔）方式，才能使UPS實現(xiàn)不停機更換模塊，即不中斷供電維修，這樣才能真正減小MTTR，提高可用性。要實現(xiàn)UPS的熱插拔不停機更換模塊技術，必須滿足3個條件：一是正常工作UPS模塊自動投入電網(wǎng)；二是并聯(lián)運行的UPS模塊之間要實現(xiàn)有功和無功電流的平均分配；三是USP退出并聯(lián)，特別是在不干擾電網(wǎng)的情況下快速切除故障的USP模塊。有了這3個方面的工作，也就解決了USP模塊的熱插拔（熱更換）技術。

通常采用的是N＋1（即m=1）冗余并聯(lián)方式，這種方式已在通信直流電源中得到了成功應用。直流電源的N＋1冗余并聯(lián)運行技術比較簡單，只需要使電壓的大小和極性相同就可以了，而且還能很方便地用二極管來隔離故障的模塊。但是，對于UPS交流電源模塊的并聯(lián)技術要復雜得多，它需要使相序、頻率、相位、電壓幅值和波形等5個參數(shù)相同才能并聯(lián)。同時對故障模塊的隔離也不能用二極管來實現(xiàn)。

USP模塊的并聯(lián)，也不同于同步發(fā)電機的并聯(lián)，后者由于輸出阻抗高，靠其本身的下垂特性可以自行均流。同時輸出電流大的發(fā)電機可以自行降低轉速，達到頻率和相位的一致。而USP模塊不具備這些特性，需要用控制電路來解決靜態(tài)和動態(tài)同步均流及熱插拔技術。

1.3 UPS模塊實現(xiàn)N＋1冗余并聯(lián)的條件

USP模塊的N＋1冗余并聯(lián)技術，是提高USP可靠性和可用性的關鍵技術，模塊的并聯(lián)必須滿足以下3個條件才能實現(xiàn)：

1）各個UPS模塊的頻率、相位、相序、電壓幅值和波形必須相同；

2）各個UPS模塊在輸入電壓和負載的變化范圍內，必須能夠實現(xiàn)對負載有功和無功電流的均勻分配，為此要求均流電路的動態(tài)響應特性要好，穩(wěn)定度要高；

3）當均流或同步出現(xiàn)異常情況或UPS模塊出現(xiàn)故障時，應能自動檢出故障模塊，并將其迅速切除而又不影響UPS的正常運行。

其中有兩項關鍵技術：一是同步技術，另一個是均流技術。前者主要是解決各UPS模塊的頻率、相位、波形和相序的一致，后者主要是解決各UPS模塊均勻負擔負載功率的問題。由于各個UPS模塊都是與市電電網(wǎng)同步并聯(lián)工作的，在各個UPS模塊中都有相同的相應電路或各模塊有一共用的相應電路來實現(xiàn)與市電的同步，同步后各模塊的頻率、相位、波形和相序都與市電電網(wǎng)相同，滿足了條件1）中五個參數(shù)的四個。只有各模塊之間的輸出電壓可能有些差別，這種差別主要是由直流電壓的不同（例如蓄電池電壓不同），或模塊內阻壓降不同（例如整流管或逆變器開關器件的正向壓降的不同）等引起的。因此，均流就成了UPS模塊并聯(lián)工作的主要問題，必須用均流的辦法使各UPS模塊的輸出電壓一致。由于各個模塊的輸出是通過共用母線加到負載上的，這相當于各個模塊共同負擔同一個負載，所以，各模塊的輸出負載功率因數(shù)只取決于母線上總的負載的功率因數(shù)，因此，各模塊的輸出功率因數(shù)相同，在均流時不必再區(qū)分有功和無功，只對模塊的總輸出電流進行均流即可。下面介紹模塊的均流方法。

圖7

2 USP模塊的均流

UPS模塊的均流有多種方法，例如，自整步均流法、外特性下垂法、外部控制法、主從控制均流法、平均電流均流法、自動均流法和民主主從均流法等。在這些均流法中，并不都適合于UPS模塊的N＋1冗余并聯(lián)，例如，外特性下垂法和基于外特性下垂法的均流法，使模塊的輸出外特性變軟，電壓調整率降低，不適合于對輸出電壓精度要求較高（例如1％～3％）的USP應用；主從均流法必須要有通信連線，將使系統(tǒng)復雜化，同時，如果主USP模塊一旦失敗，則整個UPS就不能工作，因此，主從均流法也不適用于UPS的冗余并聯(lián)系統(tǒng)，再則電壓環(huán)的帶寬較大，也易受外界噪聲的干擾；外部控制法需要外加專門的控制器，UPS模塊要進行多路聯(lián)系，連線較復雜也不能實現(xiàn)冗余并聯(lián)，故也不適合于USP的多模塊冗余并聯(lián)；平均值電流法的輸出電流，是通過跟蹤同一個給定電流來實現(xiàn)均流的，各模塊之間的信號連線較多，同時也不能實現(xiàn)冗余并聯(lián)，故也不能采用；只有自動均流法和民主主從均流法既適合于USP模塊的冗余并聯(lián)工作，又不影響輸出電壓的精度，電路也比較簡單，是一種比較好的均流法。

自動均流法和民主主從均流法，都是源于上個世紀80年代的直流均流法。將這兩種直流均流法應用于交流均流時，只須加一個整流環(huán)節(jié)，將交流信號變換成直流信號就可以了。由于逆變器的交流穩(wěn)壓控制的基準電壓給定值，一般都是采用與電壓有效值等效的直流信號。所以，均流電路輸出的直流調整控制信號，可以直接用于通過對基準電壓直流給定信號的改變，來實現(xiàn)USP模塊的交流均流。

2.1 自動均流法

自動均流法（automaticapproach）又稱作外加均流器法（externalcontrollerapproach）。在每一個模塊的控制電路中都需要加一個特殊的均流控制器〔sharingcontroller，（SC）〕，用以檢測并聯(lián)各模塊輸出電流的不均衡情況，輸出調整控制信號Uck，以控制各個模塊實現(xiàn)輸出均流。這種均流法需要加一根均流母線（sharebus）的帶寬較窄的通信線連接各個模塊，均流母線上的電壓為UB。

圖4給出N個模塊并聯(lián)系統(tǒng)的自動均流法的原理框圖。圖中只示出了均流控制環(huán)，電壓控制環(huán)沒有畫出，它由模塊的控制電路來實現(xiàn)。模塊k（k=1，2，……N）的均流控制器SCK，其輸入為均流母線電壓UB和模塊k的輸出負載電流Ik的直流檢測信號UIk，SCk的輸出電壓信號Uck與基準電壓給定值Ug相加，產(chǎn)生出基準電壓Urk，用基準電壓UrK對UPS模塊中的逆變器進行PWM控制，就可以使模塊的輸出電壓發(fā)生變化，以達到均流的目的。為了檢測各個模塊的輸出電流，在均流控制器的輸入端接了一個采樣電阻R。如果把均流母線看成是一個節(jié)點，根據(jù)電工學中基爾霍夫定律可知：流入均流母線的總電流代數(shù)和應為零。于是當各模塊的采樣電阻值相同時可得

式（2）說明，均流母線上的電壓UB，是各個并聯(lián)模塊負載電流的直流檢測信號，亦即是各模塊負載電流相對應的整流放大器的輸出電壓UI1，UI2，……，UIN的平均值，它反映的是各模塊輸出電流的平均值。

UIk與UB之差代表均流誤差，通過均流控制器輸出一個調整控制電壓Uck，一般情況下，UB可能大于UIk也可能小于UIk。當UB=UIk時，UB－UIk=0，表明這時已實現(xiàn)了均流，則Uck=0。當UB≠UIk時，Uck≠0，表明電流分配不均勻。這時，基準電壓Urk按下式修正：Urk=UgUck，相當于通過均流誤差放大器Ak改變Urk，以達到均流目的。

使用這一方法實現(xiàn)均流，可以使N個并聯(lián)模塊的電流不均衡度（即均流誤差）在5％以內。定義模塊k的不均衡度為

式中：IL為并聯(lián)輸出的負載電流；

Ik為模塊k承擔的電流；

Ikmax為模塊k的最大電流。

應用均流母線檢測模塊的輸出電流，還要在窄頻帶的均流環(huán)中用運算放大器產(chǎn)生均流誤差信號，以調節(jié)基準電壓，將使并聯(lián)系統(tǒng)的瞬態(tài)過程復雜化。為避免使UPS的瞬態(tài)特性變壞，甚至不穩(wěn)定，應正確設計均流環(huán)的增益。

自動均流法的優(yōu)點是電路簡單、容易實現(xiàn)、均流精度高，缺點是如果有一個模塊與均流母線短路，或接在母線上的任一個模塊不能工作，則母線電壓下降，將促使各模塊電壓下調，甚至到達其下限，結果造成故障；而當某一模塊的電流上升到其極限值時，該模塊的電流檢測信號UIk大幅度增大，也會使它的輸出電壓自動調節(jié)到下限。下面介紹解決上述兩個缺點的措施。

2.1.1 監(jiān)控均流母線對地短路故?的措施

均流母線工作正常時電壓UB為一定值，且等于各模塊電流Ik檢測信號電壓UIk的平均值；而均流母線短路時其電壓UB=0，利用這個特點，在均流電路中接一個均流母線電壓檢測電路，就可以及時發(fā)現(xiàn)母線短路故障。檢測電路如圖5所示，它由光耦、繼電器和聲光報警器組成。

2.1.2 任一模塊不工作時的監(jiān)控措施

模塊失效時，其輸出電流也為零，相應的模塊電流Ik檢測信號電壓UIk=0，即圖6中a點電壓等于零。因此，在整流放大器的輸出端接一個電壓檢測電路，就可以實現(xiàn)對模塊失效的監(jiān)控。監(jiān)控電路如圖6所示，它由光耦、繼電器和聲光報警器組成。模塊正常工作時，UIk>0，光耦導通，繼電器K工作，K的常開接點閉合，均流采樣電阻R接入母線，K的常閉接點斷開，報警器不工作；當模塊失效時，UIk=0，光耦截止，K失電，K的常開接點斷開，模塊與母線隔離，保證了其他模塊不下調，K的常閉接點閉合，報警器工作，告知用戶該模塊失效。

2.2 民主均流法

民主均流（democratic）法或稱自治（autonomous）法是另一種自動均流法，它是按最大電流（highestcurrent）自動均流的，這種均流法也有人將其稱作自動民主均流法。其電路是在圖4所示的自動均流法電路中，將采樣電阻換成二極管而成的。二極管的正端接在a點上，負端接在b點上，由于N個二極管的負極都接在了均流母線上，處于相同的電位，則N個并聯(lián)模塊中只有輸出電流最大的那個模塊的負載電流檢測信號電壓UIk最高。因此，也只有輸出電流最大的那個模塊，才能使與它連接的二極管導通，導通后使均流母線上的電壓UB=UIk，其他的二極管因受反偏置而截止。與截止二極管對應的模塊，就以均流母線上的電壓為基準來調整各自的輸出電流，從而實現(xiàn)均流。

從以上分析可知，民主均流法實質上是在N個并聯(lián)的模塊中，輸出電流最大的模塊將自動成為主模塊，其余的模塊則成為從模塊，各個從模塊的電壓誤差依次被整定，以調節(jié)負載電流分配的不均衡。由于N個并聯(lián)的模塊中，事先沒有人為設定哪個模塊為主模塊，而是按輸出電流的大小隨機排序，輸出電流大的模塊自動成為主模塊，所以人們稱此種均流法為自動民主均流法，或民主自動主從設定均流法。民主均流法（即按最大電流自動均流）的原理框圖如圖7所示。圖中模塊k的電流檢測信號UIk經(jīng)過一個二極管接到均流母線上，均流母線上的電壓UB=max│UIk，k=1，2，……，N│反映N個并聯(lián)模塊中最大的一個模塊電流。均流控制器SCk的輸入是最大的模塊電流與各從模塊電流的差值。以N=2為例，假定模塊1的輸出電流大于模塊2的輸出電流，則UI1>UI2，UI1使二極管VD1導通，UB=UI1。由于UI2UB=UI1，所以二極管VD2截止。SC1的輸出電壓Uc1=0，SC2的輸出電壓Uc2=＋Uc2，＋Uc2使模塊2的基準電壓增大，并使模塊2的輸出電流增加，達到均流目的，此時，UI1=UI2=UB，I1=I2=IL/2。

在正常情況下，各模塊的輸出電流是相等的，如果由于某個原因使模塊k的輸出電流突然增大，則模塊k自動成為主模塊，其他的N－1個模塊自動成為從模塊。這時UB=UIk>UIm，各個從模塊UIm（m=1，2，……，k－1，k＋1，……，N）與UB（即UImax）比較后，通過SCm調整基準電壓Urk，自動實現(xiàn)均流。

以上是假定二極管是理想器件，即它的正向壓降等于零。實際上二極管是有正向壓降的，這個正向壓降對從模塊的均流精度雖無影響，但對主模塊的均流精度影響較大。為了克服二極管正向壓降對主模塊均流精度的影響，可以用圖7（b）所示的電壓跟隨器（或稱單向緩沖器buffer）來代替二極管。

3 均流的實現(xiàn)

以民主均流為例，來說明UPS模塊的均流并聯(lián)運行。

3.1 模塊的電路結構

單個模塊的電路結構如圖8所示。主電路是由全橋逆變器和交流濾波器LF及CF組成，控制電路可以采用以基準電壓Urk為基準進行穩(wěn)壓控制的任何形式的PWM控制電路。

由圖8可以得到單個模塊的數(shù)學模型如圖9所示。圖9中電壓UAB就是圖8中逆變器兩個橋臂中點A和B兩點之間的電壓，iH為環(huán)流。

由圖9可以得到如下兩個傳遞函數(shù)

由式（3）與式（4）可知，環(huán)流對輸出電壓的傳遞函數(shù)，與輸入電壓對輸出電壓的傳遞函數(shù)的極點配置是相同的。因此，通過對輸入基準電壓Urk的調節(jié)，就可以減小環(huán)流，從而達到均流的目的。

圖10為一個模塊的基準正弦波電壓發(fā)生器電路，它由精度整流器（A2）、積分器（A3）、可變增益放大器（A1）、功率放大器和波形反饋等組成。輸出電壓Urk的穩(wěn)壓精度可達0.02％，波形失真度0.5％。輸出電壓的大小可以通過給定電壓Ug來整定。因此，均流控制器SCk的輸出電壓Uck，可以通過改變給定電壓Ug的值，來改變基準電壓Urk的值，以達到均流的目的。

3.2 均流控制的實現(xiàn)電路

在均流控制中，由于我們已假定采用圖7所示的民主均流法，則輸出電流最大的主模塊，通過均流母線將主模塊的最大電流傳送給各個從模塊。當各個從模塊得到主模塊的電流數(shù)據(jù)后與自身的輸出電流進行比較，將其差值通過均流控制器SCk產(chǎn)生一個直流電壓Uck去改變模塊的給定電壓Ug，使Urk=Ug＋Uck，通過Urk的變化去控制各個從模塊的輸出電壓增大，從而也使輸出電流增大，直至各個模塊的輸出電流相等時為止，達到均流目的。

一種典型的均流電路實施方式如圖11所示。模塊－k的輸出電流通過電流互感器TAk的檢測，再經(jīng)過整流放大電路后輸出一個直流電壓UIk，UIk正比于模塊的輸出電流Ik。各模塊的直流電壓UIK通過采樣二極管VDk接到均流母線上。只有輸出電流最大的模塊－k所對應的直流電壓UIk才能使與其連接的二極管導通，導通后均流母線上的電壓UB=max│UIk，k=1，2，……，N│，其他的二極管因受反偏置而截止。輸出電流最大的模塊為主模塊，其余模塊為從模塊。由于從模塊的UIkUB，故均流控制器SCk輸出＋Uck，＋Uck與給定電壓Ug相加，使基準電壓Urk=Ug＋Uck，Urk使模塊的輸出電壓上升，也就是使輸出電流增大。由于負載所需的電流沒有變化，故從模塊輸出電流的增大必然會引起主模塊輸出電流的減小，最終使各模塊的輸出電流相等，達到均流目的。

如果圖11中的采樣二極管VDk用圖7（b）所示的緩沖電路來取代，就可以克服前面曾經(jīng)提到的，因二極管正向壓降而引起的主模塊均流精度降低的缺點。

同樣，若用采樣電阻R代替二極管，則圖11所示的均流控制電路就變成了自動均流法控制電路，也可以實現(xiàn)均流。

這里需要指明的一點是，可允許的UPS模塊的并聯(lián)個數(shù)，取決于對UPS可靠性的要求，以及均流精度，對USP可靠性要求越高，均流精度越高，可允許的UPS模塊的并聯(lián)個數(shù)越多。另外也需要指出的是，UPS模塊的并聯(lián)個數(shù)并不是越多可靠性越高，當并聯(lián)個數(shù)達到一定程度以后，再多不但不能增大可靠性，反而使可靠性降低，這是由于并聯(lián)均流電路和通信電路、同步電路的故障率增多而造成的。

4 同步電路

UPS模塊并聯(lián)的同步方式有兩種：一種是各個模塊分別獨立地與市電同步；另一種是各個模塊共用一個同步電路與市電同步，但各模塊的基準正弦電壓分別獨立產(chǎn)生。前一種方法同步過程時間長，電路較復雜；后一種方法同步時間短，電路較簡單，有利于冗余并聯(lián)。采用后一種同步方法的同步原理電路如圖12所示。在并聯(lián)控制器中設置了一個共用同步電路使UPS中的本機振蕩器與市電同步。經(jīng)過同步的振蕩器信號分別送到各個UPS模塊中的基準正弦波電壓發(fā)生器中，使其產(chǎn)生出各模塊所需的基準正弦波電壓Urk，Urk的幅值受給定電壓Ug的控制。通過對各模塊給定電壓Ug的整定，可以使各模塊的基準正弦波電壓Urk的幅值相等。各個模塊的控制電路控制其輸出電壓uL跟蹤Urk，就達到了各模塊輸出電壓與市電電壓同步的目的。振蕩器與市電電壓的同步由鎖相環(huán)來完成，由于晶振頻率精度很高，穩(wěn)定性也很好，因此，可以認為各個模塊的輸出電壓頻率、相位和波形是完全相同的，電壓的幅值用給定電壓Ug進行整定，也可以達到相等。

5 結語

UPS模塊N＋m冗余并聯(lián)，當采用前面介紹的民主均流法時，可以采用美國Unitrode公司生產(chǎn)的UC3907集成均流控制芯片。此芯片結構簡單、功能強大、已在直流開關電源N＋m并聯(lián)系統(tǒng)中得到了廣泛應用。交流冗余并聯(lián)的發(fā)展方向是采用數(shù)字控制，其優(yōu)點是智能化程度高、靈活、成本低廉、可靠性高、維護方便、一致性強。

正弦波UPS模塊的控制策略，除了前面介紹的方法以外，還有PLD控制、無差拍控制、模糊控制等，不管是哪種控制策略，通過改變模塊基準電壓的方法都可以實現(xiàn)均流控制。