“T”型連接結(jié)構(gòu)的UPS并聯(lián)運(yùn)行方案

摘要：提出一種“T”型連接結(jié)構(gòu)的UPS并聯(lián)運(yùn)行方案，該方案中并聯(lián)運(yùn)行的UPS省去信號(hào)聯(lián)絡(luò)線，屬于主從式UPS并聯(lián)。從“T”型結(jié)構(gòu)UPS將前級(jí)UPS的輸出電流引入并以此電流作并聯(lián)控制信號(hào)，采用電流追蹤型PWM控制信號(hào)發(fā)生方案，可使其輸出電流與前級(jí)輸入電流保持同相，并可達(dá)到均流的目的。文中給出了仿真結(jié)果，表明該方案是可行的。關(guān)鍵詞：UPS并聯(lián)運(yùn)行拓?fù)?

1引言

在大型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)站、通信設(shè)備機(jī)房等場(chǎng)合，廣泛采用UPS作運(yùn)行電源。隨著設(shè)備的添置，供電可靠性要求的提高，UPS的容量也越來(lái)越大，從UPS運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及可靠性考慮，根據(jù)用電設(shè)備容量的增長(zhǎng)逐步添置UPS實(shí)行并聯(lián)運(yùn)行具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。由于UPS由電力電子開(kāi)關(guān)器件組成，其并聯(lián)運(yùn)行在技術(shù)上是較為復(fù)雜的。目前解決UPS并聯(lián)運(yùn)行的辦法根據(jù)其有無(wú)采用信號(hào)連絡(luò)線而分為兩種[1]:

（1）UPS間有聯(lián)絡(luò)線方式；

（2）UPS間無(wú)聯(lián)絡(luò)線方式。

信號(hào)聯(lián)絡(luò)線實(shí)際為并聯(lián)UPS單元之間的控制信號(hào)的傳遞通道，通過(guò)控制信號(hào)的傳遞使得并聯(lián)UPS間滿足并聯(lián)條件，實(shí)現(xiàn)負(fù)載容量（有功、無(wú)功）的合理分配。UPS間無(wú)聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)運(yùn)行文獻(xiàn)已見(jiàn)報(bào)道的控制方案為電壓、頻率外特性“下垂法”，這種并聯(lián)方法可省卻信號(hào)的聯(lián)絡(luò)線，但會(huì)造成輸出電源的頻率、幅度在小范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖1普通UPS的并聯(lián)運(yùn)行

圖2“T”型結(jié)構(gòu)UPS并聯(lián)運(yùn)行

本文提出一種“T”型連接結(jié)構(gòu)拓?fù)涞腢PS及其并聯(lián)運(yùn)行控制策略，這種UPS并聯(lián)運(yùn)行的方法簡(jiǎn)單可靠，屬于無(wú)聯(lián)絡(luò)線并聯(lián)法。

2“T”連接拓?fù)浼安⒙?lián)運(yùn)行工作原理

普通UPS并聯(lián)運(yùn)行的連接拓?fù)淙鐖D1所示，UPS的輸出端子連接到共同的配電母線上，再向負(fù)載供電。而“T”型連接的UPS除輸出端子外，還有輸入端子，輸入、輸出在內(nèi)部是相接的，UPS的實(shí)際輸出連接到這兩個(gè)輸入輸出端子之間的聯(lián)線上，構(gòu)成“T”型，即前一臺(tái)UPS的輸出端子連接到后一臺(tái)UPS的輸入端子上，每臺(tái)UPS的輸入電流在內(nèi)部與自身的輸出電流匯合至輸出端子，連接拓?fù)淙鐖D2所示。

并聯(lián)運(yùn)行的原理可用基爾霍夫電流定律來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)明。在一臺(tái)“T”型UPS中，應(yīng)滿足電流關(guān)系：i1＋i2=i3，i1為輸入電流，i2為UPS為輸出電流，i3為總輸出電流，均為瞬時(shí)值。

式（1）為向量式。(1)顯然，要求與同相，向量圖如圖3所示。若與有相位差，要輸出相同的電流，則在前后相連的UPS間產(chǎn)生環(huán)流，該環(huán)流在實(shí)際并聯(lián)的UPS間不可避免，但要控制其盡可能地小。

在公共母線并聯(lián)方式中，控制對(duì)象是UPS輸出電壓的幅度與相位，以求達(dá)到各并聯(lián)USP的輸出電流同相，并按容量進(jìn)行均流的目的。控制要求高且復(fù)雜，仿真表明，如兩臺(tái)并聯(lián)UPS的相位相差1°，則環(huán)流將達(dá)20％額定電流。為保證UPS的并聯(lián)要求，必須高精度地檢測(cè)、控制，為此軟、硬件的開(kāi)銷較大。并且聯(lián)絡(luò)線的存在有可能產(chǎn)生EMI問(wèn)題，以至于在有些公司推出的并聯(lián)UPS間采用光纖作聯(lián)絡(luò)線。

在“T”型UPS的并聯(lián)連接中，對(duì)于其中某一級(jí)UPS，我們把控制對(duì)象選定為該級(jí)UPS自身的輸出電流，控制該UPS的輸出電流直接跟蹤其輸入電流（前級(jí)輸出電流），使UPS自身的輸出電流與輸入電流達(dá)到同相位且達(dá)到要求的幅度。輸出電流幅度由該級(jí)UPS容量S與其前面各級(jí)UPS的總?cè)萘?S根據(jù)式（2）確定ir=i1(2)

式中：i1為該UPS的輸入電流；

ir為跟蹤電流的給定值。

這樣可達(dá)到各UPS均流的目的。然后這兩個(gè)基本相同的電流匯流后經(jīng)輸出端子輸出，流向下一級(jí)并聯(lián)的UPS。如圖2所示。對(duì)于第一級(jí)UPS，我們將功能設(shè)定為主UPS，其輸入電流不存在，其任務(wù)是產(chǎn)生符合供電要求的正弦電壓波形，其作用實(shí)際是正弦電壓源。該電壓經(jīng)后面各級(jí)UPS的“T”型連接的橫臂匯流母排加到負(fù)載上。由于匯流母排阻抗很小，可認(rèn)為加到負(fù)載上的電壓與第一級(jí)UPS的輸出電壓相差甚微。后面各級(jí)UPS為從UPS，從UPS實(shí)際為電流控制性電流源。供給負(fù)載的電流為各UPS的總和。

圖3“T”型UPS電流向量圖(a)與同相(b)與不同相

圖4“T”型UPS的電流追蹤控制原理

3“T”型UPS的控制策略

設(shè)定的主UPS具備通常UPS的功能，為并聯(lián)系統(tǒng)的正弦波電壓源。為適合“T”型連接并運(yùn)行，設(shè)定為從UPS的控制檢測(cè)電路與普通UPS最顯著的不同之處在于要對(duì)前級(jí)向本級(jí)的輸入電流進(jìn)行檢測(cè)，然后追蹤此輸入電流的變化，控制本級(jí)的電流輸出。生成電流跟蹤PWM信號(hào)，控制逆變器開(kāi)關(guān)。電流追蹤PWM控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、響應(yīng)快、實(shí)現(xiàn)容易的優(yōu)點(diǎn)。本“T”型UPS構(gòu)造的電流跟蹤PWM控制方式原理如圖4所示，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中只給出一條橋臂的控制電路。用霍爾電流傳感器檢測(cè)輸入輸出電流，輸入電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)跟蹤電流給定計(jì)算，得到給定參考電流ir，當(dāng)實(shí)際輸出電流反饋值if與ir之差達(dá)到滯環(huán)的上限值Δ時(shí)，即if－ir≥Δ，使V2導(dǎo)通，V1截止，輸出電流i2將下降。當(dāng)if與ir之差達(dá)到滯環(huán)的下限值Δ時(shí)，即if－ir≤Δ，使V1導(dǎo)通，V2截止，輸出電流i2將上升。這樣，通過(guò)V1、V2的交替通斷，使|i2－ir|≤Δ，實(shí)現(xiàn)i2對(duì)ir的自動(dòng)跟蹤。如ir是正弦電流，則if也近似為一正弦電流，如ir是非正弦電流，則if的波形也將與ir一致。為減少跟蹤輸出電流的紋波，須限制跟蹤電流的變化率，根據(jù)仿真結(jié)果，逆變橋輸出電感在10kHz的開(kāi)關(guān)頻率下應(yīng)不小于2mH。為驗(yàn)證“T”連接結(jié)構(gòu)的UPS并聯(lián)運(yùn)行控制方案的正確性，我們對(duì)兩臺(tái)主、從“T”型UPS的并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行了仿真。UPS為單相220V/50Hz，分別對(duì)阻性負(fù)載及整流性負(fù)載的并聯(lián)情況作了仿真。圖5為仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明該方案是可行的。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出一種“T”型連接結(jié)構(gòu)的UPS并聯(lián)運(yùn)行方案，介紹了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及并聯(lián)運(yùn)行時(shí)采用的電流追蹤型PWM控制策略，而對(duì)UPS的其他方面未作涉

及。本方案屬于一種無(wú)聯(lián)絡(luò)線UPS并聯(lián)運(yùn)行方案，控制策略簡(jiǎn)單可靠，容易實(shí)現(xiàn)。也存在許多值得進(jìn)一步研究的地方。將之做成UPS容量擴(kuò)大單元，因其無(wú)信號(hào)聯(lián)絡(luò)線，可以很方便地與目前的各種UPS進(jìn)行并聯(lián)，擴(kuò)大UPS的供電容量，具有較大的經(jīng)濟(jì)意義與現(xiàn)實(shí)意義。

圖5“T”型連接結(jié)構(gòu)的UPS并聯(lián)運(yùn)行的電流仿真波形

(a)帶阻性負(fù)載的并聯(lián)(b)帶整流性負(fù)載的并聯(lián)

參考文獻(xiàn)

1李成章.智能化UPS供電系統(tǒng)的原理與維修.北京：電子工業(yè)出版社.1999

2丁道宏.電力電子技術(shù).北京：航空工業(yè)出版社.1992