冗余式UPS均流技术研究

0 前言：

冗余式UPS也称为冗余式UPS并机系统，其特点是由两台或两台以上的UPS并机同时向负载供电，在容量上至少冗余一台UPS。冗余式UPS的可靠性较高，当其中一台或冗余的几台UPS出现故障时，其他的UPS仍可正常向负载供电，避免了因为出现故障UPS而断电。

在冗余式UPS并机系统中，均流技术是整个系统的核心，冗余结构是以均流技术为基础，均流设计的是否得当，直接决定了UPS的稳定性和可靠性。因此，应该深入的研究UPS的均流技术实现的途径及与其相适应的控制策略、控制方法、外部接口电路等。

1环流的产生

从理论上讲，如果多台普通在线式UPS由同一路电网供电，都可直接并联构成冗余式UPS。由于单机UPS的逆变器跟踪旁路市电，而这些参与并机的UPS都在跟踪同一路市电，一旦直接并机也就相当于互相在相位上跟踪。这些参与并机的UPS在频率和相位上都必须是一致的，因为：(1)在相位上，虽然它们都在频率和相位上跟踪旁路，但在相位上有超前和落后之分，一般大容量UPS的相位跟踪在，如果这两台并联的UPS一个是+，另一个是-，那么两个并联后就有可能在相位上相差，这就有可能使两台UPS输出电压相差

2Umsin3=600sin3=30v

这就会在UPS输出端造成很大的环流，如图1(a)。

(2)在电压上：虽然是同一厂家生产的UPS逆变器，但由于逆变参数和变压器参数的微小差异会导致输出电压不一致，例如一个为217V，一个为223V等，也会在输出端造成环流，如图1(b)。

2均流技术原理分析

UPS的并联运行需要满足5个条件，即并联的各个UPS所产生的电压、频率、波形、相位、相序均相同，只有这样才能消除环流，均分负载功率，其关键就在于各UPS的逆变器应共同负担负载电流，即要实现均流控制，从而达到要求的运行状态。以下不妨以两台UPS的逆变电源并联运行为例进行分析，如图2所示。

图2中：U1、U2代表两个逆变电源输出PWM波形的基波电压；L1、C1、L2、C2分别代表两个逆变电源的输出滤波器；R为公共负载阻抗。

根据图1可列出以下电路基本方程

当U1与U2只存在幅值差异，则此电压差与逆变输出电压同相位，如图3(a)所示。由于电感电流滞后电压90，因此，此时的环流主要是无功分量。当U1与U2只存在相位差异，则此电压差比逆变输出电压超前90，如图3(b)所示，环流电流与逆变电压同相位，因此，此时的环流主要是有功分量。

由式(3)可看出，由于环流iH的存在使各逆变电源的输出电流小仅包含有效负载电流分量，还有环流分量。即iL1、iL2由两部分电流组成，一部分为负载电流分量(1／R+2jωC)U0／2，一部分为环流分量(U1-U2)／2jωL。在输出滤波器参数相同的情况下， (3)式右边第二项自然相等，负载电流分量总是平衡的；但第一项则为无功环流，环流分量的存在会使逆变器的输出电流各不相同。由于(3)式中电压为矢量形式，所以只要U1和U2在电压幅值或相位上任何轻微的差异都会引起两台UPS的电流差异，从而输出远远大于额定输出的环流，并且环流的大小与负载的关系不大。由于环流方向相反，只有当它为0，才能保证并联UPS输出电流相等，而此环流仅由U1、U2决定：当U1、U2同相时，电压高的环流分量是容性，电压低的环流分量是感性；当U1、U2幅值相等时，相位超前者环流分量为正有功分量(输出有功)，相位滞后的环流分量为负有功分量(吸收有功)；在U1、U2既不同相又不同幅值时，环流分量中既有无功部分，又有有功部分。

3系统参数对并联均流的影响

在不同状况下环流分量相对于各逆变电源呈现出不同的负载特性，或为有功或为无功；环流分量改变了各逆变电源的输出电流也相应改变了各逆变电源的输出功率，使各逆变电源所承担的负载均衡。

系统参数对逆变器并联均流的影响有所不同。电感参数的偏移对并联系统均流程度的影响一般，电感量偏移50％时，系统将产生最大环流，带载能力下降，但仍能正常工作。输出滤波电容参数的偏差对并联系统的均流效果影响不大，在电容量相差50％时，系统产生的环流不到总输出电流的2％，带载能力基本不变。输出电压幅值的偏差对并联系统的均流效果有很大影响。电压幅值相差5％时，并联系统将产生2倍于输出电流的环流，带载能力急剧下降，不能正常工作。输出电压相位的差异对并联系统均流效果的影响很大，在相位相差9的情况下，并联系统将会产生系统总输出电流的6倍左右的环流，系统丧失带载能力，环流将会对逆变器的功率器件产生破坏性影响。

4均流控制方案

目前主要的均流控制方案有：集中控制并联方案(Concentrated Control)、主从控制并联方案(Master-Slave Control)、分布式控制并联方案(Distributed Control)、3C控制并联方案(CircularChain Control)、无线并联控制方案(WirelessIndependent Control)等。其中无线并联控制方案比较流行，同时还出现了一些新的无线均流控制方案：

4.1有功调频和无功调压控制

传统的无线均流控制方案是基于下垂特性，在输出电压调节和功率均分之间取折中，有功功率变化可能导致逆变器输出频率的漂移。有功调频和无功调压控制如图4所示，可以克服无线均流控制的这种缺欠，实现真正的无线并联。

有功调频和无功调压控制利用逆变器的输出交流功率线，作为通信载体的电力线载波通信方式实现逆变器之间的信息交换。每台逆变器都将自身的有功和无功功率通过高频调制成高频数字信号耦合到功率输出母线上，这样，每台逆变器都能获知其他模块的输出功率，从而调节自身的输出电压和频率。 4.2共模电流频率控制

在无线并联均流控制中，电力线载波通信是将单台逆变器自身的信息通过高频调制的方式耦合到输出电力线上，高频干扰使滤波器参数的选择非常困难。针对电力线载波通信的高频干扰产生的误码问题，可以采用共模电流频率控制，如图5所示。

这种控制策略将单台逆变器的自身信息，包括并联模块的台数以及同步信号等，通过频率调制的方式转变成500Hz附近的抖频共模电流信号，从而避免了开关频率对输出信号的干扰，也避免了输出差模滤波器对信号的衰减。各并联模块将功率输出端的共模输出电流与自身的共模给定信号比较，从而得到其他模块的信息。

上述两种无线均流控制方案在一定程度上克服了传统无线并联的输出电压稳态误差大和瞬态响应慢的缺陷。但其本质上仍需依赖于各模块间的信息交换而非基于自身信息的完全自治系统。信息交换必然导致系统可靠性的降低：电力线载波通信方式受逆变器开关管高频干扰的可能性很大，因此，存在一定误码是难免的。共模电流频率控制由于调制输出的信号为中频模拟信号，因而信息的互换对逆变器主电路输出阻抗参数的依赖性很大。例如，若逆变器输出共模阻抗不一致，将会使单台逆变器对并联模块的台数做出错误的估计，从而影响同步和均流精度。

5小结

冗余式UPS凭借其冗余性、热插拔和可交互等方面的特点，极大地提高了供电系统的可扩展性、灵活性、智能化、免维护等方面的性能。由于在电力供给中的重要性，国内外都对其相关技术极为关注。国内外的一些科研机构和UPS制造厂商投入了大量资金、人力和物力进行相关技术的研究，已经有少量相关产品问世。随着UPS系统设计理念的不断深化，冗余式UPS必将引起不间断电源新的革命，进而成为未来UPS系统发展的新趋势。