UPS逆變模塊的Nm冗余并聯結構和均流

0??? 引言

??? 隨著國民經濟的發展和用電設備的不斷增加，對UPS容量的要求越來越大。大容量的UPS有兩種構成方式：一種是采用單臺大容量UPS；另一種是在UPS單機內部采用功率模塊N＋m冗余并聯結構。前者的缺點是成本高、體積重量大、運輸安裝困難、可靠性差，一旦出現故障將會引起供電癱瘓。后者的好處是提高了供電的靈活性，可以將小功率模塊的開關頻率提高到MHz級，從而提高了模塊的功率密度，使UPS的體積重量減小；并且減小了各模塊的功率開關器件的電流應力，提高了UPS的可靠性；同時動態響應快，可以實現標準化，便于維修更換等。

??? N＋m冗余并聯技術是專門為了提高UPS的可靠性和熱維修〔也稱作熱插拔和熱更換（hotplug-in）〕而采用的一種新技術。所謂N＋m冗余并聯，是指在一個UPS單機內部，采用N＋ m個相同的電源模塊（power supply units，簡稱PSU）并聯組成UPS整機。其中N代表向負載提供額定電流的模塊個數，m代表冗余模塊個數。m越大USP的可靠性越高，但UPS的成本也越高。在正常運行時UPS由N＋ m個模塊并聯向負載供電，每個模塊平均負擔1/(N＋m)的負載電流，當其中某一個或k個（k≤m）模塊故障時，就自行退出供電，而由剩下的N＋（m－k）個模塊繼續向負載提供100％的電流，從而保證了USP的不間斷供電。

1??? N＋m冗余并聯的可靠性、可用性及條件

1.1??? 可靠性的提高

??? 由N＋m個小功率模塊組成的冗余并聯結構形式的UPS如圖1和圖2所示。圖1是采用n個整流模塊、一組蓄電池和k個逆變模塊組成的冗余并聯結構形式，n可以等于k，也可以不等于k。圖2是采用n個整流模塊、n組蓄電池和n個逆變模塊組成的UPS模塊冗余并聯結構形式。圖3是采用單一大功率整流模塊、一組蓄電池和一個大功率逆變模塊組成的結構形式，是一般UPS常用的結構形式。

圖1??? n個整流模塊和k個逆變模塊組成的冗余并聯式UPS

圖2??? n個整流模塊和n個蓄電池及n個逆變模塊組成的冗余并聯式UPS

圖3??? 單臺大容量UPS的結構形式

??? 下面我們以圖2所示的冗余并聯結構為例，說明為什么冗余并聯結構能夠使可靠性得以提高。當n=k=N＋m時，假定由一個整流模塊和一組蓄電池及一個逆變模塊組成的UPS模塊（如圖2中虛線框內所示）的可靠性為P₁，則N＋ m個UPS模塊的可靠性為

??? P_N＋m=1－(1－P₁)N＋m

??? 例如，當一個UPS模塊的可靠性P₁=0.99時（不可靠性為1％），如果N＋m=3，則

??? P₃=1－(1－0.99)³=0.999999

??? 3個UPS模塊的并聯可以將可靠性提高4個數量級，不可靠性由原來的1％降到了0.000001％。

1.2??? 可用性的提高

??? UPS的可用性的一般定義為

??? 可用性（Availability）=??? （1）

式中：MTBF為平均無故障時間，反映UPS的可靠性及冗余性；

????? MTTR為平均維修時間，即維修所需要的時間。

??? 式（1）說明，UPS的可用性不僅僅取決于MTBF，而且還取決于MTTR，只有采用熱更換（熱插拔）方式，才能使UPS實現不停機更換模塊，即不中斷供電維修，這樣才能真正減小MTTR，提高可用性。要實現UPS的熱插拔不停機更換模塊技術，必須滿足3個條件：一是正常工作UPS模塊自動投入電網；二是并聯運行的UPS模塊之間要實現有功和無功電流的平均分配；三是USP退出并聯，特別是在不干擾電網的情況下快速切除故障的USP模塊。有了這3個方面的工作，也就解決了USP模塊的熱插拔（熱更換）技術。

??? 通常采用的是N＋1（即m=1）冗余并聯方式，這種方式已在通信直流電源中得到了成功應用。直流電源的N＋1冗余并聯運行技術比較簡單，只需要使電壓的大小和極性相同就可以了，而且還能很方便地用二極管來隔離故障的模塊。但是，對于UPS交流電源模塊的并聯技術要復雜得多，它需要使相序、頻率、相位、電壓幅值和波形等5個參數相同才能并聯。同時對故障模塊的隔離也不能用二極管來實現。

??? USP模塊的并聯，也不同于同步發電機的并聯，后者由于輸出阻抗高，靠其本身的下垂特性可以自行均流。同時輸出電流大的發電機可以自行降低轉速，達到頻率和相位的一致。而USP模塊不具備這些特性，需要用控制電路來解決靜態和動態同步均流及熱插拔技術。

1.3??? UPS模塊實現N＋1冗余并聯的條件

??? USP模塊的N＋1冗余并聯技術，是提高USP可靠性和可用性的關鍵技術，模塊的并聯必須滿足以下3個條件才能實現：

??? 1）各個UPS模塊的頻率、相位、相序、電壓幅值和波形必須相同；

??? 2）各個UPS模塊在輸入電壓和負載的變化范圍內，必須能夠實現對負載有功和無功電流的均勻分配，為此要求均流電路的動態響應特性要好，穩定度要高；

??? 3）當均流或同步出現異常情況或UPS模塊出現故障時，應能自動檢出故障模塊，并將其迅速切除而又不影響UPS的正常運行。

??? 其中有兩項關鍵技術：一是同步技術，另一個是均流技術。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模塊均勻負擔負載功率的問題。由于各個UPS模塊都是與市電電網同步并聯工作的，在各個UPS模塊中都有相同的相應電路或各模塊有一共用的相應電路來實現與市電的同步，同步后各模塊的頻率、相位、波形和相序都與市電電網相同，滿足了條件1）中五個參數的四個。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），或模塊內阻壓降不同（例如整流管或逆變器開關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。由于各個模塊的輸出是通過共用母線加到負載上的，這相當于各個模塊共同負擔同一個負載，所以，各模塊的輸出負載功率因數只取決于母線上總的負載的功率因數，因此，各模塊的輸出功率因數相同，在均流時不必再區分有功和無功，只對模塊的總輸出電流進行均流即可。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，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應用；主從均流法必須要有通信連線，將使系統復雜化，同時，如果主USP模塊一旦失敗，則整個UPS就不能工作，因此，主從均流法也不適用于UPS的冗余并聯系統，再則電壓環的帶寬較大，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模塊要進行多路聯系，連線較復雜也不能實現冗余并聯，故也不適合于USP的多模塊冗余并聯；平均值電流法的輸出電流，是通過跟蹤同一個給定電流來實現均流的，各模塊之間的信號連線較多，同時也不能實現冗余并聯，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，都是源于上個世紀80年代的直流均流法。將這兩種直流均流法應用于交流均流時，只須加一個整流環節，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壓控制的基準電壓給定值，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整控制信號，可以直接用于通過對基準電壓直流給定信號的改變，來實現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）。在每一個模塊的控制電路中都需要加一個特殊的均流控制器〔sharingcontroller，（SC）〕，用以檢測并聯各模塊輸出電流的不均衡情況，輸出調整控制信號U_ck，以控制各個模塊實現輸出均流。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模塊，均流母線上的電壓為U_B。

??? 圖4給出N個模塊并聯系統的自動均流法的原理框圖。圖中只示出了均流控制環，電壓控制環沒有畫出，它由模塊的控制電路來實現。

圖4??? N個模塊并聯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與基準電壓給定值U_g相加，產生出基準電壓U_rk，用基準電壓U_rK對UPS模塊中的逆變器進行PWM控制，就可以使模塊的輸出電壓發生變化，以達到均流的目的。為了檢測各個模塊的輸出電流，在均流控制器的輸入端接了一個采樣電阻R。如果把均流母線看成是一個節點，根據電工學中基爾霍夫定律可知：流入均流母線的總電流代數和應為零。于是當各模塊的采樣電阻值相同時可得

??? 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，是各個并聯模塊負載電流的直流檢測信號，亦即是各模塊負載電流相對應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調整控制電壓U_ck，一般情況下，U_B可能大于U_Ik也可能小于U_Ik。當U_B=U_Ik時，U_B－U_Ik=0，表明這時已實現了均流，則U_ck=0。當U_B≠U_Ik時，U_ck≠0，表明電流分配不均勻。這時，基準電壓U_rk按下式修正：U_rk=U_g±U_ck，相當于通過均流誤差放大器A_k改變U_rk，以達到均流目的。

??? 使用這一方法實現均流，可以使N個并聯模塊的電流不均衡度（即均流誤差）在5％以內。定義模塊k的不均衡度為

??? S=×100％

式中：I_L為并聯輸出的負載電流；

????? I_k為模塊k承擔的電流；

????? I_kmax為模塊k的最大電流。

??? 應用均流母線檢測模塊的輸出電流，還要在窄頻帶的均流環中用運算放大器產生均流誤差信號，以調節基準電壓，將使并聯系統的瞬態過程復雜化。為避免使UPS的瞬態特性變壞，甚至不穩定，應正確設計均流環的增益。

??? 自動均流法的優點是電路簡單、容易實現、均流精度高，缺點是如果有一個模塊與均流母線短路，或接在母線上的任一個模塊不能工作，則母線電壓下降，將促使各模塊電壓下調，甚至到達其下限，結果造成故障；而當某一模塊的電流上升到其極限值時，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節到下限。下面介紹解決上述兩個缺點的措施。

2.1.1??? 監控均流母線對地短路故障的措施

??? 均流母線工作正常時電壓U_B為一定值，且等于各模塊電流I_k檢測信號電壓U_Ik的平均值；而均流母線短路時其電壓U_B=0，利用這個特點，在均流電路中接一個均流母線電壓檢測電路，就可以及時發現母線短路故障。檢測電路如圖5所示，它由光耦、繼電器和聲光報警器組成。

圖5??? 均流母線對地短路報警信號

2.1.2??? 任一模塊不工作時的監控措施

??? 模塊失效時，其輸出電流也為零，相應的模塊電流I_k檢測信號電壓U_Ik=0，即圖6中a點電壓等于零。因此，在整流放大器的輸出端接一個電壓檢測電路，就可以實現對模塊失效的監控。監控電路如圖6所示，它由光耦、繼電器和聲光報警器組成。模塊正常工作時，U_Ik>0，光耦導通，繼電器K工作，K的常開接點閉合，均流采樣電阻R接入母線，K的常閉接點斷開，報警器不工作；當模塊失效時，U_Ik=0，光耦截止，K失電，K的常開接點斷開，模塊與母線隔離，保證了其他模塊不下調，K的常閉接點閉合，報警器工作，告知用戶該模塊失效。

圖6??? 模塊失效監控電路

2.2??? 民主均流法

??? 民主均流（democratic）法或稱自治（autonomous）法是另一種自動均流法，它是按最大電流（highest current）自動均流的，這種均流法也有人將其稱作自動民主均流法。其電路是在圖4所示的自動均流法電路中，將采樣電阻換成二極管而成的。二極管的正端接在a點上，負端接在b點上，由于N個二極管的負極都接在了均流母線上，處于相同的電位，則N個并聯模塊中只有輸出電流最大的那個模塊的負載電流檢測信號電壓U_Ik最高。因此，也只有輸出電流最大的那個模塊，才能使與它連接的二極管導通，導通后使均流母線上的電壓U_B=U_Ik，其他的二極管因受反偏置而截止。與截止二極管對應的模塊，就以均流母線上的電壓為基準來調整各自的輸出電流，從而實現均流。

??? 從以上分析可知，民主均流法實質上是在N個并聯的模塊中，輸出電流最大的模塊將自動成為主模塊，其余的模塊則成為從模塊，各個從模塊的電壓誤差依次被整定，以調節負載電流分配的不均衡。由于N個并聯的模塊中，事先沒有人為設定哪個模塊為主模塊，而是按輸出電流的大小隨機排序，輸出電流大的模塊自動成為主模塊，所以人們稱此種均流法為自動民主均流法，或民主自動主從設定均流法。民主均流法（即按最大電流自動均流）的原理框圖如圖7所示。圖中模塊k的電流檢測信號U_Ik經過一個二極管接到均流母線上，均流母線上的電壓U_B=max│U_Ik，k=1，2，……，N│反映N個并聯模塊中最大的一個模塊電流。均流控制器SC_k的輸入是最大的模塊電流與各從模塊電流的差值。以N=2為例，假定模塊1的輸出電流大于模塊2的輸出電流，則U_I1>U_I2，U_I1使二極管VD₁導通，U_B=U_I1。由于U_I2<U_B=U_I1，所以二極管VD₂截止。SC₁的輸出電壓U_c1=0，SC₂的輸出電壓U_c2=＋U_c2，＋U_c2使模塊2的基準電壓增大，并使模塊2的輸出電流增加，達到均流目的，此時，U_I1=U_I2=U_B，I₁=I₂=I_L/2。

（a）??? 電路框圖

（b）??? 電壓跟隨器電路圖

圖7??? 民主均流法的原理電路框圖

??? 在正常情況下，各模塊的輸出電流是相等的，如果由于某個原因使模塊k的輸出電流突然增大，則模塊k自動成為主模塊，其他的N－1個模塊自動成為從模塊。這時U_B=U_Ik>U_Im，各個從模塊U_Im（m=1，2，……，k－1，k＋1，……，N）與U_B（即U_Imax）比較后，通過SC_m調整基準電壓U_rk，自動實現均流。

??? 以上是假定二極管是理想器件，即它的正向壓降等于零。實際上二極管是有正向壓降的，這個正向壓降對從模塊的均流精度雖無影響，但對主模塊的均流精度影響較大。為了克服二極管正向壓降對主模塊均流精度的影響，可以用圖7（b）所示的電壓跟隨器（或稱單向緩沖器buffer）來代替二極管。

3??? 均流的實現

??? 以民主均流為例，來說明UPS模塊的均流并聯運行。

3.1??? 模塊的電路結構

??? 單個模塊的電路結構如圖8所示。主電路是由全橋逆變器和交流濾波器L_F及C_F組成，控制電路可以采用以基準電壓U_rk為基準進行穩壓控制的任何形式的PWM控制電路。

圖8??? 單個模塊的電路組成

??? 由圖8可以得到單個模塊的數學模型如圖9所示。圖9中電壓U_AB就是圖8中逆變器兩個橋臂中點A和B兩點之間的電壓，i_H為環流。

圖9??? 模塊的數學模型

??? 由圖9可以得到如下兩個傳遞函數

??? =（3）

??? =（4）

??? 由式（3）與式（4）可知，環流對輸出電壓的傳遞函數，與輸入電壓對輸出電壓的傳遞函數的極點配置是相同的。因此，通過對輸入基準電壓U_rk的調節，就可以減小環流，從而達到均流的目的。

??? 圖10為一個模塊的基準正弦波電壓發生器電路，它由精度整流器（A₂）、積分器（A₃）、可變增益放大器（A₁）、功率放大器和波形反饋等組成。輸出電壓U_rk的穩壓精度可達±0.02％，波形失真度<0.5％。輸出電壓的大小可以通過給定電壓U_g來整定。因此，均流控制器SC_k的輸出電壓U_ck，可以通過改變給定電壓U_g的值，來改變基準電壓U_rk的值，以達到均流的目的。

圖10??? 基準正弦波電壓發生器電路

3.2??? 均流控制的實現電路

??? 在均流控制中，由于我們已假定采用圖7所示的民主均流法，則輸出電流最大的主模塊，通過均流母線將主模塊的最大電流傳送給各個從模塊。當各個從模塊得到主模塊的電流數據后與自身的輸出電流進行比較，將其差值通過均流控制器SC_k產生一個直流電壓U_ck去改變模塊的給定電壓U_g，使U_rk=U_g＋U_ck，通過U_rk的變化去控制各個從模塊的輸出電壓增大，從而也使輸出電流增大，直至各個模塊的輸出電流相等時為止，達到均流目的。

??? 一種典型的均流電路實施方式如圖11所示。模塊－k的輸出電流通過電流互感器TA_k的檢測，再經過整流放大電路后輸出一個直流電壓U_Ik，U_Ik正比于模塊的輸出電流I_k。各模塊的直流電壓U_IK通過采樣二極管VD_k接到均流母線上。只有輸出電流最大的模塊－k所對應的直流電壓U_Ik才能使與其連接的二極管導通，導通后均流母線上的電壓U_B=max│U_Ik，k=1，2，……，N│，其他的二極管因受反偏置而截止。輸出電流最大的模塊為主模塊，其余模塊為從模塊。由于從模塊的U_Ik<U_B，故均流控制器SC_k輸出＋U_ck，＋U_ck與給定電壓U_g相加，使基準電壓U_rk=U_g＋U_ck，U_rk使模塊的輸出電壓上升，也就是使輸出電流增大。由于負載所需的電流沒有變化，故從模塊輸出電流的增大必然會引起主模塊輸出電流的減小，最終使各模塊的輸出電流相等，達到均流目的。

圖11??? 一種典型的均流控制電路

??? 如果圖11中的采樣二極管VD_k用圖7（b）所示的緩沖電路來取代，就可以克服前面曾經提到的，因二極管正向壓降而引起的主模塊均流精度降低的缺點。

??? 同樣，若用采樣電阻R代替二極管，則圖11所示的均流控制電路就變成了自動均流法控制電路，也可以實現均流。

??? 這里需要指明的一點是，可允許的UPS模塊的并聯個數，取決于對UPS可靠性的要求，以及均流精度，對USP可靠性要求越高，均流精度越高，可允許的UPS模塊的并聯個數越多。另外也需要指出的是，UPS模塊的并聯個數并不是越多可靠性越高，當并聯個數達到一定程度以后，再多不但不能增大可靠性，反而使可靠性降低，這是由于并聯均流電路和通信電路、同步電路的故障率增多而造成的。

4??? 同步電路

??? UPS模塊并聯的同步方式有兩種：一種是各個模塊分別獨立地與市電同步；另一種是各個模塊共用一個同步電路與市電同步，但各模塊的基準正弦電壓分別獨立產生。前一種方法同步過程時間長，電路較復雜；后一種方法同步時間短，電路較簡單，有利于冗余并聯。采用后一種同步方法的同步原理電路如圖12所示。在并聯控制器中設置了一個共用同步電路使UPS中的本機振蕩器與市電同步。經過同步的振蕩器信號分別送到各個UPS模塊中的基準正弦波電壓發生器中，使其產生出各模塊所需的基準正弦波電壓U_rk，U_rk的幅值受給定電壓U_g的控制。通過對各模塊給定電壓U_g的整定，可以使各模塊的基準正弦波電壓U_rk的幅值相等。各個模塊的控制電路控制其輸出電壓u_L跟蹤U_rk，就達到了各模塊輸出電壓與市電電壓同步的目的。振蕩器與市電電壓的同步由鎖相環來完成，由于晶振頻率精度很高，穩定性也很好，因此，可以認為各個模塊的輸出電壓頻率、相位和波形是完全相同的，電壓的幅值用給定電壓U_g進行整定，也可以達到相等。

圖12??? N個并聯模塊與市電同步的原理框圖

5??? 結語

??? UPS模塊N＋m冗余并聯，當采用前面介紹的民主均流法時，可以采用美國Unitrode公司生產的UC3907集成均流控制芯片。此芯片結構簡單、功能強大、已在直流開關電源N＋m并聯系統中得到了廣泛應用。交流冗余并聯的發展方向是采用數字控制，其優點是智能化程度高、靈活、成本低廉、可靠性高、維護方便、一致性強。

??? 正弦波UPS模塊的控制策略，除了前面介紹的方法以外，還有PLD控制、無差拍控制、模糊控制等，不管是哪種控制策略，通過改變模塊基準電壓的方法都可以實現均流控制。