大容量UPS供电系统两种构成方式简介

随着社会经济的发展和用电设备的不断增加，各行业对开关电源模块UPS 容量的要求越来越大。大容量的UPS供电系统有两种构成方式:一种是采用单台大容量UPS，另一种是UPS的逆变器采用N+m冗余并联结构。前者的缺点是成本高、体积重量大、运输安装困难、可靠性差，一旦出现故障将会引起供电瘫痪。后者的好处是提高了供电的灵活性，可以将小功率UPS逆变模块的开关频率提高到MHz级，从而提高了单机(或逆变模块)的功率密度，使开关电源模块UPS的逆变模块体积重量减小，并且减小了各UPS逆变模块的功率开关器件的电流应力，提高了UPS的可靠性，同时动态响应快、便于维修等。

N+m冗余并联技术是专门为了提高UPS的可靠性和热维修(也称作热插拔和热更换)而采用的一种新技术。在正常运行时开关电源模块UPS由N+m个逆变模块并联向负载供电，每个逆变模块平均负担1/(N+m)的负载电流，当其中某一个或k个(k≤m)变模块出现故障时，就自行退出供电，而由剩下的N+(m-k)个逆变模块继续向负载提供100%的电流，从而保证了UPS系统的不间断供电。

常见的UPS冗余采用“N+1”(m=1)的并联方式，或是UPS的逆变模块经系统控制柜并联后再向外供电的主从供电体系，以及将并机功能直接设计在各个UPS的逆变模块单元中的分散逻辑供电方案。不管采用那种方式，在正常工作时每个UPS 的逆变模块都要平均分配负载电流。在运行中，如果遇到其中一台UPS的逆变模块出故障时，并联系统自动把故障的逆变模块脱机。此时，全部负载由剩下的逆变模块按照比例平均分担。显然，采用这样的供电系统，大大增强了UPS供电系统的可靠性。

一、UPS实现N+1冗余并联运行的条件

UPS的N+1冗余并联运行技术，是提高UPS可靠性和可用性的关键技术，各UPS模块的并联必须满足以下三个条件:

(1)各个UPS的逆变模块的频率、相位、相序、电压幅值和波形必须相同;

(2)各个UPS的逆变模块在输人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的逆变模块出现故障时，应能自动检测出故障模块，并将其迅速切除而又不影响其它逆变模块的正常运行。

其中有两项关键技术:一是同步技术，另一个是均流技术。前者主要是解决各模块的频率、相位、波形和相序的一致，后者主要是解决各逆变模块均匀负担负载功率的问题。由于各个UPS的逆变模块都是与市电电网同步并联工作的，在各个UPS中部有同样的相应电路或各开关电源模块UPS的逆变模块有一共同的相应电路来实现与市电的同步，同步后各UPS的逆变模块的频率、相位、波形和相序都与市电电网相同，满足条件山中的五个参数中的四个。各逆变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不同或单机UPS的逆变模块内阻压降不同等引起。因此，均流就成了各逆变模块并联工作的主要问题，必须采用均流的办法使各逆变模块的输出电压一致。由于各逆变模块的输出是通过共用母线加到负载上的，这相当于各个逆变模块共同负担同一个负载，所以，各逆变模块的输出负载功率因数只取决于母线上总负载的功率因数，因此，各逆变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成分，只对模块的总输出电流进行均流即可。

二、UPS并联连接控制方式

UPS的并联按照其连接方式一般分为集中控制、主从控制、分散逻辑控制、3C连接控制和无互连线控制方式。

(1)集中控制

集中控制又可以分为直接集中控制和间接集中控制。直接集中控制方式中并联单元检测市电的频率和相位，向每个UPS逆变器发出同步脉冲，无市电时可由晶振产生同步脉冲通过各个逆变器单元的锁相环控制，来保证各单元输出电压同步。并联单元还要检测负载的总电流，然后除以并联单元数作为各个单元的电流参考，并与本单元电流比较求出偏差并控制使其最小。不过由于存在检测误差，所以实际输出电压相位仍然可能存在误差。为了消除这一缺陷，可以采用间接集申控制方式，这种方式是用电流误差△I和输出电压u计算出△P和△Q，其中△P作为相位补偿量，△Q作为电压幅值补偿量，可进一步提高并联运行时均流的精度。

但是由于系统仍采用一个集中的控制单元，如果该控制单元出现故障时整个开关电源模块UPS并联系统就会瘫痪，存在单点故障，不能真正达到高可靠性和真正冗余的目的，所以目前的并联系统较少采用这种方式。

(2)主从控制

主从控制方式是将并联控制单元做到每个模块上，通过工作方式选择开关来选择一台UPS模块做主机，其它单元做从机。各个UPS模块单元检测网络状态信号线，并由其内部主从标志来控制开关的闭合与否。当系统中的一台出现故障对其余单元仍可以工作，当主机出现问题时可以通过切换，使得另外一台UPS模块作为主机系统继续正常运行。通常做主机的一台UPS模块处于电压控制模式，而其它的UPS处于电流控制模式。

这种方式虽然可靠性有所增加，但其同步信号仍为公共集中同步信号，切换过程中失去同步信号可能使模块失效，并且切换控制电路的复杂性也可能影响系统的正常工作，从而影响整个系统的性能指标，所以主从式并联控制系统并不是较理想的并联冗余系统。

3)分散逻辑控制

分散逻辑控制是将控制权分散。在逆变电源并联运行时，各个电源模块检测出自身的有功和无功功率大小，通过均流母线传送到其它并联模块中，与此同时电源模块本身也接收来自其它模块的有功和无功信号进行综合判断，确定本模块的有功无功基准，从而确定各个模块的电压和同步信号(频率和相位)的参考值。

分散逻辑控制技术，即为一种独立并联控制方式，它采用了在各逆变电源中把每个电源模块的电流及频率信号进行综合，得出各自频率及电压的补偿信号控制策略。这种方式可实现真正的冗余并联，有一个模块故障退出时，并不影响其它模块的并联运行。它以可靠性高、危害性分散、功能扩展容易等良好的特性，在众多领域中得到了广泛的应用，并且成为计算机控制系统发展的主要方向之一，是一种比较完善的分布式智能控制技术。但当多个模块并联时互连线数目较多，信息量大，实现较复杂。

(4)3C(CircularChainControl)连接

3C型并联的思想是减少互连线的数目和信号的传递，以减少对其它模块的依赖程度。它是将第一台开关电源模块逆变器的输出电流反馈信号加到第二台逆变器的控制回路中，第二台的输出电流反馈信号加到第三台，依次连接。最后一台的输出电流反馈信号返回到第一台逆变器的控制回路，使并联系统在信号上形成一个环形结构，在功率输出方面形成并联关系。

3C型方案在控制回路中引人其它模块信号，加强了开关电源模块之间的影响，使得常规方案难以控制，因此一般采用H∞理论设计控制器以解决稳定性问题。每个逆变器部由PI控制器来得到快速动态响应，用鲁棒控制来得到多个模块逆变器的鲁棒性，以减少逆变器间的相互影响。与前面的方案相比，开关电源模块3C型并联方案仅引人一个模块的电流信号，无需模拟信号平均电路，也无需知道并联模块数。但是控制器复杂，多采用数字控制系统来实现，成本高，而且采用H∞方法设计控制器，控制器阶数过高，技术难度大。