简述UPS并联常见的连接控制方式

 

　　计算机在通信系统中的广泛应用，对供电质量提出了越来越高的要求，由此在通信机房中安装UPS（不间断电源）供电系统变得越来越普遍。一个设计良好的UPS供电系统能给负载提供优质电源，然而在实际应用中，许多问题又往往是UPS供电系统本身引起的。因此，如何建立~个合理的、安全的UPS供电系统成为大家关注的问题。保证任何情况下的正常供电，是石油、天然气化工行业的重要基础。某厂为我国大型的天然气化工企业，其生产具有高温、高压、易燃、易爆、工艺控制复杂、联锁多、生产连续性强等特点。为此，除工业电网正常供电外，还需配备UPS供电系统。UPS是保障供电稳定和连续性的重要设备，并具有稳压、净化等特点。

    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（hotplugin）〕而采用的一种新技术。所谓N+m冗余并联，是指在一个UPS单机内部，采用N+m个相同的电源模块（powersupplyunits,简称PSU）并联组成UPS整机。其中N代表向负载提供额定电流的模块个数，m代表冗余模块个数。m越大USP的可靠性越高，但UPS的成本也越高。在正常运行时UPS由N+m个模块并联向负载供电，每个模块平均负担1/（N+m）的负载电流，当其中某一个或k个（k≤m）模块故障时，就自行退出供电，而由剩下的N+（m-k）个模块继续向负载提供100%的电流，从而保证了USP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。

　　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。

　　USP模块的均流UPS模块的均流有多种方法，例如，自整步均流法、外特性下垂法、外部控制法、主从控制均流法、平均电流均流法、自动均流法和民主主从均流法等。在这些均流法中，并不都适合于UPS模块的N+1冗余并联，例如，外特性下垂法和基于外特性下垂法的均流法，使模块的输出外特性变软，电压调整率降低，不适合于对输出电压要求较高（例如±1%~±3%）的USP应用；主从均流法必须要有通信连线，将使系统复杂化，同时，如果主USP模块一旦失败，则整个UPS就不能工作，因此，主从均流法也不适用于UPS的冗余并联系统，再则电压环的带宽较大，也易受外界噪声的干扰；外部控制法需要外加专门的控制器，UPS模块要进行多路联系，连线较复杂也不能实现冗余并联，故也不适合于USP的多模块冗余并联；平均值电流法的输出电流，是通过跟踪同一个给定电流来实现均流的，各模块之间的信号连线较多，同时也不能实现冗余并联，故也不能采用；只有自动均流法和民主主从均流法既适合于USP模块的冗余并联工作，又不影响输出电压的，电路也比较简单，是一种比较好的均流法。

　　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。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。

　　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。它是将台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。一台的输出电流反馈信号返回到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，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。