大容量UPS供電系統(tǒng)兩種構(gòu)成方式簡介

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和用電設(shè)備的不斷增加，各行業(yè)對開關(guān)電源模塊UPS 容量的要求越來越大。大容量的UPS供電系統(tǒng)有兩種構(gòu)成方式:一種是采用單臺大容量UPS，另一種是UPS的逆變器采用N+m冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)。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UPS逆變模塊的開關(guān)頻率提高到MHz級，從而提高了單機(或逆變模塊)的功率密度，使開關(guān)電源模塊UPS的逆變模塊體積重量減小，并且減小了各UPS逆變模塊的功率開關(guān)器件的電流應(yīng)力，提高了UPS的可靠性，同時動態(tài)響應(yīng)快、便于維修等。

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)而采用的一種新技術(shù)。在正常運行時開關(guān)電源模塊UPS由N+m個逆變模塊并聯(lián)向負載供電，每個逆變模塊平均負擔1/(N+m)的負載電流，當其中某一個或k個(k≤m)變模塊出現(xiàn)故障時，就自行退出供電，而由剩下的N+(m-k)個逆變模塊繼續(xù)向負載提供100%的電流，從而保證了UPS系統(tǒng)的不間斷供電。

常見的UPS冗余采用“N+1”(m=1)的并聯(lián)方式，或是UPS的逆變模塊經(jīng)系統(tǒng)控制柜并聯(lián)后再向外供電的主從供電體系，以及將并機功能直接設(shè)計在各個UPS的逆變模塊單元中的分散邏輯供電方案。不管采用那種方式，在正常工作時每個UPS 的逆變模塊都要平均分配負載電流。在運行中，如果遇到其中一臺UPS的逆變模塊出故障時，并聯(lián)系統(tǒng)自動把故障的逆變模塊脫機。此時，全部負載由剩下的逆變模塊按照比例平均分擔。顯然，采用這樣的供電系統(tǒng)，大大增強了UPS供電系統(tǒng)的可靠性。

一、UPS實現(xiàn)N+1冗余并聯(lián)運行的條件

UPS的N+1冗余并聯(lián)運行技術(shù)，是提高UPS可靠性和可用性的關(guān)鍵技術(shù)，各UPS模塊的并聯(lián)必須滿足以下三個條件:

(1)各個UPS的逆變模塊的頻率、相位、相序、電壓幅值和波形必須相同;

(2)各個UPS的逆變模塊在輸人電壓和負載的變化范圍內(nèi)，必須能夠?qū)崿F(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(yīng)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的逆變模塊出現(xiàn)故障時，應(yīng)能自動檢測出故障模塊，并將其迅速切除而又不影響其它逆變模塊的正常運行。

其中有兩項關(guān)鍵技術(shù):一是同步技術(shù)，另一個是均流技術(shù)。前者主要是解決各模塊的頻率、相位、波形和相序的一致，后者主要是解決各逆變模塊均勻負擔負載功率的問題。由于各個UPS的逆變模塊都是與市電電網(wǎng)同步并聯(lián)工作的，在各個UPS中部有同樣的相應(yīng)電路或各開關(guān)電源模塊UPS的逆變模塊有一共同的相應(yīng)電路來實現(xiàn)與市電的同步，同步后各UPS的逆變模塊的頻率、相位、波形和相序都與市電電網(wǎng)相同，滿足條件山中的五個參數(shù)中的四個。各逆變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不同或單機UPS的逆變模塊內(nèi)阻壓降不同等引起。因此，均流就成了各逆變模塊并聯(lián)工作的主要問題，必須采用均流的辦法使各逆變模塊的輸出電壓一致。由于各逆變模塊的輸出是通過共用母線加到負載上的，這相當于各個逆變模塊共同負擔同一個負載，所以，各逆變模塊的輸出負載功率因數(shù)只取決于母線上總負載的功率因數(shù)，因此，各逆變模塊的輸出功率因數(shù)相同，在均流時不必再區(qū)分有功和無功成分，只對模塊的總輸出電流進行均流即可。

二、UPS并聯(lián)連接控制方式

UPS的并聯(lián)按照其連接方式一般分為集中控制、主從控制、分散邏輯控制、3C連接控制和無互連線控制方式。

(1)集中控制

集中控制又可以分為直接集中控制和間接集中控制。直接集中控制方式中并聯(lián)單元檢測市電的頻率和相位，向每個UPS逆變器發(fā)出同步脈沖，無市電時可由晶振產(chǎn)生同步脈沖通過各個逆變器單元的鎖相環(huán)控制，來保證各單元輸出電壓同步。并聯(lián)單元還要檢測負載的總電流，然后除以并聯(lián)單元數(shù)作為各個單元的電流參考，并與本單元電流比較求出偏差并控制使其最小。不過由于存在檢測誤差，所以實際輸出電壓相位仍然可能存在誤差。為了消除這一缺陷，可以采用間接集申控制方式，這種方式是用電流誤差△I和輸出電壓u計算出△P和△Q，其中△P作為相位補償量，△Q作為電壓幅值補償量，可進一步提高并聯(lián)運行時均流的精度。

但是由于系統(tǒng)仍采用一個集中的控制單元，如果該控制單元出現(xiàn)故障時整個開關(guān)電源模塊UPS并聯(lián)系統(tǒng)就會癱瘓，存在單點故障，不能真正達到高可靠性和真正冗余的目的，所以目前的并聯(lián)系統(tǒng)較少采用這種方式。

(2)主從控制

主從控制方式是將并聯(lián)控制單元做到每個模塊上，通過工作方式選擇開關(guān)來選擇一臺UPS模塊做主機，其它單元做從機。各個UPS模塊單元檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號線，并由其內(nèi)部主從標志來控制開關(guān)的閉合與否。當系統(tǒng)中的一臺出現(xiàn)故障對其余單元仍可以工作，當主機出現(xiàn)問題時可以通過切換，使得另外一臺UPS模塊作為主機系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。通常做主機的一臺UPS模塊處于電壓控制模式，而其它的UPS處于電流控制模式。

這種方式雖然可靠性有所增加，但其同步信號仍為公共集中同步信號，切換過程中失去同步信號可能使模塊失效，并且切換控制電路的復雜性也可能影響系統(tǒng)的正常工作，從而影響整個系統(tǒng)的性能指標，所以主從式并聯(lián)控制系統(tǒng)并不是較理想的并聯(lián)冗余系統(tǒng)。

3)分散邏輯控制

分散邏輯控制是將控制權(quán)分散。在逆變電源并聯(lián)運行時，各個電源模塊檢測出自身的有功和無功功率大小，通過均流母線傳送到其它并聯(lián)模塊中，與此同時電源模塊本身也接收來自其它模塊的有功和無功信號進行綜合判斷，確定本模塊的有功無功基準，從而確定各個模塊的電壓和同步信號(頻率和相位)的參考值。

分散邏輯控制技術(shù)，即為一種獨立并聯(lián)控制方式，它采用了在各逆變電源中把每個電源模塊的電流及頻率信號進行綜合，得出各自頻率及電壓的補償信號控制策略。這種方式可實現(xiàn)真正的冗余并聯(lián)，有一個模塊故障退出時，并不影響其它模塊的并聯(lián)運行。它以可靠性高、危害性分散、功能擴展容易等良好的特性，在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，并且成為計算機控制系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一，是一種比較完善的分布式智能控制技術(shù)。但當多個模塊并聯(lián)時互連線數(shù)目較多，信息量大，實現(xiàn)較復雜。

(4)3C(CircularChainControl)連接

3C型并聯(lián)的思想是減少互連線的數(shù)目和信號的傳遞，以減少對其它模塊的依賴程度。它是將第一臺開關(guān)電源模塊逆變器的輸出電流反饋信號加到第二臺逆變器的控制回路中，第二臺的輸出電流反饋信號加到第三臺，依次連接。最后一臺的輸出電流反饋信號返回到第一臺逆變器的控制回路，使并聯(lián)系統(tǒng)在信號上形成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，在功率輸出方面形成并聯(lián)關(guān)系。

3C型方案在控制回路中引人其它模塊信號，加強了開關(guān)電源模塊之間的影響，使得常規(guī)方案難以控制，因此一般采用H∞理論設(shè)計控制器以解決穩(wěn)定性問題。每個逆變器部由PI控制器來得到快速動態(tài)響應(yīng)，用魯棒控制來得到多個模塊逆變器的魯棒性，以減少逆變器間的相互影響。與前面的方案相比，開關(guān)電源模塊3C型并聯(lián)方案僅引人一個模塊的電流信號，無需模擬信號平均電路，也無需知道并聯(lián)模塊數(shù)。但是控制器復雜，多采用數(shù)字控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，成本高，而且采用H∞方法設(shè)計控制器，控制器階數(shù)過高，技術(shù)難度大。