UPS并联冗余技术

基于现代电力电子技术的供电设备未来发展趋势之一是模块化。模块化不仅提了系统的可靠性，易于扩展，而且易于使用和维护，便于大批量生产。对于UPS来说，可靠性一直是它的目标，并联冗余技术是实现模块化、提系统可靠性的重要支撑技术。

1. UPS并联冗余的基本原理
   

1. UPS并联的必要性

2. UPS并联基本原理

3. UPS并联技术要求

4. UPS并联冗余的发展方向

2. UPS并联冗余控制策略
   

1. 集中控制方式

2. 主从控制方式

3. 分布式逻辑控制方式

4. 无互联控制方式

在大功率UPS供电系统中，当UPS系统因负载增加而需要增加容量时，可以通过两条路径来实现：①增加单台UPS的设计容量。② 多台UPS并联，分担负载电流。

对于种方案，当单电源供电时，一旦发生故障，系统可能会瘫痪，造成不可估量的损失；UPS电源并联技术可以很好地满足大容量场合的需要。

所谓并联冗余是指N+n个UPS模块并联，其中N个用于提供负载所需的电流，n个为备用冗余模块。当工作模块发生故障时，备用冗余模块投入运行。这样，即使N个运行中的模块中有n个同时发生故障，UPS系统也能保证提供的负载电流。

此外，采用冗余技术还可以实现UPS电源模块的热更换，即在不中断系统供电能力的情况下更换系统故障模块。由并联冗余UPS电源组成的供电系统的优越性体现如下：

(1) 可靠性。降低了各模块功率半导体器件的电应力，容易形成N+1冗余供电系统，提了系统的可靠性。

(2)逆变电源系统的容量可以灵活扩展，满足用户的实际需要。

(3) 易于使用和维护。积木式智能系统现场维护故障单元方便快捷，系统功能易于扩展。

(4)减少产品种类，便于标准化和标准化，缩短产品开发周期。

(5)并联系统供电，单模块功率小，开关频率可以很，从而提UPS并联系统的功率密度。

显然，UPS并联冗余技术理论上可以无限制地增加供电系统的容量，因此越来越受到重视，成为大容量UPS供电系统的研究热点。

实现UPS逆变电源的并联运行，关键是每台UPS的逆变器要共享负载电流，即实现均流控制。以2台UPS逆变电源并联为例进行分析。

两个逆变电源并联运行的等效电路如图 4-30 所示。其中，U1、U2代表各个逆变器输出的基波电压，L1、L2、C1、C2代表逆变器的输出滤波器，R为系统负载。

从公式（4-50）可以看出：iL1和iL2由两部分电流组成，一个是负载电流分量，一个是环流分量。当输出滤波器相同时，负载电流分量总是平衡的。但环流分量的存在会使逆变器的输出电流发生变化。

当U1和U2同相时，压环流分量为容性，低压环流分量为感性。

当U1和U2幅值相同时，相位超前的环流分量为正有功分量，输出有功功率；相位滞后的环流分量为负有功分量，吸收有功功率。

与直流电源不同，UPS 电源输出的是正弦波。并联时，需要同时控制输出电压的幅值和相位角，即要求同频、同相、同幅运行。从上面对UPS并联基本原理的分析可以看出，如果每个UPS电源模块的输出电压幅值或相位不一致，模块之间就会产生有功环流和无功环流。

此外，即使模块同频、同相、同幅运行，如果各输出电压的谐波含量较大，模块之间也会存在谐波循环。因此，逆变器安全并联运行需要满足以下条件。

(1)功率共享：并联系统中各逆变模块输出电压的频率、相位、幅值、波形和相序基本相同。每个模块均分负载电流，以平衡输出静态功率和瞬时功率分配。

(2)故障自动诊断：当单个模块发生故障时，并机系统可以快速定位故障逆变器，将其从并机系统中移除，并将其功率均匀分配给其他模块

(3) 热插拔：当待投入控制的逆变模块输出电压与并机系统电压的频率、相位、幅值、相序之差小于允许误差时，自动投入并机，投运时对并机系统的影响很小。; 当任一模块发生故障或需要检修时，可以不掉电在线退出并机系统。

UPS的并联冗余是当前的研究热点。许多学者和UPS厂商从以下几个方面对UPS中的并联冗余技术进行了研究。

(1)并联机组数量量化，并联控制方式多样化。目前，多家品牌的UPS电源公司都可以实现并联，但大并联数量不超过10台。PK电子声称可以并联100多台。

(2)在小功率UPS电源中，以更低的成本实现更先进的并联策略。目前可并联的逆变电源多为中、大功率UPS电源。因此，为了实现并联运行，控制电路成本的增加不会对总成本产生显着影响。

普通小功率UPS电源的控制电路一般比较简单，性能不如大功率。因此，要实现其并联运行，电路的设计难度较大。在解决控制电路特性和成本的矛盾方面，各大公司都有一些独特的设计方法。

(3)采用全新的效率供电系统设计方案。采用全新的效用电源系统设计方案，可以保证整个系统的可靠性和灵活性。一方面，这种新型供电系统的设计要满足大功率负载的需要，为供电系统增加一定的冗余度。

另一方面，它应该以可靠性为基础，可以消除系统中任何单点故障的影响。因此，未来大部分UPS电源系统将基于多模块并联运行均流控制方式，并采用热插拔维护方式来提整个系统的工作性能。

(4)采用频链式结构技术。为了完成UPS电源的并联，提性能，减小模块体积，大部分企业采用频链式结构技术。在逆变器中减少了工频变压器，大大减小了设备的体积和重量，也节省了成本，降低了设备的复杂度。

(5)采用新型逆变电源控制技术。单台UPS的控制技术对其输出性能至关重要。以往对UPS逆变单元的研究主要集中在利用新型功率器件实现频开关和SPWM控制，减小滤波器尺寸，通过滤波器的优化设计实现低输出阻抗，从而抑制输出波形失真和提负载适应性的目的。

新型功率开关器件技术成熟后，为了进一步改善逆变器的动静态特性，相应提出了许多新的控制方法，如：基于瞬时电压控制的电流前馈控制、基于变结构理论的滑动模式控制、三相逆变供电系统中的空间矢量控制、基于微处理器的无差拍控制、磁滞电流控制等。这些新的控制方法大大提了UPS的性能指标。

(6) 采用全数字控制技术。为了提系统的控制性能，完成复杂的并行控制算法，对UPS电源的控制好采用全数字化控制方案，如采用单片机或DSP完成系统的检测、运行和控制。

先进的控制技术是提变换器电路效率和性能的关键关键技术之一。但是，使用数字控制可以避免传统模拟电路控制的各种缺陷。因此，变流电路控制技术的发展方向是数字化。数字化控制便于实现各种复杂的控制算法，进一步减小了设备的体积和重量，提了精度和性能。

根据UPS并联的技术要求，UPS系统的并联冗余控制方式可分为集中控制、主从控制分布式逻辑控制和无互连线独立控制四种方案。

集中控制是早的逆变器并联控制策略。其结构如图 4-31 所示。并联系统配备集中控制单元。系统运行时，集中控制单元首先检测市电的相位和频率，然后进行综合。同步脉冲信号通过模块之间的互连线发送到每个逆变器模块。

同步脉冲信号的频率和相位与市电相同，保证逆变器输出电压与市电电压一致。当市电中断时，集中控制单元的内部晶振发出同步信号。在同步脉冲信号的控制下，模块之间的输出电压相位和频率差很小。

认为模块间电压幅值差异是引起模块间环流的直接因素。在控制环节，将单个逆变器模块的输出电流与系统输出进行比较。电流的差值作为逆变器输出电压的补偿量，通过改变逆变器模块的输出电压幅值实现并联均流控制。

但是，对于集中控制，必须在系统中设置单独的集中控制单元。一方面，并行系统难以实现真正的模块化；另一方面，如果控制单元出现故障，整个逆变并联系统将瘫痪。因此，集中控制方式并不能真正达到可靠性和真正冗余的目的，所以目前在并联系统中很少采用这种方式。

针对集中控制单元对并联系统可靠性的限制，进一步提出了主从控制。并联时，系统设置某模块为主，输出为电压源逆变器；系统中的其他模块是从机，并作为电流源逆变器输出。

主机采用双回路控制，保证输出电压波形的正弦；同时，主机的输出电流信号将作为从机的参考信号，从机通过电流环跟踪主机的电流参考，保证并联逆变模块的输出电流为相同的。主从控制结构如图4-32所示。

从图4-32可以看出，主从控制不再有单独的集中控制单元，系统中的主模块将执行控制单元的功能。尽管如此，主从控制的核心思想仍然与集中控制一致，只是控制权集中在系统当前的主模块上。当主模块出现故障时，系统会自动移除主模块，并从原来的从模块中选择一个新的主模块，以保证系统继续正常工作。

主从控制解决了集中控制中控制单元故障导致的系统故障问题，提了系统的可靠性。但在主从控制中，主从机的切换过程和控制电路极其复杂。当当前的master失效到新的master设置完成之前，系统会处于不受控状态，所以有切换失败的可能。与集中控制相比，主从控制提了系统可靠性，但仍有可能出现系统失控，控制效果仍不理想。

鉴于主从控制逻辑切换时系统可能失控，人们提出分散逻辑控制，将控制权平均分配给各个逆变模块，形成真正的民主独立控制，系统控制不受控制。不再依赖于主控单元中，并联模块通过通信线路，接收其他模块的输出电压信息，实现电压锁相、功率共享和逻辑切换。图 4-33 显示了分布式逻辑控制结构。

与集中控制和主从控制相比，分散逻辑控制省去了统一的集中控制单元。在并联系统中，各模块独立工作，状态相同。大大提了系统的可靠性。逆变器具有互连线并联控制。技术上实用、可靠的控制策略被广泛应用于实际的UPS产品中。

但是，对于大型供电保障系统，系统中存在大量并联模块，物理位置分散。此时，过多的互连将大大增加逆变器并联系统结构的复杂性，严重制约并联系统的可靠性。

为解决有互连线逆变器并联控制中逆变器模块间互连线对并联系统可靠性的限制，对无互连线逆变器并联控制技术进行了一系列研究和探索。 ，并取得了一定的成果。图 4-34 所示为无互连逆变器的并联控制结构。

逆变器不互连并联控制可分为基于电力线通信的不互连并联控制和基于PQ外特性下垂的不互连并联控制两种。其中，基于电力线通信的无互连并联控制采用扩频芯片将逆变器输出电压和电流信息调制叠加在交流总线上。

当信号通过交流母线传输时，各模块接收并解调并联系统中剩余逆变器的状态信号，综合计算得到该模块的控制信号。频信号叠加在交流母线上后，逆变器输出电压波形会发生畸变，逆变器状态信号也会受到交流母线电压的影响。因此，包括谐波的影响，基于电力线通信的无互连并联控制效果并不理想。

借鉴同步发电机组自同步中的下垂控制原理，人们提出了一种基于PQ外特性下垂的无互连线并联控制。并联系统中的各个并联模块只需要检测自身的输出电压和电流信号，模块中的控制单元就可以计算出该模块的控制信号，实现均流控制。取消了并联模块之间的状态通讯线，实现了并联模块之间的电气隔离，提了并联系统的可靠性和稳定性，系统配置更加灵活。

无互连逆变器并联控制的基本思想是PQ外特性下垂控制，简称下垂控制。下垂控制利用逆变器输出电压相位和幅值与输出有功功率和无功功率的对应关系，通过调节逆变器输出电压的频率和幅值来控制逆变器输出有功功率和无功功率。电源进而达到模块并联均流的目的。图 4-35 显示了下垂控制的原理。

综合以上分析，无互连逆变器并联控制的优势在于：

(1)消除了并联模块之间的状态互连线，实现了电气隔离，避免了并联模块之间的噪声干扰真正的冗余电源，大大提了系统的可靠性。

(2)真正意义上的模块化实现，每个逆变模块都具有热插拔功能，系统维护和扩展极为方便。

(3)由于并联模块之间“独立自制”，各模块仅通过输出电压和电流计算得到控制信号，因此需要在极短的时间内对控制系统进行调整，对检测精度要求较系统和控制策略的命令周期。否则会影响下垂控制效果。

(4)由于系统采用下垂控制，逆变器输出电压频率和幅值与市电存在稳态误差，电源外特性比较软，不适合要求严格的负载关于电压幅度和频率。

(5) 逆变器输出阻抗的性质对下垂控制效果影响很大。在实际系统中，必须考虑逆变器输出阻抗与线路阻抗之差对下垂控制效果的影响。