引言

　　隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和用電設(shè)備的不斷增加，對UPS" title="UPS">UPS容量的要求越來越大,。大容量的UPS有兩種構(gòu)成方式：一種是采用單臺大容量UPS,；另一種是在UPS單機內(nèi)部采用功率模塊N＋m冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)。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(xiàn)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(guān)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??；并且減小了各模塊的功率開關(guān)器件的電流應(yīng)力，提高了UPS的可靠性,；同時動態(tài)響應(yīng)快,，可以實現(xiàn)標(biāo)準化，便于維修更換等,。

　　N＋m冗余并聯(lián)技術(shù)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(shù),。所謂N＋m冗余并聯(lián)，是指在一個UPS單機內(nèi)部,，采用N＋m個相同的電源模塊（powersupplyunits,，簡稱PSU）并聯(lián)組成UPS整機。其中N代表向負載提供額定電流的模塊個數(shù),，m代表冗余模塊個數(shù),。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(lián)向負載供電,，每個模塊平均負擔(dān)1/(N＋m)的負載電流,，當(dāng)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(xù)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(lián)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(lián)結(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式,，是一般UPS常用的結(jié)構(gòu)形式,。

　　下面我們以圖2所示的冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)為例，說明為什么冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠使可靠性得以提高,。當(dāng)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(nèi)所示）的可靠性為P1，則N＋m個UPS模塊的可靠性為

　　例如,，當(dāng)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(lián)可以將可靠性提高4個數(shù)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）=MTBF/(MTBF+MTTR）　（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(xiàn)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(xiàn)UPS的熱插拔不停機更換模塊技術(shù),，必須滿足3個條件：一是正常工作UPS模塊自動投入電網(wǎng),；二是并聯(lián)運行的UPS模塊之間要實現(xiàn)有功和無功電流的平均分配；三是USP退出并聯(lián),，特別是在不干擾電網(wǎng)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(shù),。

　　通常采用的是N＋1（即m=1）冗余并聯(lián)方式,，這種方式已在通信直流電源中得到了成功應(yīng)用。直流電源的N＋1冗余并聯(lián)運行技術(shù)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(lián)技術(shù)要復(fù)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(shù)相同才能并聯(lián)。同時對故障模塊的隔離也不能用二極管來實現(xiàn),。

　　USP模塊的并聯(lián),，也不同于同步發(fā)電機的并聯(lián)，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(fā)電機可以自行降低轉(zhuǎn)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(tài)和動態(tài)同步均流及熱插拔技術(shù)。

　　1.3 UPS模塊實現(xiàn)N＋1冗余并聯(lián)的條件

　　USP模塊的N＋1冗余并聯(lián)技術(shù),，是提高USP可靠性和可用性的關(guān)鍵技術(shù),，模塊的并聯(lián)必須滿足以下3個條件才能實現(xiàn)：

　　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(nèi),，必須能夠?qū)崿F(xiàn)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(tài)響應(yīng)特性要好，穩(wěn)定度要高,；

　　3）當(dāng)均流或同步出現(xiàn)異常情況或UPS模塊出現(xiàn)故障時,，應(yīng)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(guān)鍵技術(shù)：一是同步技術(shù),，另一個是均流技術(shù),。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(dān)負載功率的問題。由于各個UPS模塊都是與市電電網(wǎng)同步并聯(lián)工作的,，在各個UPS模塊中都有相同的相應(yīng)電路或各模塊有一共用的相應(yīng)電路來實現(xiàn)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(wǎng)相同,，滿足了條件1）中五個參數(shù)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(nèi)阻壓降不同（例如整流管或逆變器開關(guān)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(lián)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(dāng)于各個模塊共同負擔(dān)同一個負載,，所以，各模塊的輸出負載功率因數(shù)只取決于母線上總的負載的功率因數(shù),，因此,，各模塊的輸出功率因數(shù)相同，在均流時不必再區(qū)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(lián)，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(diào)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(yīng)用,；主從均流法必須要有通信連線,，將使系統(tǒng)復(fù)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(lián)系統(tǒng),，再則電壓環(huán)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(lián)系,，連線較復(fù)雜也不能實現(xiàn)冗余并聯(lián)，故也不適合于USP的多模塊冗余并聯(lián),；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(xiàn)均流的，各模塊之間的信號連線較多,，同時也不能實現(xiàn)冗余并聯(lián),，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(lián)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(yīng)用于交流均流時,，只須加一個整流環(huán)節(jié),，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(wěn)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(diào)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(xiàn)USP模塊的交流均流。

　　2.1 自動均流法

　　自動均流法（automaticapproach）又稱作外加均流器法（externalcontrollerapproach）。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(lián)各模塊輸出電流的不均衡情況，輸出調(diào)整控制信號Uck,，以控制各個模塊實現(xiàn)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UB,。

　　圖4給出N個模塊并聯(lián)系統(tǒng)的自動均流法的原理框圖,。圖中只示出了均流控制環(huán)，電壓控制環(huán)沒有畫出,，它由模塊的控制電路來實現(xiàn),。模塊k（k=1，2,，……N）的均流控制器SCK,，其輸入為均流母線電壓UB和模塊k的輸出負載電流Ik的直流檢測信號UIk，SCk的輸出電壓信號Uck與基準電壓給定值Ug相加,，產(chǎn)生出基準電壓Urk,，用基準電壓UrK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(fā)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(jié)點,，根據(jù)電工學(xué)中基爾霍夫定律可知：流入均流母線的總電流代數(shù)和應(yīng)為零。于是當(dāng)各模塊的采樣電阻值相同時可得

　　式（2）說明,，均流母線上的電壓UB,，是各個并聯(lián)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(yīng)的整流放大器的輸出電壓UI1,，UI2,，……，UIN的平均值,，它反映的是各模塊輸出電流的平均值,。

　　UIk與UB之差代表均流誤差，通過均流控制器輸出一個調(diào)整控制電壓Uck,，一般情況下,，UB可能大于UIk也可能小于UIk。當(dāng)UB=UIk時,，UB－UIk=0,，表明這時已實現(xiàn)了均流,，則Uck=0。當(dāng)UB≠UIk時,，Uck≠0,，表明電流分配不均勻。這時,，基準電壓Urk按下式修正：Urk=Ug±Uck,，相當(dāng)于通過均流誤差放大器Ak改變Urk，以達到均流目的,。

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

　　式中：IL為并聯(lián)輸出的負載電流,；

　　Ik為模塊k承擔(dān)的電流,；

　　Ikmax為模塊k的最大電流。

　　應(yīng)用均流母線檢測模塊的輸出電流,，還要在窄頻帶的均流環(huán)中用運算放大器產(chǎn)生均流誤差信號，以調(diào)節(jié)基準電壓,，將使并聯(lián)系統(tǒng)的瞬態(tài)過程復(fù)雜化,。為避免使UPS的瞬態(tài)特性變壞，甚至不穩(wěn)定,，應(yīng)正確設(shè)計均流環(huán)的增益,。

　　自動均流法的優(yōu)點是電路簡單、容易實現(xiàn),、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(diào)，甚至到達其下限,，結(jié)果造成故障,；而當(dāng)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UIk大幅度增大,，也會使它的輸出電壓自動調(diào)節(jié)到下限,。下面介紹解決上述兩個缺點的措施。

　　2.1.1 監(jiān)控均流母線對地短路故?的措施

　　均流母線工作正常時電壓UB為一定值,，且等于各模塊電流Ik檢測信號電壓UIk的平均值,；而均流母線短路時其電壓UB=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(fā)現(xiàn)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,。

　　2.1.2 任一模塊不工作時的監(jiān)控措施

　　模塊失效時，其輸出電流也為零,，相應(yīng)的模塊電流Ik檢測信號電壓UIk=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(xiàn)對模塊失效的監(jiān)控。監(jiān)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,，UIk>0,，光耦導(dǎo)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(dāng)模塊失效時，UIk=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(diào)，K的常閉接點閉合,，報警器工作,，告知用戶該模塊失效。

　　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（highestcurrent）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(lián)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UIk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(dǎo)通，導(dǎo)通后使均流母線上的電壓UB=UIk,，其他的二極管因受反偏置而截止,。與截止二極管對應(yīng)的模塊，就以均流母線上的電壓為基準來調(diào)整各自的輸出電流,，從而實現(xiàn)均流,。

　　從以上分析可知，民主均流法實質(zhì)上是在N個并聯(lián)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(diào)節(jié)負載電流分配的不均衡,。由于N個并聯(lián)的模塊中，事先沒有人為設(shè)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(shè)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UIk經(jīng)過一個二極管接到均流母線上,，均流母線上的電壓UB=max│UIk，k=1,，2,，……，N│反映N個并聯(lián)模塊中最大的一個模塊電流,。均流控制器SCk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UI1>UI2,，UI1使二極管VD1導(dǎo)通，UB=UI1,。由于UI2

　　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UB=UIk>UIm，各個從模塊UIm（m=1,，2,，……，k－1,，k＋1,，……，N）與UB（即UImax）比較后,，通過SCm調(diào)整基準電壓Urk,，自動實現(xiàn)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(xiàn)

　　以民主均流為例,，來說明UPS模塊的均流并聯(lián)運行。

　　3.1 模塊的電路結(jié)構(gòu)

　　單個模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖8所示,。主電路是由全橋逆變器和交流濾波器LF及CF組成,，控制電路可以采用以基準電壓Urk為基準進行穩(wěn)壓控制的任何形式的PWM控制電路。

　　由圖8可以得到單個模塊的數(shù)學(xué)模型如圖9所示,。圖9中電壓UAB就是圖8中逆變器兩個橋臂中點A和B兩點之間的電壓,，iH為環(huán)流。

　　由圖9可以得到如下兩個傳遞函數(shù)

　　由式（3）與式（4）可知,，環(huán)流對輸出電壓的傳遞函數(shù),，與輸入電壓對輸出電壓的傳遞函數(shù)的極點配置是相同的。因此,，通過對輸入基準電壓Urk的調(diào)節(jié),，就可以減小環(huán)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(fā)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Urk的穩(wěn)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Ug來整定,。因此，均流控制器SCk的輸出電壓Uck,，可以通過改變給定電壓Ug的值,，來改變基準電壓Urk的值，以達到均流的目的,。

　　3.2 均流控制的實現(xiàn)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(dāng)各個從模塊得到主模塊的電流數(shù)據(jù)后與自身的輸出電流進行比較，將其差值通過均流控制器SCk產(chǎn)生一個直流電壓Uck去改變模塊的給定電壓Ug,，使Urk=Ug＋Uck,，通過Urk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TAk的檢測，再經(jīng)過整流放大電路后輸出一個直流電壓UIk,，UIk正比于模塊的輸出電流Ik,。各模塊的直流電壓UIK通過采樣二極管VDk接到均流母線上。只有輸出電流最大的模塊－k所對應(yīng)的直流電壓UIk才能使與其連接的二極管導(dǎo)通,，導(dǎo)通后均流母線上的電壓UB=max│UIk,，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UIk　　如果圖11中的采樣二極管VDk用圖7（b）所示的緩沖電路來取代,，就可以克服前面曾經(jīng)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。