“T”型連接結構的UPS并聯(lián)運行方案

摘要：提出一種“T”型連接結構的UPS并聯(lián)運行方案，該方案中并聯(lián)運行的UPS省去信號聯(lián)絡線，屬于主從式UPS并聯(lián)。從“T”型結構UPS將前級UPS的輸出電流引入并以此電流作并聯(lián)控制信號，采用電流追蹤型PWM控制信號發(fā)生方案，可使其輸出電流與前級輸入電流保持同相，并可達到均流的目的。文中給出了仿真結果，表明該方案是可行的。關鍵詞：UPS并聯(lián)運行拓撲

1 引言

在大型計算機數(shù)據(jù)站、通信設備機房等場合，廣泛采用UPS作運行電源。隨著設備的添置，供電可靠性要求的提高，UPS的容量也越來越大，從UPS運行的經(jīng)濟性及可靠性考慮，根據(jù)用電設備容量的增長逐步添置UPS實行并聯(lián)運行具有重大的現(xiàn)實意義。由于UPS由電力電子開關器件組成，其并聯(lián)運行在技術上是較為復雜的。目前解決UPS并聯(lián)運行的辦法根據(jù)其有無采用信號連絡線而分為兩種[1]:

（1）UPS間有聯(lián)絡線方式；

（2）UPS間無聯(lián)絡線方式。

信號聯(lián)絡線實際為并聯(lián)UPS單元之間的控制信號的傳遞通道，通過控制信號的傳遞使得并聯(lián)UPS間滿足并聯(lián)條件，實現(xiàn)負載容量（有功、無功）的合理分配。UPS間無聯(lián)絡線并聯(lián)運行文獻已見報道的控制方案為電壓、頻率外特性“下垂法”，這種并聯(lián)方法可省卻信號的聯(lián)絡線，但會造成輸出電源的頻率、幅度在小范圍內波動。 

本文提出一種“T”型連接結構拓撲的UPS及其并聯(lián)運行控制策略，這種UPS并聯(lián)運行的方法簡單可靠，屬于無聯(lián)絡線并聯(lián)法。

2“T”連接拓撲及并聯(lián)運行工作原理

普通UPS并聯(lián)運行的連接拓撲如圖1所示，UPS的輸出端子連接到共同的配電母線上，再向負載供電。而“T”型連接的UPS除輸出端子外，還有輸入端子，輸入、輸出在內部是相接的，UPS的實際輸出連接到這兩個輸入輸出端子之間的聯(lián)線上，構成“T”型，即前一臺UPS的輸出端子連接到后一臺UPS的輸入端子上，每臺UPS的輸入電流在內部與自身的輸出電流匯合至輸出端子，連接拓撲如圖2所示。

并聯(lián)運行的原理可用基爾霍夫電流定律來簡單說明。在一臺“T”型UPS中，應滿足電流關系：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，控制對象是UPS輸出電壓的幅度與相位，以求達到各并聯(lián)USP的輸出電流同相，并按容量進行均流的目的?？刂埔蟾咔覐碗s，仿真表明，如兩臺并聯(lián)UPS的相位相差1°，則環(huán)流將達20％額定電流。為保證UPS的并聯(lián)要求，必須高精度地檢測、控制，為此軟、硬件的開銷較大。并且聯(lián)絡線的存在有可能產(chǎn)生EMI問題，以至于在有些公司推出的并聯(lián)UPS間采用光纖作聯(lián)絡線。

在“T”型UPS的并聯(lián)連接中，對于其中某一級UPS，我們把控制對象選定為該級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（前級輸出電流），使UPS自身的輸出電流與輸入電流達到同相位且達到要求的幅度。輸出電流幅度由該級UPS容量S與其前面各級UPS的總容量?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。

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

3“T”型UPS的控制策略

設定的主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”型連接并運行，設定為從UPS的控制檢測電路與普通UPS最顯著的不同之處在于要對前級向本級的輸入電流進行檢測，然后追蹤此輸入電流的變化，控制本級的電流輸出。生成電流跟蹤PWM信號，控制逆變器開關。電流追蹤PWM控制具有結構簡單、工作可靠、響應快、實現(xiàn)容易的優(yōu)點。本“T”型UPS構造的電流跟蹤PWM控制方式原理如圖4所示，為簡單起見，圖中只給出一條橋臂的控制電路。用霍爾電流傳感器檢測輸入輸出電流，輸入電流檢測信號經(jīng)跟蹤電流給定計算，得到給定參考電流ir，當實際輸出電流反饋值if與ir之差達到滯環(huán)的上限值Δ時，即if－ir≥Δ，使V2導通，V1截止，輸出電流i2將下降。當if與ir之差達到滯環(huán)的下限值Δ時，即if－ir≤Δ，使V1導通，V2截止，輸出電流i2將上升。這樣，通過V1、V2的交替通斷，使|i2－ir|≤Δ，實現(xiàn)i2對ir的自動跟蹤。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)仿真結果，逆變橋輸出電感在10kHz的開關頻率下應不小于2mH。為驗證“T”連接結構的UPS并聯(lián)運行控制方案的正確性，我們對兩臺主、從“T”型UPS的并聯(lián)運行進行了仿真。UPS為單相220V/50Hz，分別對阻性負載及整流性負載的并聯(lián)情況作了仿真。圖5為仿真結果。仿真結果表明該方案是可行的。

4 結語

本文提出一種“T”型連接結構的UPS并聯(lián)運行方案，介紹了其結構特點及并聯(lián)運行時采用的電流追蹤型PWM控制策略，而對UPS的其他方面未作涉及。本方案屬于一種無聯(lián)絡線UPS并聯(lián)運行方案，控制策略簡單可靠，容易實現(xiàn)。也存在許多值得進一步研究的地方。將之做成UPS容量擴大單元，因其無信號聯(lián)絡線，可以很方便地與目前的各種UPS進行并聯(lián)，擴大UPS的供電容量，具有較大的經(jīng)濟意義與現(xiàn)實意義。

 
圖5“T”型連接結構的UPS并聯(lián)運行的電流仿真波形
(a)帶阻性負載的并聯(lián)(b)帶整流性負載的并聯(lián)

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