UPS逆变模块的N＋m冗余并联结构和均流

1、UPS逆变模块的Nm冗余并联结构和均流 摘要：介绍了UPS采用电压源逆变器模块的并联运行，及构成Nm冗余并联结构进行供电的好处，讲述了一种新的并联均流电路。 关键词：不间断电源；逆变器模块；并联；冗余Nm引言随着国民经济的发展和用电设备的不断增加，对UPS容量的要求越来越大。大容量的UPS有两种构成方式：一种是采用单台大容量UPS；另一种是在UPS单机内部采用功率模块Nm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，可以将小功率模块的开关频率提高到MHz级，从而提高了模块的功率密度，使UPS的体积重量减小；并

2、且减小了各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，可以实现标准化，便于维修更换等。Nm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Nm冗余并联，是指在一个UPS单机内部，采用Nm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Nm个模块并联向负载供电，每个模块平均负担1/(Nm)的负载电流，当其中某一个或k个（km）模块故障时，就自行

3、退出供电，而由剩下的N（mk）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。1 Nm冗余并联的可靠性、可用性及条件1.1 可靠性的提高由Nm个小功率模块组成的冗余并联结构形式的UPS如图1和图2所示。图1是采用n个整流模块、一组蓄电池和k个逆变模块组成的冗余并联结构形式，n可以等于k，也可以不等于k。图2是采用n个整流模块、n组蓄电池和n个逆变模块组成的UPS模块冗余并联结构形式。图3是采用单一大功率整流模块、一组蓄电池和一个大功率逆变模块组成的结构形式，是一般UPS常用的结构形式。下面我们以图2所示的冗余并联结构为例，说明为什么冗余并联结构能够使可靠性得以提高。当n=k=N

4、m时，假定由一个整流模块和一组蓄电池及一个逆变模块组成的UPS模块（如图2中虚线框内所示）的可靠性为P1，则Nm个UPS模块的可靠性为例如，当一个UPS模块的可靠性P1=0.99时（不可靠性为1），如果Nm=3，则P3=1(10.99)3=0.9999993个UPS模块的并联可以将可靠性提高4个数量级，不可靠性由原来的1降到了0.000001。1.2 可用性的提高UPS的可用性的一般定义为可用性（Availability）=MTBF/(MTBF+MTTR） （1）式中：MTBF为平均无故障时间，反映UPS的可靠性及冗余性；MTTR为平均维修时间，即维修所需要的时间。 式（1）说明，UPS的可用

5、性不仅仅取决于MTBF，而且还取决于MTTR，只有采用热更换（热插拔）方式，才能使UPS实现不停机更换模块，即不中断供电维修，这样才能真正减小MTTR，提高可用性。要实现UPS的热插拔不停机更换模块技术，必须满足3个条件：一是正常工作UPS模块自动投入电网；二是并联运行的UPS模块之间要实现有功和无功电流的平均分配；三是USP退出并联，特别是在不干扰电网的情况下快速切除故障的USP模块。有了这3个方面的工作，也就解决了USP模块的热插拔（热更换）技术。通常采用的是N1（即m=1）冗余并联方式，这种方式已在通信直流电源中得到了成功应用。直流电源的N1冗余并联运行技术比较简单，只需要使电压的大小和

6、极性相同就可以了，而且还能很方便地用二极管来隔离故障的模块。但是，对于UPS交流电源模块的并联技术要复杂得多，它需要使相序、频率、相位、电压幅值和波形等5个参数相同才能并联。同时对故障模块的隔离也不能用二极管来实现。 USP模块的并联，也不同于同步发电机的并联，后者由于输出阻抗高，靠其本身的下垂特性可以自行均流。同时输出电流大的发电机可以自行降低转速，达到频率和相位的一致。而USP模块不具备这些特性，需要用控制电路来解决静态和动态同步均流及热插拔技术。1.3 UPS模块实现N1冗余并联的条件USP模块的N1冗余并联技术，是提高USP可靠性和可用性的关键技术，模块的并联必须满足以下3个条件才能实

7、现：1）各个UPS模块的频率、相位、相序、电压幅值和波形必须相同；2）各个UPS模块在输入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模块出现故障时，应能自动检出故障模块，并将其迅速切除而又不影响UPS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UPS模块的频率、相位、波形和相序的一致，后者主要是解决各UPS模块均匀负担负载功率的问题。由于各个UPS模块都是与市电电网同步并联工作的，在各个UPS模块中都有相同的相应电路或各模块有一共用的相应电路来实现

8、与市电的同步，同步后各模块的频率、相位、波形和相序都与市电电网相同，满足了条件1）中五个参数的四个。只有各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的不同（例如蓄电池电压不同），或模块内阻压降不同（例如整流管或逆变器开关器件的正向压降的不同）等引起的。因此，均流就成了UPS模块并联工作的主要问题，必须用均流的办法使各UPS模块的输出电压一致。由于各个模块的输出是通过共用母线加到负载上的，这相当于各个模块共同负担同一个负载，所以，各模块的输出负载功率因数只取决于母线上总的负载的功率因数，因此，各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，只对模块的总输出电流进行均流即可。

9、下面介绍模块的均流方法。图72 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N1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精度要求较高（例如13）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

10、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精度，电路也比较简单，是一种比较好的均流法。 自动均流法和民主主从均流法，都是源于上个世纪80年代的直流均流法。将这两种直流均流法应用于交流均流时，只须加一个整流环节，将交流信号变换成直流信号就可以了。由于逆变器的交流稳压控制的基准电压给定值，一般都是采用与电压有效值等效的直流信号。所以，均流电

11、路输出的直流调整控制信号，可以直接用于通过对基准电压直流给定信号的改变，来实现USP模块的交流均流。2.1 自动均流法自动均流法（automaticapproach）又称作外加均流器法（externalcontrollerapproach）。在每一个模块的控制电路中都需要加一个特殊的均流控制器sharingcontroller，（SC），用以检测并联各模块输出电流的不均衡情况，输出调整控制信号Uck，以控制各个模块实现输出均流。这种均流法需要加一根均流母线（sharebus）的带宽较窄的通信线连接各个模块，均流母线上的电压为UB。图4给出N个模块并联系统的自动均流法的原理框图。图中只示出了均流

12、控制环，电压控制环没有画出，它由模块的控制电路来实现。模块k（k=1，2，N）的均流控制器SCK，其输入为均流母线电压UB和模块k的输出负载电流Ik的直流检测信号UIk，SCk的输出电压信号Uck与基准电压给定值Ug相加，产生出基准电压Urk，用基准电压UrK对UPS模块中的逆变器进行PWM控制，就可以使模块的输出电压发生变化，以达到均流的目的。为了检测各个模块的输出电流，在均流控制器的输入端接了一个采样电阻R。如果把均流母线看成是一个节点，根据电工学中基尔霍夫定律可知：流入均流母线的总电流代数和应为零。于是当各模块的采样电阻值相同时可得式（2）说明，均流母线上的电压UB，是各个并联模块负载电

13、流的直流检测信号，亦即是各模块负载电流相对应的整流放大器的输出电压UI1，UI2，UIN的平均值，它反映的是各模块输出电流的平均值。UIk与UB之差代表均流误差，通过均流控制器输出一个调整控制电压Uck，一般情况下，UB可能大于UIk也可能小于UIk。当UB=UIk时，UBUIk=0，表明这时已实现了均流，则Uck=0。当UBUIk时，Uck0，表明电流分配不均匀。这时，基准电压Urk按下式修正：Urk=UgUck，相当于通过均流误差放大器Ak改变Urk，以达到均流目的。使用这一方法实现均流，可以使N个并联模块的电流不均衡度（即均流误差）在5以内。定义模块k的不均衡度为式中：IL为并联输出的负

14、载电流；Ik为模块k承担的电流；Ikmax为模块k的最大电流。应用均流母线检测模块的输出电流，还要在窄频带的均流环中用运算放大器产生均流误差信号，以调节基准电压，将使并联系统的瞬态过程复杂化。为避免使UPS的瞬态特性变坏，甚至不稳定，应正确设计均流环的增益。自动均流法的优点是电路简单、容易实现、均流精度高，缺点是如果有一个模块与均流母线短路，或接在母线上的任一个模块不能工作，则母线电压下降，将促使各模块电压下调，甚至到达其下限，结果造成故障；而当某一模块的电流上升到其极限值时，该模块的电流检测信号UIk大幅度增大，也会使它的输出电压自动调节到下限。下面介绍解决上述两个缺点的措施。2.1.1 监

15、控均流母线对地短路故?的措施均流母线工作正常时电压UB为一定值，且等于各模块电流Ik检测信号电压UIk的平均值；而均流母线短路时其电压UB=0，利用这个特点，在均流电路中接一个均流母线电压检测电路，就可以及时发现母线短路故障。检测电路如图5所示，它由光耦、继电器和声光报警器组成。 2.1.2 任一模块不工作时的监控措施模块失效时，其输出电流也为零，相应的模块电流Ik检测信号电压UIk=0，即图6中a点电压等于零。因此，在整流放大器的输出端接一个电压检测电路，就可以实现对模块失效的监控。监控电路如图6所示，它由光耦、继电器和声光报警器组成。模块正常工作时，UIk0，光耦导通，继电器K工作，K的常

16、开接点闭合，均流采样电阻R接入母线，K的常闭接点断开，报警器不工作；当模块失效时，UIk=0，光耦截止，K失电，K的常开接点断开，模块与母线隔离，保证了其他模块不下调，K的常闭接点闭合，报警器工作，告知用户该模块失效。2.2 民主均流法民主均流（democratic）法或称自治（autonomous）法是另一种自动均流法，它是按最大电流（highestcurrent）自动均流的，这种均流法也有人将其称作自动民主均流法。其电路是在图4所示的自动均流法电路中，将采样电阻换成二极管而成的。二极管的正端接在a点上，负端接在b点上，由于N个二极管的负极都接在了均流母线上，处于相同的电位，则N个并联模块中

17、只有输出电流最大的那个模块的负载电流检测信号电压UIk最高。因此，也只有输出电流最大的那个模块，才能使与它连接的二极管导通，导通后使均流母线上的电压UB=UIk，其他的二极管因受反偏置而截止。与截止二极管对应的模块，就以均流母线上的电压为基准来调整各自的输出电流，从而实现均流。从以上分析可知，民主均流法实质上是在N个并联的模块中，输出电流最大的模块将自动成为主模块，其余的模块则成为从模块，各个从模块的电压误差依次被整定，以调节负载电流分配的不均衡。由于N个并联的模块中，事先没有人为设定哪个模块为主模块，而是按输出电流的大小随机排序，输出电流大的模块自动成为主模块，所以人们称此种均流法为自动民主

18、均流法，或民主自动主从设定均流法。民主均流法（即按最大电流自动均流）的原理框图如图7所示。图中模块k的电流检测信号UIk经过一个二极管接到均流母线上，均流母线上的电压UB=maxUIk，k=1，2，N反映N个并联模块中最大的一个模块电流。均流控制器SCk的输入是最大的模块电流与各从模块电流的差值。以N=2为例，假定模块1的输出电流大于模块2的输出电流，则UI1UI2，UI1使二极管VD1导通，UB=UI1。由于UI2UIm，各个从模块UIm（m=1，2，k1，k1，N）与UB（即UImax）比较后，通过SCm调整基准电压Urk，自动实现均流。以上是假定二极管是理想器件，即它的正向压降等于零。实

19、际上二极管是有正向压降的，这个正向压降对从模块的均流精度虽无影响，但对主模块的均流精度影响较大。为了克服二极管正向压降对主模块均流精度的影响，可以用图7（b）所示的电压跟随器（或称单向缓冲器buffer）来代替二极管。3 均流的实现以民主均流为例，来说明UPS模块的均流并联运行。3.1 模块的电路结构单个模块的电路结构如图8所示。主电路是由全桥逆变器和交流滤波器LF及CF组成，控制电路可以采用以基准电压Urk为基准进行稳压控制的任何形式的PWM控制电路。由图8可以得到单个模块的数学模型如图9所示。图9中电压UAB就是图8中逆变器两个桥臂中点A和B两点之间的电压，iH为环流。由图9可以得到如下两

20、个传递函数由式（3）与式（4）可知，环流对输出电压的传递函数，与输入电压对输出电压的传递函数的极点配置是相同的。因此，通过对输入基准电压Urk的调节，就可以减小环流，从而达到均流的目的。图10为一个模块的基准正弦波电压发生器电路，它由精度整流器（A2）、积分器（A3）、可变增益放大器（A1）、功率放大器和波形反馈等组成。输出电压Urk的稳压精度可达0.02，波形失真度0.5。输出电压的大小可以通过给定电压Ug来整定。因此，均流控制器SCk的输出电压Uck，可以通过改变给定电压Ug的值，来改变基准电压Urk的值，以达到均流的目的。3.2 均流控制的实现电路在均流控制中，由于我们已假定采用图7所示

21、的民主均流法，则输出电流最大的主模块，通过均流母线将主模块的最大电流传送给各个从模块。当各个从模块得到主模块的电流数据后与自身的输出电流进行比较，将其差值通过均流控制器SCk产生一个直流电压Uck去改变模块的给定电压Ug，使Urk=UgUck，通过Urk的变化去控制各个从模块的输出电压增大，从而也使输出电流增大，直至各个模块的输出电流相等时为止，达到均流目的。 一种典型的均流电路实施方式如图11所示。模块k的输出电流通过电流互感器TAk的检测，再经过整流放大电路后输出一个直流电压UIk，UIk正比于模块的输出电流Ik。各模块的直流电压UIK通过采样二极管VDk接到均流母线上。只有输出电流最大的

22、模块k所对应的直流电压UIk才能使与其连接的二极管导通，导通后均流母线上的电压UB=maxUIk，k=1，2，N，其他的二极管因受反偏置而截止。输出电流最大的模块为主模块，其余模块为从模块。由于从模块的UIkUB，故均流控制器SCk输出Uck，Uck与给定电压Ug相加，使基准电压Urk=UgUck，Urk使模块的输出电压上升，也就是使输出电流增大。由于负载所需的电流没有变化，故从模块输出电流的增大必然会引起主模块输出电流的减小，最终使各模块的输出电流相等，达到均流目的。如果图11中的采样二极管VDk用图7（b）所示的缓冲电路来取代，就可以克服前面曾经提到的，因二极管正向压降而引起的主模块均流精度降低的缺点。同样，若用采样电阻R代替二极管，则图11所示的均流控制电路就变成了自动均流法控制电路，也可以实现均流。这里需要指明的一点是，可允许的UPS模块的并联个数，取决于对UPS可靠性的要求，以及均流精度，对USP可靠性要求越高，均流精度越高，可允许的UPS模块的并联个数越多。另外也需要指出的是，UPS模