UPS逆变模块的Nm冗余并联结构和均流

0 引言

随着国民经济的发展和用电设备的不断增加，对UPS容量的要求越来越大。大容量的UPS有两种构成方式：一种是采用单台大容量UPS；另一种是在UPS单机内部采用功率模块N＋m冗余并联结构。前者的缺点是成本高、体积重量大、运输安装困难、可靠性差，一旦出现故障将会引起供电瘫痪。后者的好处是提高了供电的灵活性，可以将小功率模块的开关频率提高到MHz级，从而提高了模块的功率密度，使UPS的体积重量减小；并且减小了各模块的功率开关器件的电流应力，提高了UPS的可靠性；同时动态响应快，可以实现标准化，便于维修更换等。

N＋m冗余并联技术是专门为了提高UPS的可靠性和热维修〔也称作热插拔和热更换（hotplug-in）〕而采用的一种新技术。所谓N＋m冗余并联，是指在一个UPS单机内部，采用N＋ m个相同的电源模块（power supply units，简称PSU）并联组成UPS整机。其中N代表向负载提供额定电流的模块个数，m代表冗余模块个数。m越大USP的可靠性越高，但UPS的成本也越高。在正常运行时UPS由N＋ m个模块并联向负载供电，每个模块平均负担1/(N＋m)的负载电流，当其中某一个或k个（k≤m）模块故障时，就自行退出供电，而由剩下的N＋（m－k）个模块继续向负载提供100％的电流，从而保证了USP的不间断供电。

1 N＋m冗余并联的可靠性、可用性及条件

1.1 可靠性的提高

由N＋m个小功率模块组成的冗余并联结构形式的UPS如图1和图2所示。图1是采用n个整流模块、一组蓄电池和k个逆变模块组成的冗余并联结构形式，n可以等于k，也可以不等于k。图2是采用n个整流模块、n组蓄电池和n个逆变模块组成的UPS模块冗余并联结构形式。图3是采用单一大功率整流模块、一组蓄电池和一个大功率逆变模块组成的结构形式，是一般UPS常用的结构形式。

图1 n个整流模块和k个逆变模块组成的冗余并联式UPS

图2 n个整流模块和n个蓄电池及n个逆变模块组成的冗余并联式UPS

图3 单台大容量UPS的结构形式

下面我们以图2所示的冗余并联结构为例，说明为什么冗余并联结构能够使可靠性得以提高。当n=k=N＋m时，假定由一个整流模块和一组蓄电池及一个逆变模块组成的UPS模块（如图2中虚线框内所示）的可靠性为P₁，则N＋ m个UPS模块的可靠性为

P_N＋m=1－(1－P₁)N＋m

例如，当一个UPS模块的可靠性P₁=0.99时（不可靠性为1％），如果N＋m=3，则

P₃=1－(1－0.99)³=0.999999

3个UPS模块的并联可以将可靠性提高4个数量级，不可靠性由原来的1％降到了0.000001％。

1.2 可用性的提高

UPS的可用性的一般定义为

可用性（Availability）= （1）

式中：MTBF为平均无故障时间，反映UPS的可靠性及冗余性；

MTTR为平均维修时间，即维修所需要的时间。

式（1）说明，UPS的可用性不仅仅取决于MTBF，而且还取决于MTTR，只有采用热更换（热插拔）方式，才能使UPS实现不停机更换模块，即不中断供电维修，这样才能真正减小MTTR，提高可用性。要实现UPS的热插拔不停机更换模块技术，必须满足3个条件：一是正常工作UPS模块自动投入电网；二是并联运行的UPS模块之间要实现有功和无功电流的平均分配；三是USP退出并联，特别是在不干扰电网的情况下快速切除故障的USP模块。有了这3个方面的工作，也就解决了USP模块的热插拔（热更换）技术。

通常采用的是N＋1（即m=1）冗余并联方式，这种方式已在通信直流电源中得到了成功应用。直流电源的N＋1冗余并联运行技术比较简单，只需要使电压的大小和极性相同就可以了，而且还能很方便地用二极管来隔离故障的模块。但是，对于UPS交流电源模块的并联技术要复杂得多，它需要使相序、频率、相位、电压幅值和波形等5个参数相同才能并联。同时对故障模块的隔离也不能用二极管来实现。

USP模块的并联，也不同于同步发电机的并联，后者由于输出阻抗高，靠其本身的下垂特性可以自行均流。同时输出电流大的发电机可以自行降低转速，达到频率和相位的一致。而USP模块不具备这些特性，需要用控制电路来解决静态和动态同步均流及热插拔技术。

1.3 UPS模块实现N＋1冗余并联的条件

USP模块的N＋1冗余并联技术，是提高USP可靠性和可用性的关键技术，模块的并联必须满足以下3个条件才能实现：

1）各个UPS模块的频率、相位、相序、电压幅值和波形必须相同；

2）各个UPS模块在输入电压和负载的变化范围内，必须能够实现对负载有功和无功电流的均匀分配，为此要求均流电路的动态响应特性要好，稳定度要高；

3）当均流或同步出现异常情况或UPS模块出现故障时，应能自动检出故障模块，并将其迅