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1.3    UPS模塊實現N＋1冗余并聯的條件

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

    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，必須能夠實現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響應特性要好，穩定度要高；

    3）當均流或同步出現異常情況或UPS模塊出現故障時，應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。

    其中有兩項關鍵技術：一是同步技術，另一個是均流技術。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模塊均勻負擔負載功率的問題。由于各個UPS模塊都是與市電電網同步并聯工作的，在各個UPS模塊中都有相同的相應電路或各模塊有一共用的相應電路來實現與市電的同步，同步后各模塊的頻率、相位、波形和相序都與市電電網相同，滿足了條件1）中五個參數的四個。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），或模塊內阻壓降不同（例如整流管或逆變器開關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，這相當于各個模塊共同負擔同一個負載，所以，各模塊的輸出負載功率因數只取決于母線上總的負載的功率因數，因此，各模塊的輸出功率因數相同，在均流時不必再區分有功和無功，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，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應用；主從均流法必須要有通信連線，將使系統復雜化，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的冗余并聯系統，再則電壓環的帶寬較大，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模塊要進行多路聯系，連線較復雜也不能實現冗余并聯，故也不適合于USP的多模塊冗余并聯；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均流的，各模塊之間的信號連線較多，同時也不能實現冗余并聯，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用于交流均流時，只須加一個整流環節，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USP模塊的交流均流。

2.1    自動均流法

    自動均流法（automatic approach）又稱作外加均流器法（external controller approach）。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）〕，用以檢測并聯各模塊輸出電流的不均衡情況，輸出調整控制信號U_ck，以控制各個模塊實現輸出均流。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U_B。

    圖4給出N個模塊并聯系統的自動均流法的原理框圖。圖中只示出了均流控制環，電壓控制環沒有畫出，它由模塊的控制電路來實現。

圖4    N個模塊并聯的自動均流法的原理框圖

    模塊k（k=1，2，……N）的均流控制器SC_K，其輸入為均流母線電壓U_B和模塊k的輸出負載電流I_k的直流檢測信號U_Ik，SC_k的輸出電壓信號U_ck與基準電壓給定值U_g相加，產生出基準電壓U_rk，用基準電壓U_rK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點，根據電工學中基爾霍夫定律可知：流入均流母線的總電流代數和應為零。于是當各模塊的采樣電阻值相同時可得

    I_B1=；I_B2=；……I_BN=

    由于    I_B1＋I_B2＋……＋I_BN=0

    所以    U_B=（2）

    式（2）說明，均流母線上的電壓U_B，是各個并聯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的整流放大器的輸出電壓U_I1，U_I2，……，U_IN的平均值，它反映的是各模塊輸出電流的平均值。

    U_Ik與U_B之差代表均流誤差，通過均流控制器輸出一個調整控制電壓U_ck，一般情況下，U_B可能大于U_Ik也可能小于U_Ik。當U_B=U_Ik時，U_B－U_Ik=0，表明這時已實現了均流，則U_ck=0。當U_B≠U_Ik時，U_ck≠0，表明電流分配不均勻。這時，基準電壓U_rk按下式修正：U_rk=U_g±U_ck，相當于通過均流誤差放大器A_k改變U_rk，以達到均流目的。

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

    S=×100％

式中：I_L為并聯輸出的負載電流；

      I_k為模塊k承擔的電流；

      I_kmax為模塊k的最大電流。

    應用均流母線檢測模塊的輸出電流，還要在窄頻帶的均流環中用運算放大器產生均流誤差信號，以調節基準電壓，將使并聯系統的瞬態過程復雜化。為避免使UPS的瞬態特性變壞，甚至不穩定，應正確設計均流環的增益。

    自動均流法的優點是電路簡單、容易實現、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，甚至到達其下限，結果造成故障；而當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U_Ik大幅度增大，也會使它的輸出電壓自動調節到下限。下面介紹解決上述兩個缺點的措施。