引言

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)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(jī)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(diǎn)是成本高、體積重量大、運(yùn)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?。徊⑶覝p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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jī)。其中N代表向負(fù)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(yùn)行時UPS由N＋m個模塊并聯(lián)向負(fù)載供電，每個模塊平均負(fù)擔(dān)1/(N＋m)的負(fù)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(fù)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）?。?）

　　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(shí)現(xiàn)不停機(jī)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(shí)現(xiàn)UPS的熱插拔不停機(jī)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(yùn)行的UPS模塊之間要實(shí)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(yùn)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(shí)現(xiàn)。

　　USP模塊的并聯(lián)，也不同于同步發(fā)電機(jī)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(jī)可以自行降低轉(zhuǎn)速，達(dá)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(shí)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(shí)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(fù)載的變化范圍內(nèi)，必須能夠?qū)崿F(xiàn)對負(fù)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(yùn)行。

　　其中有兩項(xiàng)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(fù)擔(dān)負(fù)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(shí)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(fù)載上的，這相當(dāng)于各個模塊共同負(fù)擔(dān)同一個負(fù)載，所以，各模塊的輸出負(fù)載功率因數(shù)只取決于母線上總的負(fù)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(jìn)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(jìn)行多路聯(lián)系，連線較復(fù)雜也不能實(shí)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(shí)現(xiàn)均流的，各模塊之間的信號連線較多，同時也不能實(shí)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(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)電壓直流給定信號的改變，來實(shí)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(shí)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(shí)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(fù)載電流Ik的直流檢測信號UIk，SCk的輸出電壓信號Uck與基準(zhǔn)電壓給定值Ug相加，產(chǎn)生出基準(zhǔn)電壓Urk，用基準(zhǔn)電壓UrK對UPS模塊中的逆變器進(jìn)行PWM控制，就可以使模塊的輸出電壓發(fā)生變化，以達(dá)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(diǎn)，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(fù)載電流的直流檢測信號，亦即是各模塊負(fù)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(shí)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(zhǔn)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(dá)到均流目的。

　　使用這一方法實(shí)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(fù)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(yùn)算放大器產(chǎn)生均流誤差信號，以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)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(jì)均流環(huán)的增益。

　　自動均流法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、容易實(shí)現(xiàn)、均流精度高，缺點(diǎn)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(dá)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(diǎn)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(diǎn)，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(bào)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(diǎn)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(shí)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(bào)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(diǎn)閉合，均流采樣電阻R接入母線，K的常閉接點(diǎn)斷開，報(bào)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(diǎn)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(diǎn)閉合，報(bào)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(diǎn)上，負(fù)端接在b點(diǎn)上，由于N個二極管的負(fù)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(fù)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(zhǔn)來調(diào)整各自的輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)均流。

　　從以上分析可知，民主均流法實(shí)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(fù)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(jī)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(zhǔn)電壓Urk，自動實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)

　　以民主均流為例，來說明UPS模塊的均流并聯(lián)運(yùn)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(zhǔn)電壓Urk為基準(zhǔn)進(jìn)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(diǎn)A和B兩點(diǎn)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(diǎn)配置是相同的。因此，通過對輸入基準(zhǔn)電壓Urk的調(diào)節(jié)，就可以減小環(huán)流，從而達(dá)到均流的目的。

　　圖10為一個模塊的基準(zhǔn)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(dá)±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(zhǔn)電壓Urk的值，以達(dá)到均流的目的。

　　3.2 均流控制的實(shí)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(jìn)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(dá)到均流目的。

　　一種典型的均流電路實(shí)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(diǎn)。