UPS逆变模块的N＋m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N＋m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N＋m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N＋m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。

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（powe rsupplyunits，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。

1 N＋m冗余并联的可靠性、可用性及条件1.1 可靠性的提高由N＋m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＋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N＋m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N＋m=3，则P3=1－(1－0.99)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N＋1（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N＋1冗余并联运行技术比较简单，只需要使电压的大小和极性相同就可以了，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N＋1冗余并联的条件USP模块的N＋1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。

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精度要求较高（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，UP S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，UB－UIk=0，表明这时已实现了均流，则Uck=0。

当UB≠UIk时，Uck≠0，表明电流分配不均匀。

这时，基准电压Urk按下式修正：Urk=Ug±Uck，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。