大容量UPS供電系統(tǒng)兩種構(gòu)成方式簡(jiǎn)介

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和用電設(shè)備的不斷增加，各行業(yè)對(duì)開關(guān)電源模塊UPS 容量的要求越來(lái)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(tái)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(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UPS逆變模塊的開關(guān)頻率提高到MHz級(jí)，從而提高了單機(jī)(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(shí)動(dòng)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(yùn)行時(shí)開關(guān)電源模塊UPS由""N+m""個(gè)逆變模塊并聯(lián)向負(fù)載供電，每個(gè)逆變模塊平均負(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)變模塊出現(xiàn)故障時(shí)，就自行退出供電，而由剩下的N+(m-k)個(gè)逆變模塊繼續(xù)向負(fù)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(jī)功能直接設(shè)計(jì)在各個(gè)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(shí)每個(gè)UPS 的逆變模塊都要平均分配負(fù)載電流。在運(yùn)行中，如果遇到其中一臺(tái)UPS的逆變模塊出故障時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)自動(dòng)把故障的逆變模塊脫機(jī)。此時(shí)，全部負(fù)載由剩下的逆變模塊按照比例平均分擔(dān)。顯然，采用這樣的供電系統(tǒng)，大大增強(qiáng)了UPS供電系統(tǒng)的可靠性。

一、UPS實(shí)現(xiàn)""N+1""冗余并聯(lián)運(yùn)行的條件

UPS的""N+1""冗余并聯(lián)運(yùn)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(gè)條件:

(1)各個(gè)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(gè)UPS的逆變模塊在輸人電壓和負(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(wú)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的逆變模塊出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)檢測(cè)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(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(fù)擔(dān)負(fù)載功率的問(wèn)題。由于各個(gè)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(gè)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(lái)實(shí)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(gè)參數(shù)中的四個(gè)。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(jī)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(wèn)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(guò)共用母線加到負(fù)載上的，這相當(dāng)于各個(gè)逆變模塊共同負(fù)擔(dān)同一個(gè)負(fù)載，所以，各逆變模塊的輸出負(fù)載功率因數(shù)只取決于母線上總負(fù)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(shí)不必再區(qū)分有功和無(wú)功成分，只對(duì)模塊的總輸出電流進(jìn)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(wú)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(cè)市電的頻率和相位，向每個(gè)UPS逆變器發(fā)出同步脈沖，無(wú)市電時(shí)可由晶振產(chǎn)生同步脈沖通過(guò)各個(gè)逆變器單元的鎖相環(huán)控制，來(lái)保證各單元輸出電壓同步。并聯(lián)單元還要檢測(cè)負(fù)載的總電流，然后除以并聯(lián)單元數(shù)作為各個(gè)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(guò)由于存在檢測(cè)誤差，所以實(shí)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(jì)算出△P和△Q，其中△P作為相位補(bǔ)償量，△Q作為電壓幅值補(bǔ)償量，可進(jìn)一步提高并聯(lián)運(yùn)行時(shí)均流的精度。

但是由于系統(tǒng)仍采用一個(gè)集中的控制單元，如果該控制單元出現(xiàn)故障時(shí)整個(gè)開關(guān)電源模塊UPS并聯(lián)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，存在單點(diǎn)故障，不能真正達(dá)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(gè)模塊上，通過(guò)工作方式選擇開關(guān)來(lái)選擇一臺(tái)UPS模塊做主機(jī)，其它單元做從機(jī)。各個(gè)UPS模塊單元檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號(hào)線，并由其內(nèi)部主從標(biāo)志來(lái)控制開關(guān)的閉合與否。當(dāng)系統(tǒng)中的一臺(tái)出現(xiàn)故障對(duì)其余單元仍可以工作，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以通過(guò)切換，使得另外一臺(tái)UPS模塊作為主機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。通常做主機(jī)的一臺(tái)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(hào)仍為公共集中同步信號(hào)，切換過(guò)程中失去同步信號(hào)可能使模塊失效，并且切換控制電路的復(fù)雜性也可能影響系統(tǒng)的正常工作，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，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(yùn)行時(shí)，各個(gè)電源模塊檢測(cè)出自身的有功和無(wú)功功率大小，通過(guò)均流母線傳送到其它并聯(lián)模塊中，與此同時(shí)電源模塊本身也接收來(lái)自其它模塊的有功和無(wú)功信號(hào)進(jìn)行綜合判斷，確定本模塊的有功無(wú)功基準(zhǔn)，從而確定各個(gè)模塊的電壓和同步信號(hào)(頻率和相位)的參考值。

分散邏輯控制技術(shù)，即為一種獨(dú)立并聯(lián)控制方式，它采用了在各逆變電源中把每個(gè)電源模塊的電流及頻率信號(hào)進(jìn)行綜合，得出各自頻率及電壓的補(bǔ)償信號(hào)控制策略。這種方式可實(shí)現(xiàn)真正的冗余并聯(lián)，有一個(gè)模塊故障退出時(shí)，并不影響其它模塊的并聯(lián)運(yùn)行。它以可靠性高、危害性分散、功能擴(kuò)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(jì)算機(jī)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(dāng)多個(gè)模塊并聯(lián)時(shí)互連線數(shù)目較多，信息量大，實(shí)現(xiàn)較復(fù)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(hào)的傳遞，以減少對(duì)其它模塊的依賴程度。它是將第一臺(tái)開關(guān)電源模塊逆變器的輸出電流反饋信號(hào)加到第二臺(tái)逆變器的控制回路中，第二臺(tái)的輸出電流反饋信號(hào)加到第三臺(tái)，依次連接。最后一臺(tái)的輸出電流反饋信號(hào)返回到第一臺(tái)逆變器的控制回路，使并聯(lián)系統(tǒng)在信號(hào)上形成一個(gè)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(hào)，加強(qiáng)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(jì)控制器以解決穩(wěn)定性問(wèn)題。每個(gè)逆變器部由PI控制器來(lái)得到快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，用魯棒控制來(lái)得到多個(gè)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(gè)模塊的電流信號(hào)，無(wú)需模擬信號(hào)平均電路，也無(wú)需知道并聯(lián)模塊數(shù)。但是控制器復(fù)雜，多采用數(shù)字控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，成本高，而且采用H∞方法設(shè)計(jì)控制器，控制器階數(shù)過(guò)高，技術(shù)難度大。