UPS逆變模塊的Nm冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)和均流

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和用電設(shè)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(gòu)成方式：一種是采用單臺大容量UPS；另一種是在UPS單機(jī)內(nèi)部采用功率模塊N＋m冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)。前者的缺點(diǎn)是成本高、體積重量大、運(yùn)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(guān)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??；并且減小了各模塊的功率開關(guān)器件的電流應(yīng)力，提高了UPS的可靠性；同時(shí)動態(tài)響應(yīng)快，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，便于維修更換等。

N＋m冗余并聯(lián)技術(shù)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(shù)。所謂N＋m冗余并聯(lián)，是指在一個(gè)UPS單機(jī)內(nèi)部，采用N＋ m個(gè)相同的電源模塊（power supply units，簡稱PSU）并聯(lián)組成UPS整機(jī)。其中N代表向負(fù)載提供額定電流的模塊個(gè)數(shù)，m代表冗余模塊個(gè)數(shù)。m越大USP的可靠性越高，但UPS的成本也越高。在正常運(yùn)行時(shí)UPS由N＋ m個(gè)模塊并聯(lián)向負(fù)載供電，每個(gè)模塊平均負(fù)擔(dān)1/(N＋m)的負(fù)載電流，當(dāng)其中某一個(gè)或k個(gè)（k≤m）模塊故障時(shí)，就自行退出供電，而由剩下的N＋（m－k）個(gè)模塊繼續(xù)向負(fù)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(gè)小功率模塊組成的冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的UPS如圖1和圖2所示。圖1是采用n個(gè)整流模塊、一組蓄電池和k個(gè)逆變模塊組成的冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，n可以等于k，也可以不等于k。圖2是采用n個(gè)整流模塊、n組蓄電池和n個(gè)逆變模塊組成的UPS模塊冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式。圖3是采用單一大功率整流模塊、一組蓄電池和一個(gè)大功率逆變模塊組成的結(jié)構(gòu)形式，是一般UPS常用的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 n個(gè)整流模塊和k個(gè)逆變模塊組成的冗余并聯(lián)式UPS

圖2 n個(gè)整流模塊和n個(gè)蓄電池及n個(gè)逆變模塊組成的冗余并聯(lián)式UPS

圖3 單臺大容量UPS的結(jié)構(gòu)形式

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

P_N＋m=1－(1－P₁)N＋m

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

P₃=1－(1－0.99)³=0.999999

3個(gè)UPS模塊的并聯(lián)可以將可靠性提高4個(gè)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）= （1）

式中：MTBF為平均無故障時(shí)間，反映UPS的可靠性及冗余性；

MTTR為平均維修時(shí)間，即維修所需要的時(shí)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(shí)現(xiàn)不停機(jī)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(shí)現(xiàn)UPS的熱插拔不停機(jī)更換模塊技術(shù)，必須滿足3個(gè)條件：一是正常工作UPS模塊自動投入電網(wǎng)；二是并聯(lián)運(yùn)行的UPS模塊之間要實(shí)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(gè)方面的工作，也就解決了USP模塊的熱插拔（熱更換）技術(shù)。

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(yīng)用。直流電源的N＋1冗余并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)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(shù)要復(fù)雜得多，它需要使相序、頻率、相位、電壓幅值和波形等5個(gè)參數(shù)相同才能并聯(lián)。同時(shí)對故障模塊的隔離也不能用二極管來實(shí)現(xiàn)。

USP模塊的并聯(lián)，也不同于同步發(fā)電機(jī)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(shí)輸出電流大的發(fā)電機(jī)可以自行降低轉(zhuǎn)速，達(dá)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(shù)。