UPS逆变电源的并联控制技术综述1概要.docx
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UPS逆变电源的并联控制技术综述1概要
收稿日期:
2005204202作者简介:
李 杰（
1980-,男,安徽蚌埠人,现为福州大学电气工程与自动化学院控制理论与控制工程专业2003级硕士研究生。
研究方向:
UPS并联系统控制策略研究。
文章编号:
100923664（20050420007204变换与控制
UPS逆变电源的并联控制技术综述
李 杰,王 武,杨富文
（福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350002
摘要:
多模块UPS能较灵活地实现对电源系统容量的扩展,为了增加整个电源系统的可靠性,它可
以组成冗余并联系统。
文中对目前采用的UPS并联连接控制方式和均流控制技术进行了综述。
逆变器并联的全数字化控制方案是交流电源领域的发展趋势。
关键词:
UPS;并联运行;负载均分;均流中图分类号:
TN712
文献标识码:
A
AReviewofUPSParallelOperationControlTechnique
LIJie,WANGWu,YANGFu2wen
（CollegeofEngineeringandAutomation,FuzhouUniversity,Fuzhou350002,ChinaAbstract:
Themulti-moduleUPScanflexiblyimplementexpansionofpowersystemcapacities.Inordertoimprovethereliabilityofwholepowersystem,itcanbeusedtobuilduparedundantparallelsystem.Someparallelconnectingcontrolmodesandcurrent2sharingtechniqueareintroducedindetailinthispa2per.WealsodepictthedevelopingtrendofUPSparalleltechnique.Keywords:
UPS;paralleloperation;loadshare;current2sharing
0 引 言
不间断电源（UPS越来越广泛地应用于一些重要的设备上,用它为这些设备提供恒定的电压和频率,例如电脑系统,通讯系统和医院的一些仪器
[1,2]
。
如果要扩展系统容量,可以使用大容量
UPS或用小容量UPS并联这两种方法实现。
前一
种方法由于初期投资大,安装困难（比如大小,重量和系统可靠性等原因而变得不太实际。
相比之下用后一种方法来扩展系统容量并使之具有冗余性是比较容易实现的
[3]
。
常见的冗余式供电方式由二台或多台UPS电源逆变器模块经系统控制柜并联后再向外供电的主从供电体系,以及将并机功能直接设计在各个UPS电源单元模块中的分散逻辑供电方案。
不管采用那
种方式,在正常工作时每个UPS电源模块都要平均分配负载电流。
在运行中,如果遇到其中一台UPS电源模块出故障时,并联系统自动将有故障的UPS电源模块同负载脱机。
此时,全部负载由剩下的UPS电源模块按照比例平均分担。
通过这种方式,UPS电源可以保证一直向用户提供无幅度扰动和无
供电时间中断的高质量电源。
显然,采用这样的供电系统,大大增强了UPS电源供电系统的可靠性。
要实现UPS并联我们要完成以下两个任务:
一
是各个UPS输出电压的幅值、频率和相位要相同;二是在输出电压同步的情况下,总的负载电流要在各个UPS间均衡分配,达到负载均分的目的。
1 UPS的并联控制方式
UPS的并联按照其连接方式一般分为集中控制,主从控制,分散逻辑控制,3C（CircularChainControl连接控制和无互连线控制方式。
（1集中控制
集中控制又可以分为直接集中控制和间接集中控制。
直接集中控制方式中并联单元检测市电的频
7
2005年8月25日第22卷 第4期
通信电源技术
TelecomPowerTechnologies
Aug.25,2005
Vol.22 No.4
率和相位,向每个UPS发出同步脉冲,无市电时可由晶振产生同步脉冲通过各个UPS单元的锁相环控制来保证各单元输出电压同步。
并联单元还要检测负载的总电流,然后除以并联单元数作为各个单元的电流参考,与本单元电流比较求出偏差并控制使其最小。
不过由于存在检测误差,所以实际输出电压相位仍然可能存在误差。
为消除这一缺陷,我们可以采用间接集中控制方式。
这种方式是用电流误差ΔI和输出电压U
O
计算出ΔP和ΔQ,其中ΔP作为相位补偿量,ΔQ作为电压幅值补偿量,可进一步提高并联运行时均流的精度。
但是由于系统仍采用一个集中的控制单元,如果该控制单元出现故障时整个UPS并联系统就会瘫痪,存在单点故障,不能真正达到高可靠性和真正冗余的目的,所以目前并联系统较少采用这种方式。
（2主从控制
主从控制方式是将并联控制单元做到每个模块上,通过工作方式选择开关来选择一台UPS做主机,其他单元作为从机。
各个电源单元检测网络状态信号线并由其内部主从标志来控制开关K的闭合与否。
当系统中的一台出现故障时其余单元仍可以工作,当主机出现问题时可通过切换来使得另外一台UPS作为主机让系统继续正常运行。
通常做主机的一台UPS处于电压控制模式,而其他的UPS处于电流控制模式[4]。
这种方式虽然可靠性有所增加,但其同步信号仍为公共集中同步信号,切换过程中失去同步信号可能使模块失效,并且切换控制电路的复杂性也可能影响系统的正常运行,从而影响整个系统的性能指标,所以主从式并联控制系统并不是较理想的并联冗余系统。
（3分散逻辑控制并联
分散逻辑控制是将控制权分散,在逆变电源并联运行时,各个电源模块检测出自身的有功和无功功率,通过均流母线传送到其他并联模块中,与此同时电源模块本身也接收来自其他模块的有功无功信号进行综合判断确定本模块的有功无功基准,从而确定各个模块的电压和同步信号（频率和相位的参考值。
文献[5,6]就采用了这种方法。
分散逻辑控制技术即为一种独立并联控制方式,它采用了在各逆变电源中把每个电源模块中的电流及频率信号进行综合,得出各自频率及电压的补偿信号的控制策略。
这种方式可实现真正的冗余并联,有一个模块故障退出时,并不影响其他模块的并联运行。
它以可靠性高、危险性分散、功能扩展容易等良好的特性已在众多领域中得到了广泛的应用,并且成为计算机控制系统发展的主要方向之一,是一种比较完善的分布式智能控制技术[7~10]。
但当多个模块并联时互连线数目较多,信息量大,实现较复杂[11]。
（43C连接
3C型并联的思想是减少互连线的数目和信号的传递,以减少对其他模块的依赖程度。
它是将第一台逆变器的输出电流反馈信号加到第二台逆变器的控制回路中,第二台的输出电流反馈信号加到第三台,依次连接。
最后一台的输出电流反馈信号返回到第一台逆变器的控制回路,使并联系统在信号上形成一个环形结构,在功率输出方面形成并联关系。
3C型方案在控制回路中引入其他模块信号,加强了模块之间的影响,使得常规方案难以控制,因此一般采用H∞理论设计控制器以解决稳定性问题。
文献[12]中每个逆变器都由PI控制来得到快速的动态响应,用鲁棒控制来得到多个模块逆变器的鲁棒性,以减少逆变器间的相互影响。
与前面的方案相比,3C型并联方案仅引入一个模块的电流信号,无需模拟信号平均电路,也无需知道并联模块数。
但是控制器复杂,设计难度大,多采用数字控制系统来实现,成本较高,而且采用H∞方法设计控制器,控制器阶数过高,实现较困难[13]。
（5无互连线控制
UPS逆变电源的无互连线并联控制方式的原理是:
每个逆变单元都有一个功率计算器来实时检测输出的有功功率P和无功功率Q,通过给定频率f
k和电压U
r
的微调,我们可以得到最佳的相位和电源电压补偿量来使得逆变器之间没有相位和电压的误差,实现负载均分[14]。
当前对UPS逆变电源无互连线控制的策略研究主要表现在以下几个方面:
文献[15~19]对利用电力系统并网采用的下垂特性控制方法进行了探讨并取得了一些成果;另外美国麻省理工学院的DJPerreault[20]于1997年提出了谐波注入的思想,它是采用类似于通讯中调制解调的工作原理,各并联模块检测本单元输出电压的频率和相位,以某一频率的谐波形式叠加在其输出基波电压上,各并联模块在输出端注入的这种谐波分量综合产生相应的公共基准信号,作为各模块的调节参考信号,通过检测本单元与相应的公共基准信号间的差异,可获得对本模块精确调节的信息;无功功率和谐波失真功率的均分也可采用同样控制方法。
我们用这种方法实现了消除分散控制中存在的噪声干扰,提高了并联系统的可靠性。
但是我们需要高精度的检测以及高速度的计算。
从目前国内外的一些研究资料看,这种方法是UPS并联技术的一
8 通信电源技术第22卷
个发展趋势。
2 均流控制技术
要实现逆变电源的并联运行,其关键就在于各逆变器应共同负担负载电流,即要实现均流控制。
目前的均流控制主要有以下几种:
（1限流电感法
抑制环流较有效的措施是在各交流并联电源的输出端串接限流电感。
但限流电感在抑制环流的同时又由于其压降使得电源的特性变得非常的软,稳压特性变差。
从限制动态环流的效果看,电感值越大越好;但从稳压精确角度看,电感越小越好[21]。
这就需要我们在这两方面综合考虑取一个折衷,以便达到最佳的抑制效果。
（2电流自动均流法
这种方法又可以分为平均电流法和最大电流法两种。
用平均电流法无需外加控制器,只需外加一条均流母线即可。
它通过检测负载总电流然后除以并联模块数,通过均流母线将信号传送给各个单元作为他们的给定值,利用本模块输出电流与平均电流的偏差来调整输出电压,并达到均流目的。
但是当均流母线出现短路或者有模块不工作时系统将发生故障。
利用二极管的单向导电性来实现最大电流法。
只有多个并联模块中输出电流最大的模块才能使得二极管导通,从而影响均流母线电压,从而达到均流目的,这种方法调节的只是一个单元。
由于二极管有压降所以被调节的单元有误差,其他单元则有较好的均流效果。
（3外特性下垂法
在并联UPS逆变电源中,每个单元按照外特性和各模块的电压参数值均分总的负载电流。
它是通过调节外特性的斜率来达到均流的。
由下垂特性可知,将各个并联逆变电源单元的输出电压和频率调整到某一个值,来达到均流的目的。
这种均流控制的一个突出的优点是各并联的逆变电源单元之间没有互连通讯线。
下垂法可以通过在每个UPS的输出加一系列电阻来实现,但主要缺点是增加了能量的浪费,不适合于大电流应用。
最好的方法是用一个与输出电流成比例的信号去改变输出电压反馈环的性质,以便在负载电流增大时输出电压减小[19]。
文献[22]给出了下垂法的数字控制算法。
但下垂法本身也存在着一些问题[23,24]:
a.在输入电压频率和幅值的精度与功率分配精度间进行折衷;
b.瞬时响应受到限制;
c.输入电压与AC输入电压的失同步（包括频率和相位;
d.对谐波电流不能进行很好的均流;
e.均分功率受到线路阻抗不平衡的影响。
文献[25]中提出了一种比较新颖的方法,这种方法是通过适应性地控制每个模块的参考电压,它可以极大地提高输出电压的调节,改善常规下垂均流方法。
（4有功无功法
这种方法就是根据检测各个模块的有功无功的偏差值来调节输出电压的相位和幅值,使得每个单元输出的有功无功相等达到均流的目的。
文献[26]中采用了三相系统abcΖαβ变换,采用这种基于瞬时功率的有功及无功检测方法,可以快速、准确地检测出瞬时有功及无功的大小,从而能够确保系统控制的快速性。
并用四台40kVA的三相UPS做了实验,实际运行结果证明了这种控制方法可以获得良好的稳态和动态性能。
（5其他均流方法
此外文献[3]中提出了一种双闭环瞬时均流控制,它采用电压外环提供基准电压信号并与检测的瞬时输出电压比较,经过调节器校正后作为电流内环的给定;电流内环一般采用滞环控制,使得UPS的输出电流能够跟踪给定在一定的范围内变化。
以上介绍的是几种典型的均流控制方法,每种方法均有各自的优缺点和适用范围。
许多学者根据不同的UPS以及其用途的不同提出了改进型控制方案,例如文献[26]则把有功和无功控制与频率下垂控制结合起来,以提高控制精度。
文献[27]以电流电压双环瞬时反馈控制方式为基础,在各模块中设置数字信号同步环节和模拟信号平均环节,连接各模块的同名控制信号端,即可实现任意模块并联运行,无需外加控制模块,单机运行时同步和平均环节自动失效,易于构成各种所需容量。
并为进一步实现热插拔提供了可能。
为了提高UPS的工作效率,在文献[28]中均流内环采用了三态控制方式,即在电感电流与电流给定误差小于滞环上限且大于滞环下限时,使电感处于自然续流状态,只有当误差大于滞环上下限时才进入两态调制,这样就可以有效地减少逆变器开关管的切换次数,提高变换器的效率,同时减小了输出能量的回馈。
3 UPS并联技术的发展趋势
逆变器并联技术是提高逆变电源系统可靠性,扩充系统容量实现冗余的有效方法。
要实现较完善的并联系统中逆变电源独立控制,并且在不同容量、不同结构的电压型逆变电源之间或逆变电源与公共
9
第4期 ・变换与控制・ 李 杰等:
UPS逆变电源的并联控制技术综述
电网之间实现并联运行控制及负载均分控制,则取消逆变电源模块间的均流互联线应为最理想的选择,即采用“无互联线的并联控制”技术。
但目前只有极少数的公司采用这种技术,其他公司还是以分散逻辑控制为主。
虽然无互连线并联技术已取得了一些成果,但并联理论和控制策略还需进行深入的研究。
逆变电源的并联运行技术不仅表现为一种完整、系统的控制理论,同时也是一门代表工程发展需要的实用技术。
为提高系统的控制性能和完成并联控制的复杂算法,逆变电源的控制最好采用全数字化控制方案,如用单片机或DSP完成系统的检测、运算和控制。
由于并联系统是一个比较复杂的系统,我们可以采用各种智能化控制策略,如模糊控制、滑模变结构理论和混沌理论等现代控制理论。
这些方法已有一些学者进行了尝试,但可以预见这些方法的运用将更有利于系统的优化。
总之,随着社会的发展,UPS逆变电源的并联运行系统必将在各种应用领域得到广泛的推广和应用。
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