可冗余并联运行的单相UPS研制

1　引言

　　信息技术的高速发展和广泛应用，对其供电电源的质量和可靠性要求越来越高，多模块并联实现高可靠性大容量电源被供认为今电力电子技术发展的重要方向之一。以通信二次电源的构成方式为例，从最初的单模块供电发展到1+1冗余，现在N+1方式已被广泛认可。同主电路和控制电路的研究发展过程一样，逆变器并联运行技术的研究也是在借鉴DC/DC并联技术的基础上不断深入，逆变器由于是正弦输出，其并联和热插拔远比直流电源复杂得多[1]，有相序（三相时）、频率、相位、和波形等5个，其中任意一个与电网不一致，就不能使逆变器投入电网；由于交流输出，不能象DC/DC变换器那样简单地用二极管来隔离故障单元。再进一步，要实现UPS并联，则在实现逆变器并联的基础上，还要解决市电跟踪和旁路控制等问题。近几年，国外一些著名UPS公司，如EXIDE，APC，三菱等，已先后推出并机系统产品[2~4］，拥有各自的专利技术。在国内，逆变器并联正成为研究热点之一，但已经实现ＵＰＳ并机的研究成果或产品尚未见报道。
南航航空电源重点实验室在多年逆变器并联运行技术研究的基础上[5]，与科华公司合作，以FR-UK系列（5—100KVA）UPS为背景机，研制成功拥有自主技术的UPS冗余并联产品样机。


2　冗余并联控制的基本原理

　　目前逆变器的并联控制方式有集中控制、主从控制、分散逻辑控制和无互连线独立控制等方案[6]。如，EXIDE产品采用无互连线方式，它在各台UPS性能一致性很好的前提下，检测本机输出功率从一个周期到下一个周期的变化，按照一定的算法，调节本机输出电压相位，使各并联单元之间的相位差调节到最小值，从而实现均流供电[4]；三菱UPS是检测瞬时环流值，分解为有功和无功分量，通过控制幅度和相位偏差，分别均衡电流的无功和有功功率[2]。

　 　本文所提出的并机系统的结构如图1。这是一种有互连线的分散逻辑控制并机方式。互连线包括同步线、均流线和状态线，不多于5条。多机并联时，互连线通过母线槽连接。并机控制环

节分散在各个UPS单机中，各单机完全等价。构成并联系统时不用附加额外的控制模块，理论上可以任意数目并联，也可单机运行。允许热插拔。本方案的技术关键引入了局部反馈和解耦控制的概念。通过施加与基准信号发生器的同步控制，首先使各单机的输出电压基本上实现同频、同相；然后在传统SPWM逆变控制的基础上，增加了一个均流调节器，实现各单机的输出电流均衡。
　　
　　所有的并机控制均在主控板（逆变控制板）上实现。UPS的其它部件（如DC/AC主电路）几乎没有变动。）各单机内部均有旁路。以双机并联为例，正常情况下，双机并联逆变输出；其中一台UPS关机或故障脱机时，由另一台UPS单独逆变供电；只有两台UPS都关机或故障脱机时，才转向旁路供电（两台UPS同时转为旁路输出）。


3　实验结果及分析

　　对6KVA UPS样机进行了双机和三机冗余并联系统实验。主要实验结果如图2~图4及表1~表3。分析实验结果，可见：
　
　　（1）分析图2,并机过程均流迅速、输出电压无扰动。作为负载。故突加负载时，虽然标称功率增加一倍，但实际瞬间负载增大了很多倍，所以图3中，此瞬间电感电流较稳态大得多。

　　（2）分析图3 ，负载突变过程，并联系统有良好的动态均流特性

　
　　
　　（3）分析表1和表2，并机系统的THD一般略大于单机，这是我们所不希望的。
　
　　 （4）分析表2表3和图3 ，双机或三机并联系统在线性及整流性负载条件下，均有好的均流特性。轻载时电流相对误差△I/ 较大的主要原因是各UPS的输出滤波电容值的偏差造成的。由于并联系统直接是对输出滤波电感电流均流，故电容电流的偏差必然造成输出电流（实测量）的偏差。影响均流的另一个主要因素是各UPS的等效电流采样系数值的离散性。

4　结语

　　数字化控制是UPS产品升级的一个重要内容，对于复杂的并机系统更有意义。本文所介绍的并机控制方案，目前是以单片机和模拟控制混合实现的。其功能实现的完善性、复杂化尚待改进。根据仿真和分析，采用全数字化控制后，可以大大简化硬件设计；进一步提高故障监控能力；增强自主分析能力、保证控制参数的高度一致性，减少互连线的数目。


参考文献：

[1]严仰光，ＵＰＳ发展的几个问题，南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室学术年会（APSC'2000）论文集，2000.10，136~137

[2] 庄光前，徐永富，高可靠的三菱UPS冗余并机技术，UPS应用，2000.1

[3] 沈卫东，一种高可靠性、高可用性的模块化UPS冗余系统，UPS应用，2000.2

[4] 李成章，智能化UPS供电系统原理与维修，北京：电子工业出版社，99.3

[5] 邢岩，逆变器并联运行系统的研究，南京航空航天大学博士论文，1999.12

[6] 段善旭等，UPS电压型逆变电源并联控制技术研究，电源世界，2000.2