電源：可冗余并聯(lián)運(yùn)行的單相UPS研制

1　引言

信息技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對(duì)其供電電源的質(zhì)量和可靠性要求越來(lái)越高，多模塊并聯(lián)實(shí)現(xiàn)高可靠性大容量電源被供認(rèn)為今電力電子技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。以通信二次電源的構(gòu)成方式為例，從最初的單模塊供電發(fā)展到1+1冗余，現(xiàn)在N+1方式已被廣泛認(rèn)可。同主電路和控制電路的研究發(fā)展過(guò)程一樣，逆變器并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)的研究也是在借鑒DC/DC并聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷深入，逆變器由于是正弦輸出，其并聯(lián)和熱插拔遠(yuǎn)比直流電源復(fù)雜得多[1]，有相序(三相時(shí))、頻率、相位、和波形等5個(gè)，其中任意一個(gè)與電網(wǎng)不一致，就不能使逆變器投入電網(wǎng);由于交流輸出，不能象DC/DC變換器那樣簡(jiǎn)單地用二極管來(lái)隔離故障單元。再進(jìn)一步，要實(shí)現(xiàn)UPS并聯(lián)，則在實(shí)現(xiàn)逆變器并聯(lián)的基礎(chǔ)上，還要解決市電跟蹤和旁路控制等問(wèn)題。近幾年，國(guó)外一些著名UPS公司，如EXIDE，APC，三菱等，已先后推出并機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品[2~4]，擁有各自的專利技術(shù)。在國(guó)內(nèi)，逆變器并聯(lián)正成為研究熱點(diǎn)之一，但已經(jīng)實(shí)現(xiàn)UPS并機(jī)的研究成果或產(chǎn)品尚未見報(bào)道。

南航航空電源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在多年逆變器并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)研究的基礎(chǔ)上[5]，與科華公司合作，以FR-UK系列(5—100KVA)UPS為背景機(jī)，研制成功擁有自主技術(shù)的UPS冗余并聯(lián)產(chǎn)品樣機(jī)。

2　冗余并聯(lián)控制的基本原理

目前逆變器的并聯(lián)控制方式有集中控制、主從控制、分散邏輯控制和無(wú)互連線獨(dú)立控制等方案[6]。如，EXIDE產(chǎn)品采用無(wú)互連線方式，它在各臺(tái)UPS性能一致性很好的前提下，檢測(cè)本機(jī)輸出功率從一個(gè)周期到下一個(gè)周期的變化，按照一定的算法，調(diào)節(jié)本機(jī)輸出電壓相位，使各并聯(lián)單元之間的相位差調(diào)節(jié)到最小值，從而實(shí)現(xiàn)均流供電[4];三菱UPS是檢測(cè)瞬時(shí)環(huán)流值，分解為有功和無(wú)功分量，通過(guò)控制幅度和相位偏差，分別均衡電流的無(wú)功和有功功率[2]。

本文所提出的并機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1。這是一種有互連線的分散邏輯控制并機(jī)方式?；ミB線包括同步線、均流線和狀態(tài)線，不多于5條。多機(jī)并聯(lián)時(shí)，互連線通過(guò)母線槽連接。并機(jī)控制環(huán)

節(jié)分散在各個(gè)UPS單機(jī)中，各單機(jī)完全等價(jià)。構(gòu)成并聯(lián)系統(tǒng)時(shí)不用附加額外的控制模塊，理論上可以任意數(shù)目并聯(lián)，也可單機(jī)運(yùn)行。允許熱插拔。本方案的技術(shù)關(guān)鍵引入了局部反饋和解耦控制的概念。通過(guò)施加與基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的同步控制，首先使各單機(jī)的輸出電壓基本上實(shí)現(xiàn)同頻、同相;然后在傳統(tǒng)SPWM逆變控制的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)均流調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)各單機(jī)的輸出電流均衡。

所有的并機(jī)控制均在主控板(逆變控制板)上實(shí)現(xiàn)。UPS的其它部件(如DC/AC主電路)幾乎沒(méi)有變動(dòng)。)各單機(jī)內(nèi)部均有旁路。以雙機(jī)并聯(lián)為例，正常情況下，雙機(jī)并聯(lián)逆變輸出;其中一臺(tái)UPS關(guān)機(jī)或故障脫機(jī)時(shí)，由另一臺(tái)UPS單獨(dú)逆變供電;只有兩臺(tái)UPS都關(guān)機(jī)或故障脫機(jī)時(shí)，才轉(zhuǎn)向旁路供電(兩臺(tái)UPS同時(shí)轉(zhuǎn)為旁路輸出)。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)6KVA UPS樣機(jī)進(jìn)行了雙機(jī)和三機(jī)冗余并聯(lián)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2~圖4及表1~表3。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可見：

(1)分析圖2,并機(jī)過(guò)程均流迅速、輸出電壓無(wú)擾動(dòng)。作為負(fù)載。故突加負(fù)載時(shí)，雖然標(biāo)稱功率增加一倍，但實(shí)際瞬間負(fù)載增大了很多倍，所以圖3中，此瞬間電感電流較穩(wěn)態(tài)大得多。

(2)分析圖3 ，負(fù)載突變過(guò)程，并聯(lián)系統(tǒng)有良好的動(dòng)態(tài)均流特性

(3)分析表1和表2，并機(jī)系統(tǒng)的THD一般略大于單機(jī)，這是我們所不希望的。

(4)分析表2表3和圖3 ，雙機(jī)或三機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)在線性及整流性負(fù)載條件下，均有好的均流特性。輕載時(shí)電流相對(duì)誤差△I/ 較大的主要原因是各UPS的輸出濾波電容值的偏差造成的。由于并聯(lián)系統(tǒng)直接是對(duì)輸出濾波電感電流均流，故電容電流的偏差必然造成輸出電流(實(shí)測(cè)量)的偏差。影響均流的另一個(gè)主要因素是各UPS的等效電流采樣系數(shù)值的離散性。

4　結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化控制是UPS產(chǎn)品升級(jí)的一個(gè)重要內(nèi)容，對(duì)于復(fù)雜的并機(jī)系統(tǒng)更有意義。本文所介紹的并機(jī)控制方案，目前是以單片機(jī)和模擬控制混合實(shí)現(xiàn)的。其功能實(shí)現(xiàn)的完善性、復(fù)雜化尚待改進(jìn)。根據(jù)仿真和分析，采用全數(shù)字化控制后，可以大大簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì);進(jìn)一步提高故障監(jiān)控能力;增強(qiáng)自主分析能力、保證控制參數(shù)的高度一致性，減少互連線的數(shù)目。

參考文獻(xiàn)：

[1]嚴(yán)仰光，UPS發(fā)展的幾個(gè)問(wèn)題，南京航空航天大學(xué)航空電源航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)年會(huì)(APSC'2000)論文集，2000.10，136~137

[2] 莊光前，徐永富，高可靠的三菱UPS冗余并機(jī)技術(shù)，UPS應(yīng)用，2000.1

[3] 沈衛(wèi)東，一種高可靠性、高可用性的模塊化UPS冗余系統(tǒng)，UPS應(yīng)用，2000.2

[4] 李成章，智能化UPS供電系統(tǒng)原理與維修，北京：電子工業(yè)出版社，99.3

[5] 邢巖，逆變器并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)的研究，南京航空航天大學(xué)博士論文，1999.12

[6] 段善旭等，UPS電壓型逆變電源并聯(lián)控制技術(shù)研究，電源世界，2000.2