UPS逆变模块的Nm冗余并联结构和均流

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，并将其迅速切除而又不影响UPS的正常运行。

其中有两项关键技术：一是同步技术，另一个是均流技术。前者主要是解决各UPS模块的频率、相位、波形和相序的一致，后者主要是解决各UPS模块均匀负担负载功率的问题。由于各个UPS模块都是与市电电网同步并联工作的，在各个UPS模块中都有相同的相应电路或各模块有一共用的相应电路来实现与市电的同步，同步后各模块的频率、相位、波形和相序都与市电电网相同，满足了条件1）中五个参数的四个。只有各模块之间的输出电压可能有些差别，这种差别主要是由直流电压的不同（例如蓄电池电压不同），或模块内阻压降不同（例如整流管或逆变器开关器件的正向压降的不同）等引起的。因此，均流就成了UPS模块并联工作的主要问题，必须用均流的办法使各UPS模块的输出电压一致。由于各个模块的输出是通过共用母线加到负载上的，这相当于各个模块共同负担同一个负载，所以，各模块的输出负载功率因数只取决于母线上总的负载的功率因数，因此，各模块的输出功率因数相同，在均流时不必再区分有功和无功，只对模块的总输出电流进行均流即可。下面介绍模块的均流方法。

2 USP模块的均流

UPS模块的均流有多种方法，例如，自整步均流法、外特性下垂法、外部控制法、主从控制均流法、平均电流均流法、自动均流法和民主主从均流法等。在这些均流法中，并不都适合于UPS模块的N＋1冗余并联，例如，外特性下垂法和基于外特性下垂法的均流法，使模块的输出外特性变软，电压调整率降低，不适合于对输出电压精度要求较高（例如±1％～±3％）的USP应用；主从均流法必须要有通信连线，将使系统复杂化，同时，如果主USP模块一旦失败，则整个UPS就不能工作，因此，主从均流法也不适用于UPS的冗余并联系统，再则电压环的带宽较大，也易受外界噪声的干扰；外部控制法需要外加专门的控制器，UPS模块要进行多路联系，连线较复杂也不能实现冗余并联，故也不适合于USP的多模块冗余并联；平均值电流法的输出电流，是通过跟踪同一个给定电流来实现均流的，各模块之间的信号连线较多，同时也不能实现冗余并联，故也不能采用；只有自动均流法和民主主从均流法既适合于USP模块的冗余并联工作，又不影响输出电压的精度，电路也比较简单，是一种比较好的均流法。

自动均流法和民主主从均流法，都是源于上个世纪80年代的直流均流法。将这两种直流均流法应用于交流均流时，只须加一个整流环节，将交流信号变换成直流信号就可以了。由于逆变器的交流稳压控制的基准电压给定值，一般都是采用与电压有效值等效的直流信号。所以，均流电路输出的直流调整控制信号，可以直接用于通过对基准电压直流给定信号的改变，来实现USP模块的交流均流。

2.1 自动均流法

自动均流法（automatic approach）又称作外加均流器法（external controller approach）。在每一个模块的控制电路中都需要加一个特殊的均流控制器〔sharingcontroller，（SC）〕，用以检测并联各模块输出电流的不均衡情况，输出调整控制信号U_ck，以控制各个模块实现输出均流。这种均流法需要加一根均流母线（sharebus）的带宽较窄的通信线连接各个模块，均流母线上的电压为U_B。

图4给出N个模块并联系统的自动均流法的原理框图。图中只示出了均流控制环，电压控制环没有画出，它由模块的控制电路来实现。

图4 N个模块并联的自动均流法的原理框图

模块k（k=1，2，……N）的均流控制器SC_K，其输入为均流母线电压U_B和模块k的输出负载电流I_k的直流检测信号U_Ik，SC_k的输出电压信号U_ck与基准电压给定值U_g相加，产生出基准电压U_rk，用基准电压U_rK对UPS模块中的逆变器进行PWM控制，就可以使模块的输出电压发生变化，以达到均流的目的。为了检测各个模块的输出电流，在均流控制器的输入端接了一个采样电阻R。如果把均流母线看成是一个节点，根据电工学中基尔霍夫定律可知：流入均流母线的总电流代数和应为零。于是当各模块的采样电阻值相同时可得

I_B1=；I_B2=；……I_BN=

由于 I_B1＋I_B2＋……＋I_BN=0

所以 U_B=（2）

式（2）说明，均流母线上的电压U_B，是各个并联模块负载电流的直流检测信号，亦即是各模块负载电流相对应的整流放大器的输出电压U_I1，U_I2，……，U_IN的平均值，它反映的是各模块输出电流的平均值。

U_Ik与U_B之差代表均流误差，通过均流控制器输出一个调整控制电压U_ck，一般情况下，U_B可能大于U_Ik也可能小于U_Ik。当U_B=U_Ik时，U_B－U_Ik=0，表明这时已实现了均流，则U_ck=0。当U_B≠U_Ik时，U_ck≠0，表明电流分配不均匀。这时，基准电压U_rk按下式修正：U_rk=U_g±U_ck，相当于通过均流误差放大器A_k改变U_rk，以达到均流目的。

使用这一方法实现均流，可以使N个并联模块的电流不均衡度（即均流误差）在5％以内。定义模块k的不均衡度为

S=×100％

式中：I_L为并联输出的负载电流；

I_k为模块k承担的电流；

I_kmax为模块k的最大电流。

应用均流母线检测模块的输出电流，还要在窄频带的均流环中用运算放大器产生均流误差信号，以调节基准电压，将使并联系统的瞬态过程复杂化。为避免使UPS的瞬态特性变坏，甚至不稳定，应正确设计均流环的增益。

自动均流法的优点是电路简单、容易实现、均流精度高，缺点是如果有一个模块与均流母线短路，或接在母线上的任一个模块不能工作，则母线电压下降，将促使各模块电压下调，甚至到达其下限，结果造成故障；而当某一模块的电流上升到其极限值时，该模块的电流检测信号U_Ik大幅度增大，也会使它的输出电压自动调节到下限。下面介绍解决上述两个缺点的措施。