基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的供電設(shè)備的未來發(fā)展趨勢之一是模塊化。模塊化不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，易于擴展，而且易于使用和維護，便于批量生產(chǎn)。對于UPS來說，可靠性一直是其目標，并行冗余技術(shù)是實現(xiàn)模塊化、提高系統(tǒng)可靠性的重要支撐技術(shù)。

 

UPS并聯(lián)冗余的基本原理

 

UPS并聯(lián)的必要性

在大功率UPS電源系統(tǒng)中，當由于負載增加而需要增加UPS系統(tǒng)的容量時，可以通過兩種途徑來實現(xiàn)：①增加單個UPS的設(shè)計容量。②使用多個并聯(lián)的UPS來共享負載電流。

對于第一種解決方案，當單個電源供電時，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)可能會癱瘓，并造成不可估量的損失；UPS電源并聯(lián)技術(shù)可以很好地滿足大容量場合的需求。

 

所謂并聯(lián)冗余是指N+N個UPS模塊的并聯(lián)，其中N個單元用于提供負載所需的電流，N個單元為備用冗余模塊。當工作模塊出現(xiàn)故障時，備用冗余模塊將投入運行。這樣，即使運行中的n個模塊中有n個同時發(fā)生故障，UPS系統(tǒng)也可以保證提供100%的負載電流。

 

此外，使用冗余技術(shù)還可以實現(xiàn)UPS電源模塊的熱更換，即在不中斷系統(tǒng)供電能力的情況下更換系統(tǒng)的故障模塊。由并聯(lián)冗余UPS電源組成的供電系統(tǒng)的優(yōu)勢體現(xiàn)如下：

（1） 高可靠性。降低了各模塊功率半導體器件的電應(yīng)力，易于形成N+1冗余電源系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

（2） 逆變器供電系統(tǒng)的容量可以靈活擴展，以滿足用戶的實際需求。

（3） 易于使用和維護。積木式、智能系統(tǒng)現(xiàn)場維護故障單元方便快捷，易于擴展系統(tǒng)功能。

（4） 減少產(chǎn)品類型，促進標準化和標準化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

（5） 并聯(lián)系統(tǒng)電源，單個模塊功率小，開關(guān)頻率可以很高，從而增加了UPS并聯(lián)系統(tǒng)的功率密度。

顯然，UPS并聯(lián)冗余技術(shù)理論上可以不受限制地增加供電系統(tǒng)的容量，因此越來越受到關(guān)注，成為大容量UPS供電系統(tǒng)的研究熱點。

 

UPS并聯(lián)的基本原理

要實現(xiàn)UPS逆變器電源的并聯(lián)運行，關(guān)鍵是每個UPS的逆變器應(yīng)共享負載電流，即實現(xiàn)均流控制。以并聯(lián)的2個UPS逆變電源為例進行分析。

兩個并聯(lián)運行的逆變器電源的等效電路如圖4-30所示。其中，U1、U2表示每個逆變器輸出的基波電壓，L1、L2、C1、C2表示逆變器的輸出濾波器，R表示系統(tǒng)負載。

 

 

從公式（4-50）可以看出：iL1和iL2由兩部分電流組成，一部分是負載電流分量，另一部分是循環(huán)電流分量。當輸出濾波器相同時，負載電流分量總是平衡的。但循環(huán)電流分量的存在會使逆變器的輸出電流發(fā)生變化。

當U1和U2同相時，高壓環(huán)流分量是電容性的，而低壓環(huán)流分量是電感性的。

當U1和U2具有相同的幅度時，相位超前的循環(huán)電流分量是正有功分量，并輸出有功功率；相位滯后的循環(huán)電流分量是負有源分量并吸收有源功率。

 

UPS并聯(lián)技術(shù)要求

與直流電源不同，UPS電源輸出正弦波。并聯(lián)時，需要同時控制輸出電壓的幅度和相位角，即需要相同的頻率、相同的相位和相同的幅度才能運行。從以上UPS并聯(lián)的基本原理分析可以看出，如果每個UPS電源模塊的輸出電壓幅度或相位不一致，則模塊之間會產(chǎn)生有功循環(huán)電流和無功循環(huán)電流。

此外，即使模塊具有相同的頻率、相同的相位和相同的幅度。在操作中，如果各個輸出電壓的諧波含量大，則在模塊之間將存在諧波循環(huán)。因此，逆變器的安全并聯(lián)運行需要滿足以下條件。

（1） 功率共享：并聯(lián)系統(tǒng)中每個逆變器模塊的輸出電壓的頻率、相位、幅度、波形和相序基本相同。每個模塊平均共享魚類負載電流，以平衡輸出靜態(tài)功率和瞬時功率分布。

（2） 自動故障診斷：當單個模塊發(fā)生故障時，并聯(lián)系統(tǒng)可以快速定位故障逆變器，將其從并聯(lián)系統(tǒng)中移除，并將其功率均勻分配給其他模塊

（3） 熱插拔：當待投入控制的逆變器模塊的輸出電壓與并聯(lián)系統(tǒng)電壓之間的頻率、相位、幅度和相序差小于允許誤差時，將自動投入并聯(lián)系統(tǒng)，投入運行時對并聯(lián)系統(tǒng)的影響較??；當任何模塊出現(xiàn)故障或需要大修時，它可以在線退出并行系統(tǒng)，而無需斷電。

 

 

UPS并聯(lián)冗余的發(fā)展方向

UPS的并行冗余是目前的研究熱點。許多學者和UPS制造商從以下幾個方面對UPS中的并行冗余技術(shù)進行了研究。

（1） 并行單元的數(shù)量是量化的，并行控制方法是多樣化的。目前，一些知名品牌的UPS電源公司可以實現(xiàn)并聯(lián)，但并聯(lián)單元的最大數(shù)量不超過10個。PK電子聲稱，它可以并聯(lián)連接100多個單元。

（2） 在低功率UPS電源中，以較低的成本實現(xiàn)了更先進的并聯(lián)策略。目前，大多數(shù)可以并聯(lián)的逆變器電源都是中大功率UPS電源。因此，為了實現(xiàn)并行操作，控制電路成本的增加不會對總成本產(chǎn)生顯著影響。

普通低功率UPS電源的控制電路一般比較簡單，性能不如大功率。因此，要實現(xiàn)其并行操作，電路的設(shè)計難度更大。在解決控制電路特性與成本之間的矛盾方面，各大公司都有一些獨特的設(shè)計方法。

（3） 采用一種新型的高公用電供電系統(tǒng)設(shè)計方案。采用一種新型的高公用事業(yè)電力系統(tǒng)設(shè)計方案，可以保證整個系統(tǒng)的可靠性和靈活性。一方面，這種新型供電系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足大功率負載的需求，并為供電系統(tǒng)增加一定的冗余度。

另一方面，它應(yīng)該以可靠性為基礎(chǔ)，并可以消除系統(tǒng)中任何單點故障的影響。因此，未來大多數(shù)UPS電源系統(tǒng)將基于多模塊并聯(lián)運行的均流控制模式，并使用熱插拔維護方法來提高整個系統(tǒng)的工作性能

（4） 采用高頻鏈式結(jié)構(gòu)技術(shù)。為了完成UPS電源的并聯(lián)，提高性能，減少模塊體積，大多數(shù)公司都采用了高頻鏈式結(jié)構(gòu)技術(shù)。逆變器中減少了工頻變壓器，大大減少了設(shè)備的體積和重量，還節(jié)省了成本，降低了設(shè)備的復雜性。

（5） 采用一種新型的逆變器功率控制技術(shù)。單個UPS的控制技術(shù)對其輸出性能至關(guān)重要。以往對UPS逆變機組的研究主要集中在利用新型功率器件實現(xiàn)高頻開關(guān)和SPWM控制，通過對濾波器的優(yōu)化設(shè)計，減小濾波器的尺寸，實現(xiàn)低輸出阻抗，從而抑制輸出波形失真，提高負載適應(yīng)性。

隨著新型功率開關(guān)器件技術(shù)的成熟，為了進一步改善逆變器的動態(tài)和靜態(tài)特性，相應(yīng)地提出了許多新的控制方法，如：基于瞬時電壓控制的電流前饋控制、基于變結(jié)構(gòu)理論的滑?？刂?、三相逆變電源系統(tǒng)中的空間矢量控制、，基于微處理器的無差拍控制、磁滯電流控制等。這些新的控制方法大大提高了UPS的性能指標。

（6） 采用全數(shù)字控制技術(shù)。為了提高系統(tǒng)的控制性能，完成復雜的并行控制算法，UPS電源的控制最好采用全數(shù)字控制方案，例如使用單片機或DSP來完成系統(tǒng)的檢測、操作和控制。

 

先進的控制技術(shù)是提高變換器電路效率和性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，使用數(shù)字控制可以避免傳統(tǒng)模擬電路控制的各種缺陷。因此，變換器電路控制技術(shù)的發(fā)展方向是數(shù)字化。數(shù)字控制使各種復雜的控制算法易于實現(xiàn)，并進一步減少了設(shè)備的體積和重量，提高了精度和性能。

 

UPS并聯(lián)冗余控制策略

根據(jù)UPS并聯(lián)的技術(shù)要求，UPS系統(tǒng)的并聯(lián)冗余控制模式可分為四種方案：集中控制、主從控制、分布式邏輯控制和無互連線的獨立控制。

 

集中控制方式

集中式控制是最早的逆變器并聯(lián)控制策略。其結(jié)構(gòu)如圖4-31所示。并聯(lián)系統(tǒng)配有一個集中控制單元。當系統(tǒng)運行時，集中控制單元首先檢測市電的相位和頻率，然后進行合成。同步脈沖信號通過模塊之間的互連線路發(fā)送到每個逆變器模塊。

同步脈沖信號的頻率和相位與市電相同，確保逆變器輸出電壓與市電電壓一致。當市電中斷時，集中控制單元的內(nèi)部晶體振蕩器發(fā)出同步信號。在同步脈沖信號的控制下，模塊之間的輸出電壓相位和頻率差非常小。

認為模塊之間的電壓幅度差是導致模塊之間循環(huán)電流的直接因素。在控制環(huán)節(jié)，將單個逆變器模塊的輸出電流與系統(tǒng)輸出進行比較。電流的差值被用作逆變器輸出電壓的補償量，并且通過改變逆變器模塊的輸出電壓幅度來實現(xiàn)并聯(lián)均流控制。

但是，對于集中控制，必須在系統(tǒng)中設(shè)置單獨的集中控制單元。一方面，并行系統(tǒng)很難實現(xiàn)真正的模塊化；另一方面，如果控制單元發(fā)生故障，整個逆變器并聯(lián)系統(tǒng)將癱瘓。因此，集中式控制方法無法真正達到高可靠性和真正冗余的目的，因此這種方法目前很少用于并行系統(tǒng)。

 

 

鑒于集中控制單元對并聯(lián)系統(tǒng)可靠性的限制，進一步提出了主從控制。并聯(lián)時，系統(tǒng)設(shè)置某一模塊為主，輸出為電壓源逆變器；系統(tǒng)中的其他模塊是從模塊，并作為電流源逆變器輸出。

主機采用雙環(huán)控制，保證輸出電壓波形為正弦；同時，主逆變器的輸出電流信號將作為從逆變器的參考信號，從逆變器使用電流回路來跟蹤主逆變器的電流參考，以確保并聯(lián)逆變器模塊的輸出電流相同。主從控制結(jié)構(gòu)如圖4-32所示。

 

主從控制模式

從圖4-32可以看出，主從控制不再有單獨的集中控制單元，系統(tǒng)中的主模塊將執(zhí)行控制單元的功能。盡管如此，主從控制的核心思想仍然與集中控制一致，但控制功率集中在當前系統(tǒng)的主模塊中。當主模塊出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動移除主模塊，并從原來的從模塊中選擇一個新的主模塊，以確保系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。

 

 

主從式控制解決了集中控制中控制單元故障導致系統(tǒng)故障的問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。然而，在主從控制中，主從機的切換過程和控制電路極其復雜。當當前主機故障到新主機時在設(shè)置完成之前，系統(tǒng)將處于不受控制的狀態(tài)，因此存在開關(guān)故障的可能性。與集中控制相比，主從控制提高了系統(tǒng)的可靠性，但仍有可能發(fā)生系統(tǒng)失控，控制效果仍不理想。

 

分布式邏輯控制模式

鑒于主從控制邏輯切換時系統(tǒng)失控的可能性，人們提出了分散邏輯控制，將控制權(quán)均勻分配給每個逆變器模塊，形成了真正民主和獨立的控制，系統(tǒng)控制不再依賴于主控單元，并聯(lián)模塊通過通信線路接收其他模塊的輸出電壓信息，實現(xiàn)電壓鎖相、功率共享和邏輯切換。圖4-33顯示了分布式邏輯控制結(jié)構(gòu)。

 

 

與集中控制和主從控制相比，分散邏輯控制消除了統(tǒng)一的集中控制單元。在并行系統(tǒng)中，每個模塊獨立工作，狀態(tài)相同。系統(tǒng)的可靠性大大提高。逆變器具有互聯(lián)線路并聯(lián)控制。技術(shù)上最實用、最可靠的控制策略被廣泛應(yīng)用于實際的UPS產(chǎn)品中。

然而，對于大型電力供應(yīng)保障系統(tǒng)，系統(tǒng)中存在大量并行模塊，物理位置分散。此時，過多的互連將大大增加逆變器并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜性，并嚴重限制并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性。

 

無互聯(lián)控制方法

為了解決有互連線逆變器并聯(lián)控制中逆變器模塊間的互連線對并聯(lián)系統(tǒng)可靠性的限制，對無互連線逆變器的并聯(lián)控制技術(shù)進行了一系列的研究和探索，并取得了一定的成果。圖4-34顯示了無互聯(lián)逆變器的并聯(lián)控制結(jié)構(gòu)。

 

 

逆變器無互聯(lián)的并聯(lián)控制可分為兩種：基于電力線通信的無互聯(lián)并聯(lián)控制和基于PQ外部特性下垂的無互聯(lián)并行控制。其中，基于電力線通信的無互聯(lián)并聯(lián)控制使用擴頻芯片。逆變器輸出電壓和電流信息被調(diào)制并疊加在交流總線上。

當信號通過AC總線傳輸時，每個模塊接收并解調(diào)并聯(lián)系統(tǒng)中剩余逆變器的狀態(tài)信號，并經(jīng)過綜合計算獲得該模塊的控制信號。盡管這種方法實現(xiàn)了逆變器的并聯(lián)而不互連，但在高頻信號疊加在AC總線上后，逆變器輸出電壓波形將失真并且逆變器狀態(tài)信號也將受到AC總線電壓的影響。因此，考慮到諧波的影響，基于電力線通信的無互聯(lián)并聯(lián)控制效果并不理想。

借鑒同步發(fā)電機組自同步中的下垂控制原理，提出了一種基于PQ外特性下垂的無聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)控制。并聯(lián)系統(tǒng)中的每個并聯(lián)模塊只需要檢測自己的輸出電壓和電流信號，模塊中的控制單元就可以完成。該模塊的控制信號可以計算出來，實現(xiàn)均流控制。消除了并聯(lián)模塊之間的狀態(tài)通信線路，實現(xiàn)了并聯(lián)模塊間的電氣隔離，提高了并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)配置更加靈活。

無互聯(lián)逆變器并聯(lián)控制的基本思想是PQ外部特性下垂控制，稱為下垂控制。下垂控制利用逆變器輸出電壓相位和振幅與輸出有功功率和無功功率之間的對應(yīng)關(guān)系，通過調(diào)整逆變器輸出電壓頻率和振幅來控制逆變器輸出有功功率與無功功率。然后電源就達到了模塊并聯(lián)均流的目的。圖4-35顯示了下垂控制的原理。

 

 

基于上述分析，無需互聯(lián)的逆變器并聯(lián)控制的優(yōu)點是：

（1） 消除了并聯(lián)模塊之間的狀態(tài)互連線，實現(xiàn)了電氣隔離，避免了并聯(lián)模塊間的噪聲干擾真正的冗余電源，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

（2） 實現(xiàn)真正意義上的模塊化，并且每個逆變器模塊都具有熱插拔功能，系統(tǒng)維護和擴展極為方便。

（3） 由于并聯(lián)模塊之間“獨立自制”，每個模塊只能通過輸出電壓和電流計算來獲得控制信號，因此控制系統(tǒng)需要在很短的時間內(nèi)進行調(diào)整，這對系統(tǒng)的檢測精度和控制策略的指令周期都有很高的要求。否則，下垂控制效果將受到影響。

（4） 由于系統(tǒng)采用下垂控制，逆變器輸出電壓的頻率和幅度與市電之間存在穩(wěn)態(tài)誤差，電源的外部特性相對較軟，不適合對電壓幅度和頻率有嚴格要求的負載。

（5） 逆變器輸出阻抗的性質(zhì)對下垂控制效果有很大影響。在實際系統(tǒng)中，必須考慮逆變器輸出阻抗和線路阻抗之間的差異對下垂控制效果的影響。