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基于现代电力电子技术的供电设备的未来发展趋势之一是模块化。模块化不仅提高了系统的可靠性，易于扩展，而且易于使用和维护，便于批量生产。对于UPS来说，可靠性一直是其目标，并行冗余技术是实现模块化、提高系统可靠性的重要支撑技术。

 

UPS并联冗余的基本原理

 

UPS并联的必要性

在大功率UPS电源系统中，当由于负载增加而需要增加UPS系统的容量时，可以通过两种途径来实现：①增加单个UPS的设计容量。②使用多个并联的UPS来共享负载电流。

对于第一种解决方案，当单个电源供电时，一旦发生故障，系统可能会瘫痪，并造成不可估量的损失；UPS电源并联技术可以很好地满足大容量场合的需求。

 

所谓并联冗余是指N+N个UPS模块的并联，其中N个单元用于提供负载所需的电流，N个单元为备用冗余模块。当工作模块出现故障时，备用冗余模块将投入运行。这样，即使运行中的n个模块中有n个同时发生故障，UPS系统也可以保证提供100%的负载电流。

 

此外，使用冗余技术还可以实现UPS电源模块的热更换，即在不中断系统供电能力的情况下更换系统的故障模块。由并联冗余UPS电源组成的供电系统的优势体现如下：

（1） 高可靠性。降低了各模块功率半导体器件的电应力，易于形成N+1冗余电源系统，提高了系统的可靠性。

（2） 逆变器供电系统的容量可以灵活扩展，以满足用户的实际需求。

（3） 易于使用和维护。积木式、智能系统现场维护故障单元方便快捷，易于扩展系统功能。

（4） 减少产品类型，促进标准化和标准化，缩短产品开发周期。

（5） 并联系统电源，单个模块功率小，开关频率可以很高，从而增加了UPS并联系统的功率密度。

显然，UPS并联冗余技术理论上可以不受限制地增加供电系统的容量，因此越来越受到关注，成为大容量UPS供电系统的研究热点。

 

UPS并联的基本原理

要实现UPS逆变器电源的并联运行，关键是每个UPS的逆变器应共享负载电流，即实现均流控制。以并联的2个UPS逆变电源为例进行分析。

两个并联运行的逆变器电源的等效电路如图4-30所示。其中，U1、U2表示每个逆变器输出的基波电压，L1、L2、C1、C2表示逆变器的输出滤波器，R表示系统负载。

 

 

从公式（4-50）可以看出：iL1和iL2由两部分电流组成，一部分是负载电流分量，另一部分是循环电流分量。当输出滤波器相同时，负载电流分量总是平衡的。但循环电流分量的存在会使逆变器的输出电流发生变化。

当U1和U2同相时，高压环流分量是电容性的，而低压环流分量是电感性的。

当U1和U2具有相同的幅度时，相位超前的循环电流分量是正有功分量，并输出有功功率；相位滞后的循环电流分量是负有源分量并吸收有源功率。

 

UPS并联技术要求

与直流电源不同，UPS电源输出正弦波。并联时，需要同时控制输出电压的幅度和相位角，即需要相同的频率、相同的相位和相同的幅度才能运行。从以上UPS并联的基本原理分析可以看出，如果每个UPS电源模块的输出电压幅度或相位不一致，则模块之间会产生有功循环电流和无功循环电流。

此外，即使模块具有相同的频率、相同的相位和相同的幅度。在操作中，如果各个输出电压的谐波含量大，则在模块之间将存在谐波循环。因此，逆变器的安全并联运行需要满足以下条件。

（1） 功率共享：并联系统中每个逆变器模块的输出电压的频率、相位、幅度、波形和相序基本相同。每个模块平均共享鱼类负载电流，以平衡输出静态功率和瞬时功率分布。

（2） 自动故障诊断：当单个模块发生故障时，并联系统可以快速定位故障逆变器，将其从并联系统中移除，并将其功率均匀分配给其他模块

（3） 热插拔：当待投入控制的逆变器模块的输出电压与并联系统电压之间的频率、相位、幅度和相序差小于允许误差时，将自动投入并联系统，投入运行时对并联系统的影响较小；当任何模块出现故障或需要大修时，它可以在线退出并行系统，而无需断电。

 

 

UPS并联冗余的发展方向

UPS的并行冗余是目前的研究热点。许多学者和UPS制造商从以下几个方面对UPS中的并行冗余技术进行了研究。

（1） 并行单元的数量是量化的，并行控制方法是多样化的。目前，一些知名品牌的UPS电源公司可以实现并联，但并联单元的最大数量不超过10个。PK电子声称，它可以并联连接100多个单元。

（2） 在低功率UPS电源中，以较低的成本实现了更先进的并联策略。目前，大多数可以并联的逆变器电源都是中大功率UPS电源。因此，为了实现并行操作，控制电路成本的增加不会对总成本产生显著影响。

普通低功率UPS电源的控制电路一般比较简单，性能不如大功率。因此，要实现其并行操作，电路的设计难度更大。在解决控制电路特性与成本之间的矛盾方面，各大公司都有一些独特的设计方法。

（3） 采用一种新型的高公用电供电系统设计方案。采用一种新型的高公用事业电力系统设计方案，可以保证整个系统的可靠性和灵活性。一方面，这种新型供电系统的设计应满足大功率负载的需求，并为供电系统增加一定的冗余度。

另一方面，它应该以可靠性为基础，并可以消除系统中任何单点故障的影响。因此，未来大多数UPS电源系统将基于多模块并联运行的均流控制模式，并使用热插拔维护方法来提高整个系统的工作性能

（4） 采用高频链式结构技术。为了完成UPS电源的并联，提高性能，减少模块体积，大多数公司都采用了高频链式结构技术。逆变器中减少了工频变压器，大大减少了设备的体积和重量，还节省了成本，降低了设备的复杂性。

（5） 采用一种新型的逆变器功率控制技术。单个UPS的控制技术对其输出性能至关重要。以往对UPS逆变机组的研究主要集中在利用新型功率器件实现高频开关和SPWM控制，通过对滤波器的优化设计，减小滤波器的尺寸，实现低输出阻抗，从而抑制输出波形失真，提高负载适应性。

随着新型功率开关器件技术的成熟，为了进一步改善逆变器的动态和静态特性，相应地提出了许多新的控制方法，如：基于瞬时电压控制的电流前馈控制、基于变结构理论的滑模控制、三相逆变电源系统中的空间矢量控制、，基于微处理器的无差拍控制、磁滞电流控制等。这些新的控制方法大大提高了UPS的性能指标。

（6） 采用全数字控制技术。为了提高系统的控制性能，完成复杂的并行控制算法，UPS电源的控制最好采用全数字控制方案，例如使用单片机或DSP来完成系统的检测、操作和控制。

 

先进的控制技术是提高变换器电路效率和性能的关键技术之一。然而，使用数字控制可以避免传统模拟电路控制的各种缺陷。因此，变换器电路控制技术的发展方向是数字化。数字控制使各种复杂的控制算法易于实现，并进一步减少了设备的体积和重量，提高了精度和性能。

 

UPS并联冗余控制策略

根据UPS并联的技术要求，UPS系统的并联冗余控制模式可分为四种方案：集中控制、主从控制、分布式逻辑控制和无互连线的独立控制。

 

集中控制方式

集中式控制是最早的逆变器并联控制策略。其结构如图4-31所示。并联系统配有一个集中控制单元。当系统运行时，集中控制单元首先检测市电的相位和频率，然后进行合成。同步脉冲信号通过模块之间的互连线路发送到每个逆变器模块。

同步脉冲信号的频率和相位与市电相同，确保逆变器输出电压与市电电压一致。当市电中断时，集中控制单元的内部晶体振荡器发出同步信号。在同步脉冲信号的控制下，模块之间的输出电压相位和频率差非常小。

认为模块之间的电压幅度差是导致模块之间循环电流的直接因素。在控制环节，将单个逆变器模块的输出电流与系统输出进行比较。电流的差值被用作逆变器输出电压的补偿量，并且通过改变逆变器模块的输出电压幅度来实现并联均流控制。

但是，对于集中控制，必须在系统中设置单独的集中控制单元。一方面，并行系统很难实现真正的模块化；另一方面，如果控制单元发生故障，整个逆变器并联系统将瘫痪。因此，集中式控制方法无法真正达到高可靠性和真正冗余的目的，因此这种方法目前很少用于并行系统。

 

 

鉴于集中控制单元对并联系统可靠性的限制，进一步提出了主从控制。并联时，系统设置某一模块为主，输出为电压源逆变器；系统中的其他模块是从模块，并作为电流源逆变器输出。

主机采用双环控制，保证输出电压波形为正弦；同时，主逆变器的输出电流信号将作为从逆变器的参考信号，从逆变器使用电流回路来跟踪主逆变器的电流参考，以确保并联逆变器模块的输出电流相同。主从控制结构如图4-32所示。

 

主从控制模式

从图4-32可以看出，主从控制不再有单独的集中控制单元，系统中的主模块将执行控制单元的功能。尽管如此，主从控制的核心思想仍然与集中控制一致，但控制功率集中在当前系统的主模块中。当主模块出现故障时，系统会自动移除主模块，并从原来的从模块中选择一个新的主模块，以确保系统继续正常工作。

 

 

主从式控制解决了集中控制中控制单元故障导致系统故障的问题，提高了系统的可靠性。然而，在主从控制中，主从机的切换过程和控制电路极其复杂。当当前主机故障到新主机时在设置完成之前，系统将处于不受控制的状态，因此存在开关故障的可能性。与集中控制相比，主从控制提高了系统的可靠性，但仍有可能发生系统失控，控制效果仍不理想。

 

分布式逻辑控制模式

鉴于主从控制逻辑切换时系统失控的可能性，人们提出了分散逻辑控制，将控制权均匀分配给每个逆变器模块，形成了真正民主和独立的控制，系统控制不再依赖于主控单元，并联模块通过通信线路接收其他模块的输出电压信息，实现电压锁相、功率共享和逻辑切换。图4-33显示了分布式逻辑控制结构。

 

 

与集中控制和主从控制相比，分散逻辑控制消除了统一的集中控制单元。在并行系统中，每个模块独立工作，状态相同。系统的可靠性大大提高。逆变器具有互联线路并联控制。技术上最实用、最可靠的控制策略被广泛应用于实际的UPS产品中。

然而，对于大型电力供应保障系统，系统中存在大量并行模块，物理位置分散。此时，过多的互连将大大增加逆变器并联系统结构的复杂性，并严重限制并联系统的可靠性。

 

无互联控制方法

为了解决有互连线逆变器并联控制中逆变器模块间的互连线对并联系统可靠性的限制，对无互连线逆变器的并联控制技术进行了一系列的研究和探索，并取得了一定的成果。图4-34显示了无互联逆变器的并联控制结构。

 

 

逆变器无互联的并联控制可分为两种：基于电力线通信的无互联并联控制和基于PQ外部特性下垂的无互联并行控制。其中，基于电力线通信的无互联并联控制使用扩频芯片。逆变器输出电压和电流信息被调制并叠加在交流总线上。

当信号通过AC总线传输时，每个模块接收并解调并联系统中剩余逆变器的状态信号，并经过综合计算获得该模块的控制信号。尽管这种方法实现了逆变器的并联而不互连，但在高频信号叠加在AC总线上后，逆变器输出电压波形将失真并且逆变器状态信号也将受到AC总线电压的影响。因此，考虑到谐波的影响，基于电力线通信的无互联并联控制效果并不理想。

借鉴同步发电机组自同步中的下垂控制原理，提出了一种基于PQ外特性下垂的无联络线并联控制。并联系统中的每个并联模块只需要检测自己的输出电压和电流信号，模块中的控制单元就可以完成。该模块的控制信号可以计算出来，实现均流控制。消除了并联模块之间的状态通信线路，实现了并联模块间的电气隔离，提高了并联系统的可靠性和稳定性，系统配置更加灵活。

无互联逆变器并联控制的基本思想是PQ外部特性下垂控制，称为下垂控制。下垂控制利用逆变器输出电压相位和振幅与输出有功功率和无功功率之间的对应关系，通过调整逆变器输出电压频率和振幅来控制逆变器输出有功功率与无功功率。然后电源就达到了模块并联均流的目的。图4-35显示了下垂控制的原理。

 

 

基于上述分析，无需互联的逆变器并联控制的优点是：

（1） 消除了并联模块之间的状态互连线，实现了电气隔离，避免了并联模块间的噪声干扰真正的冗余电源，大大提高了系统的可靠性。

（2） 实现真正意义上的模块化，并且每个逆变器模块都具有热插拔功能，系统维护和扩展极为方便。

（3） 由于并联模块之间“独立自制”，每个模块只能通过输出电压和电流计算来获得控制信号，因此控制系统需要在很短的时间内进行调整，这对系统的检测精度和控制策略的指令周期都有很高的要求。否则，下垂控制效果将受到影响。

（4） 由于系统采用下垂控制，逆变器输出电压的频率和幅度与市电之间存在稳态误差，电源的外部特性相对较软，不适合对电压幅度和频率有严格要求的负载。

（5） 逆变器输出阻抗的性质对下垂控制效果有很大影响。在实际系统中，必须考虑逆变器输出阻抗和线路阻抗之间的差异对下垂控制效果的影响。