UPS逆變模塊的Nm冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)和均流

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，電路也比較簡單，是一種比較好的均流法。

自動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)，將交流信號變換成直流信號就可以了。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。所以，均流電路輸出的直流調(diào)整控制信號，可以直接用于通過對基準(zhǔn)電壓直流給定信號的改變，來實(shí)現(xiàn)USP模塊的交流均流。

2.1 自動均流法

自動均流法（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的直流檢測信號U_Ik，SC_k的輸出電壓信號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)載電流的直流檢測信號，亦即是各模塊負(fù)載電流相對應(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，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。

自動均流法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、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)，該模塊的電流檢測信號U_Ik大幅度增大，也會使它的輸出電壓自動調(diào)節(jié)到下限。下面介紹解決上述兩個(gè)缺點(diǎn)的措施。