不間斷電源的并聯(lián)控制方式增強(qiáng)可靠性

多模塊UPS能較靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)容量的擴(kuò)展，為了增加整個(gè)電源系統(tǒng)的可靠性，它可以組成冗余并聯(lián)系統(tǒng)。 文中對(duì)目前采用的UPS并聯(lián)連接控制方式和均流控制技術(shù)進(jìn)行綜述。逆變器并聯(lián)的全數(shù)字化控制方案是交流電源領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

1. 前言

不間斷電源（UPS）越來越廣泛地應(yīng)用于一些重要的設(shè)備上，用它為這些設(shè)備提供恒定的電壓和頻率，例如電腦系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)和醫(yī)院的一些儀器。如果要擴(kuò)展系統(tǒng)容量，可以使用大容量UPS或用小容量UPS并聯(lián)這兩種方法實(shí)現(xiàn)。前一種方法由于初期投資大，安裝困難（比如大小，重量和系統(tǒng)可靠性）等原因而變得不太實(shí)際。相比之下用后一種方法來擴(kuò)展系統(tǒng)容量并使之具有冗余性是比較容易實(shí)現(xiàn)的。

常見的冗余式供電方式有由二臺(tái)或多臺(tái)UPS電源逆變器模塊經(jīng)系統(tǒng)控制柜并聯(lián)后再向外供電的主從供電體系，以及將并機(jī)功能直接設(shè)計(jì)在各個(gè)UPS電源單元模塊中的分散邏輯供電方案。不管采用那種方式，在正常工作時(shí)每個(gè)UPS電源模塊都要平均分配負(fù)載電流。在運(yùn)行中，如果遇到其中一臺(tái)UPS電源模塊出故障時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)自動(dòng)將有故障的UPS電源模塊同負(fù)載脫機(jī)。此時(shí)，全部負(fù)載由剩下的UPS電源模塊按照比例平均分擔(dān)。通過這種方式，UPS電源可以保證一直向用戶提供無幅度大小擾動(dòng)和無供電時(shí)間中斷的高質(zhì)量電源。顯然，采用這樣的供電系統(tǒng)，大大增強(qiáng)了UPS電源供電系統(tǒng)的可靠性。

要實(shí)現(xiàn)UPS并聯(lián)我們要完成以下兩個(gè)任務(wù)：（1） 各個(gè)UPS輸出電壓的幅值、頻率和相位要相同；（2）在輸出電壓同步的情況下，總的負(fù)載電流要在各個(gè)UPS間均衡分配，達(dá)到負(fù)載均分的目的。

2. UPS的并聯(lián)控制方式

UPS的并聯(lián)按照其連接方式一般分為集中控制，主從控制，分散邏輯控制，3C（Circular Chain Control）連接控制和無互連線控制方式。

（1）集中控制

集中控制又可以分為直接集中控制和間接集中控制。直接集中控制方式中并聯(lián)單元檢測(cè)市電的頻率和相位，向每個(gè)UPS發(fā)出同步脈沖，無市電時(shí)可由晶振產(chǎn)生同步脈沖通過各個(gè)UPS單元的鎖相環(huán)控制來保證各單元輸出電壓同步。并聯(lián)單元還要檢測(cè)負(fù)載的總電流，然后除以并聯(lián)單元數(shù)作為各個(gè)單元的電流參考并與本單元電流比較求出偏差并控制使其最小。不過由于存在檢測(cè)誤差，所以實(shí)際輸出電壓相位仍然可能存在誤差。為消除這一缺陷，我們可以采用間接集中控制方式。這種方式是用電流誤差ΔI和輸出電壓VO計(jì)算出ΔP和ΔQ，其中ΔP作為相位補(bǔ)償量，ΔQ作為電壓幅值補(bǔ)償量，可進(jìn)一步提高并聯(lián)運(yùn)行時(shí)均流的精度。

但是由于系統(tǒng)仍采用一個(gè)集中的控制單元，如果該控制單元出現(xiàn)故障時(shí)整個(gè)UPS并聯(lián)系統(tǒng)就會(huì)癱瘓，存在單點(diǎn)故障，不能真正達(dá)到高可靠性和真正冗余的目的，所以目前的并聯(lián)系統(tǒng)較少采用這種方式。

（2）主從控制

主從控制方式是將并聯(lián)控制單元做到每個(gè)模塊上，通過工作方式選擇開關(guān)來選擇一臺(tái)UPS做主機(jī)，其他單元作為從機(jī)。各個(gè)電源單元檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信號(hào)線并由其內(nèi)部主從標(biāo)志來控制開關(guān)K的閉合與否。當(dāng)系統(tǒng)中的一臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)其余單元仍可以工作，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)可通過切換來使得另外一臺(tái)UPS作為主機(jī)使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。通常做主機(jī)的一臺(tái)UPS處于電壓控制模式，而其他的UPS處于電流控制模式。

這種方式雖然可靠性有所增加但在其同步信號(hào)仍為公共集中同步信號(hào)，切換過程中失去同步信號(hào)可能使模塊失效，并且切換控制電路的復(fù)雜性也可能影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，所以主從式并聯(lián)控制系統(tǒng)并不是較理想的并聯(lián)冗余系統(tǒng)。

（3）分散邏輯控制并聯(lián)

分散邏輯控制是將控制權(quán)分散，在逆變電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各個(gè)電源模塊檢測(cè)出自身的有功和無功功率，通過均流母線傳送到其他并聯(lián)模塊中，與此同時(shí)電源模塊本身也接收來自其他模塊的有功無功信號(hào)進(jìn)行綜合判斷確定本模塊的有功無功基準(zhǔn)，從而確定各個(gè)模塊的電壓和同步信號(hào)（頻率和相位）的參考值。

分散邏輯控制技術(shù)即為一種獨(dú)立并聯(lián)控制方式，它采用了在各逆變電源中把每個(gè)電源模塊中的電流及頻率信號(hào)進(jìn)行綜合，得出各自頻率及電壓的補(bǔ)償信號(hào)的控制策略。這種方式可實(shí)現(xiàn)真正的冗余并聯(lián)，有一個(gè)模塊故障退出時(shí)，并不影響其他模塊的并聯(lián)運(yùn)行。它以可靠性高、危險(xiǎn)性分散、功能擴(kuò)展容易等良好的特性已在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，并且成為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一，是一種比較完善的分布式智能控制技術(shù)。但當(dāng)多個(gè)模塊并聯(lián)時(shí)互連線數(shù)目較多，信息量大，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。

（4）3C（Circular Chain Control）連接

3C型并聯(lián)的思想是減少互連線的數(shù)目和信號(hào)的傳遞，以減少對(duì)其他模塊的依賴程度。它是將第一臺(tái)逆變器的輸出電流反饋信號(hào)加到第二臺(tái)逆變器的控制回路中，第二臺(tái)的輸出電流反饋信號(hào)加到第三臺(tái)，依次連接。最后一臺(tái)的輸出電流反饋信號(hào)返回到第一臺(tái)逆變器的控制回路，使并聯(lián)系統(tǒng)在信號(hào)上形成一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，在功率輸出方面形成并聯(lián)關(guān)系。

3C型方案在控制回路中引入其他模塊信號(hào)，加強(qiáng)了模塊之間的影響，使得常規(guī)方案難以控制，因此一般采用H∞理論設(shè)計(jì)控制器以解決穩(wěn)定性問題。文獻(xiàn)中每個(gè)逆變器都由PI控制來得到快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，用魯棒控制來得到多個(gè)模塊逆變器的魯棒性，以減少逆變器間的的相互影響。與前面的方案相比，3C型并聯(lián)方案僅引入一個(gè)模塊的電流信號(hào)，無需模擬信號(hào)平均電路，也無需知道并聯(lián)模塊數(shù)。但是控制器復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大，多采用數(shù)字控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，成本較高，而且采用H∞方法設(shè)計(jì)控制器，控制器階數(shù)過高，實(shí)現(xiàn)較困難。

責(zé)任編輯：gt