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(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和用電設(shè)備的不斷增加，對(duì)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(tái)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(huì)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(jí)，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(guān)器件的電流應(yīng)力，提高了UPS的可靠性；同時(shí)動(dòng)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(jiǎn)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(tái)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(jí)，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(dòng)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)同步均流及熱插拔技術(shù)。

1.3??? UPS模塊實(shí)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(shù)，是提高USP可靠性和可用性的關(guān)鍵技術(shù)，模塊的并聯(lián)必須滿足以下3個(gè)條件才能實(shí)現(xiàn)：

??? 1）各個(gè)UPS模塊的頻率、相位、相序、電壓幅值和波形必須相同；

??? 2）各個(gè)UPS模塊在輸入電壓和負(fù)載的變化范圍內(nèi)，必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)負(fù)載有功和無功電流的均勻分配，為此要求均流電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要好，穩(wěn)定度要高；

??? 3）當(dāng)均流或同步出現(xiàn)異常情況或UPS模塊出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)檢出故障模塊，并將其迅速切除而又不影響UPS的正常運(yùn)行。

??? 其中有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是同步技術(shù)，另一個(gè)是均流技術(shù)。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(fù)擔(dān)負(fù)載功率的問題。由于各個(gè)UPS模塊都是與市電電網(wǎng)同步并聯(lián)工作的，在各個(gè)UPS模塊中都有相同的相應(yīng)電路或各模塊有一共用的相應(yīng)電路來實(shí)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(gè)參數(shù)的四個(gè)。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(nèi)阻壓降不同（例如整流管或逆變器開關(guān)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(gè)模塊的輸出是通過共用母線加到負(fù)載上的，這相當(dāng)于各個(gè)模塊共同負(fù)擔(dān)同一個(gè)負(fù)載，所以，各模塊的輸出負(fù)載功率因數(shù)只取決于母線上總的負(fù)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(shí)不必再區(qū)分有功和無功，只對(duì)模塊的總輸出電流進(jìn)行均流即可。下面介紹模塊的均流方法。

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(dòng)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(diào)整率降低，不適合于對(duì)輸出電壓精度要求較高（例如±1％～±3％）的USP應(yīng)用；主從均流法必須要有通信連線，將使系統(tǒng)復(fù)雜化，同時(shí)，如果主USP模塊一旦失敗，則整個(gè)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(jìn)行多路聯(lián)系，連線較復(fù)雜也不能實(shí)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(gè)給定電流來實(shí)現(xiàn)均流的，各模塊之間的信號(hào)連線較多，同時(shí)也不能實(shí)現(xiàn)冗余并聯(lián)，故也不能采用；只有自動(dòng)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(jiǎn)單，是一種比較好的均流法。

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

2.1??? 自動(dòng)均流法

??? 自動(dòng)均流法（automatic approach）又稱作外加均流器法（external controller approach）。在每一個(gè)模塊的控制電路中都需要加一個(gè)特殊的均流控制器〔sharingcontroller，（SC）〕，用以檢測(cè)并聯(lián)各模塊輸出電流的不均衡情況，輸出調(diào)整控制信號(hào)U_ck，以控制各個(gè)模塊實(shí)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(gè)模塊，均流母線上的電壓為U_B。

??? 圖4給出N個(gè)模塊并聯(lián)系統(tǒng)的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)。

圖4??? N個(gè)模塊并聯(lián)的自動(dòng)均流法的原理框圖

??? 模塊k（k=1，2，……N）的均流控制器SC_K，其輸入為均流母線電壓U_B和模塊k的輸出負(fù)載電流I_k的直流檢測(cè)信號(hào)U_Ik，SC_k的輸出電壓信號(hào)U_ck與基準(zhǔn)電壓給定值U_g相加，產(chǎn)生出基準(zhǔn)電壓U_rk，用基準(zhǔn)電壓U_rK對(duì)UPS模塊中的逆變器進(jìn)行PWM控制，就可以使模塊的輸出電壓發(fā)生變化，以達(dá)到均流的目的。為了檢測(cè)各個(gè)模塊的輸出電流，在均流控制器的輸入端接了一個(gè)采樣電阻R。如果把均流母線看成是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)電工學(xué)中基爾霍夫定律可知：流入均流母線的總電流代數(shù)和應(yīng)為零。于是當(dāng)各模塊的采樣電阻值相同時(shí)可得

??? I_B1=；I_B2=；……I_BN=

??? 由于??? I_B1＋I_B2＋……＋I_BN=0

??? 所以??? U_B=（2）

??? 式（2）說明，均流母線上的電壓U_B，是各個(gè)并聯(lián)模塊負(fù)載電流的直流檢測(cè)信號(hào)，亦即是各模塊負(fù)載電流相對(duì)應(yīng)的整流放大器的輸出電壓U_I1，U_I2，……，U_IN的平均值，它反映的是各模塊輸出電流的平均值。

??? U_Ik與U_B之差代表均流誤差，通過均流控制器輸出一個(gè)調(diào)整控制電壓U_ck，一般情況下，U_B可能大于U_Ik也可能小于U_Ik。當(dāng)U_B=U_Ik時(shí)，U_B－U_Ik=0，表明這時(shí)已實(shí)現(xiàn)了均流，則U_ck=0。當(dāng)U_B≠U_Ik時(shí)，U_ck≠0，表明電流分配不均勻。這時(shí)，基準(zhǔn)電壓U_rk按下式修正：U_rk=U_g±U_ck，相當(dāng)于通過均流誤差放大器A_k改變U_rk，以達(dá)到均流目的。

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

??? S=×100％

式中：I_L為并聯(lián)輸出的負(fù)載電流；

????? I_k為模塊k承擔(dān)的電流；

????? I_kmax為模塊k的最大電流。

??? 應(yīng)用均流母線檢測(cè)模塊的輸出電流，還要在窄頻帶的均流環(huán)中用運(yùn)算放大器產(chǎn)生均流誤差信號(hào)，以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓，將使并聯(lián)系統(tǒng)的瞬態(tài)過程復(fù)雜化。為避免使UPS的瞬態(tài)特性變壞，甚至不穩(wěn)定，應(yīng)正確設(shè)計(jì)均流環(huán)的增益。

??? 自動(dòng)均流法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、均流精度高，缺點(diǎn)是如果有一個(gè)模塊與均流母線短路，或接在母線上的任一個(gè)模塊不能工作，則母線電壓下降，將促使各模塊電壓下調(diào)，甚至到達(dá)其下限，結(jié)果造成故障；而當(dāng)某一模塊的電流上升到其極限值時(shí)，該模塊的電流檢測(cè)信號(hào)U_Ik大幅度增大，也會(huì)使它的輸出電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)到下限。下面介紹解決上述兩個(gè)缺點(diǎn)的措施。

2.1.1??? 監(jiān)控均流母線對(duì)地短路故障的措施

??? 均流母線工作正常時(shí)電壓U_B為一定值，且等于各模塊電流I_k檢測(cè)信號(hào)電壓U_Ik的平均值；而均流母線短路時(shí)其電壓U_B=0，利用這個(gè)特點(diǎn)，在均流電路中接一個(gè)均流母線電壓檢測(cè)電路，就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)母線短路故障。檢測(cè)電路如圖5所示，它由光耦、繼電器和聲光報(bào)警器組成。

圖5??? 均流母線對(duì)地短路報(bào)警信號(hào)

2.1.2??? 任一模塊不工作時(shí)的監(jiān)控措施

??? 模塊失效時(shí)，其輸出電流也為零，相應(yīng)的模塊電流I_k檢測(cè)信號(hào)電壓U_Ik=0，即圖6中a點(diǎn)電壓等于零。因此，在整流放大器的輸出端接一個(gè)電壓檢測(cè)電路，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)警器組成。模塊正常工作時(shí)，U_Ik>0，光耦導(dǎo)通，繼電器K工作，K的常開接點(diǎn)閉合，均流采樣電阻R接入母線，K的常閉接點(diǎn)斷開，報(bào)警器不工作；當(dāng)模塊失效時(shí)，U_Ik=0，光耦截止，K失電，K的常開接點(diǎn)斷開，模塊與母線隔離，保證了其他模塊不下調(diào)，K的常閉接點(diǎn)閉合，報(bào)警器工作，告知用戶該模塊失效。

圖6??? 模塊失效監(jiān)控電路

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(dòng)均流法，它是按最大電流（highest current）自動(dòng)均流的，這種均流法也有人將其稱作自動(dòng)民主均流法。其電路是在圖4所示的自動(dòng)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(diǎn)上，負(fù)端接在b點(diǎn)上，由于N個(gè)二極管的負(fù)極都接在了均流母線上，處于相同的電位，則N個(gè)并聯(lián)模塊中只有輸出電流最大的那個(gè)模塊的負(fù)載電流檢測(cè)信號(hào)電壓U_Ik最高。因此，也只有輸出電流最大的那個(gè)模塊，才能使與它連接的二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通后使均流母線上的電壓U_B=U_Ik，其他的二極管因受反偏置而截止。與截止二極管對(duì)應(yīng)的模塊，就以均流母線上的電壓為基準(zhǔn)來調(diào)整各自的輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)均流。

??? 從以上分析可知，民主均流法實(shí)質(zhì)上是在N個(gè)并聯(lián)的模塊中，輸出電流最大的模塊將自動(dòng)成為主模塊，其余的模塊則成為從模塊，各個(gè)從模塊的電壓誤差依次被整定，以調(diào)節(jié)負(fù)載電流分配的不均衡。由于N個(gè)并聯(lián)的模塊中，事先沒有人為設(shè)定哪個(gè)模塊為主模塊，而是按輸出電流的大小隨機(jī)排序，輸出電流大的模塊自動(dòng)成為主模塊，所以人們稱此種均流法為自動(dòng)民主均流法，或民主自動(dòng)主從設(shè)定均流法。民主均流法（即按最大電流自動(dòng)均流）的原理框圖如圖7所示。圖中模塊k的電流檢測(cè)信號(hào)U_Ik經(jīng)過一個(gè)二極管接到均流母線上，均流母線上的電壓U_B=max│U_Ik，k=1，2，……，N│反映N個(gè)并聯(lián)模塊中最大的一個(gè)模塊電流。均流控制器SC_k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U_I1>U_I2，U_I1使二極管VD₁導(dǎo)通，U_B=U_I1。由于U_I2<U_B=U_I1，所以二極管VD₂截止。SC₁的輸出電壓U_c1=0，SC₂的輸出電壓U_c2=＋U_c2，＋U_c2使模塊2的基準(zhǔn)電壓增大，并使模塊2的輸出電流增加，達(dá)到均流目的，此時(shí)，U_I1=U_I2=U_B，I₁=I₂=I_L/2。

（a）??? 電路框圖

（b）??? 電壓跟隨器電路圖

圖7??? 民主均流法的原理電路框圖

??? 在正常情況下，各模塊的輸出電流是相等的，如果由于某個(gè)原因使模塊k的輸出電流突然增大，則模塊k自動(dòng)成為主模塊，其他的N－1個(gè)模塊自動(dòng)成為從模塊。這時(shí)U_B=U_Ik>U_Im，各個(gè)從模塊U_Im（m=1，2，……，k－1，k＋1，……，N）與U_B（即U_Imax）比較后，通過SC_m調(diào)整基準(zhǔn)電壓U_rk，自動(dòng)實(shí)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(shí)際上二極管是有正向壓降的，這個(gè)正向壓降對(duì)從模塊的均流精度雖無影響，但對(duì)主模塊的均流精度影響較大。為了克服二極管正向壓降對(duì)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(shí)現(xiàn)

??? 以民主均流為例，來說明UPS模塊的均流并聯(lián)運(yùn)行。

3.1??? 模塊的電路結(jié)構(gòu)

??? 單個(gè)模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。主電路是由全橋逆變器和交流濾波器L_F及C_F組成，控制電路可以采用以基準(zhǔn)電壓U_rk為基準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)壓控制的任何形式的PWM控制電路。

圖8??? 單個(gè)模塊的電路組成

??? 由圖8可以得到單個(gè)模塊的數(shù)學(xué)模型如圖9所示。圖9中電壓U_AB就是圖8中逆變器兩個(gè)橋臂中點(diǎn)A和B兩點(diǎn)之間的電壓，i_H為環(huán)流。

圖9??? 模塊的數(shù)學(xué)模型

??? 由圖9可以得到如下兩個(gè)傳遞函數(shù)

??? =（3）

??? =（4）

??? 由式（3）與式（4）可知，環(huán)流對(duì)輸出電壓的傳遞函數(shù)，與輸入電壓對(duì)輸出電壓的傳遞函數(shù)的極點(diǎn)配置是相同的。因此，通過對(duì)輸入基準(zhǔn)電壓U_rk的調(diào)節(jié)，就可以減小環(huán)流，從而達(dá)到均流的目的。

??? 圖10為一個(gè)模塊的基準(zhǔn)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?cè)鲆娣糯笃?/u>（A₁）、功率放大器和波形反饋等組成。輸出電壓U_rk的穩(wěn)壓精度可達(dá)±0.02％，波形失真度<0.5％。輸出電壓的大小可以通過給定電壓U_g來整定。因此，均流控制器SC_k的輸出電壓U_ck，可以通過改變給定電壓U_g的值，來改變基準(zhǔn)電壓U_rk的值，以達(dá)到均流的目的。