冗余式UPS的出现,极大地提高了电力保障系统的可靠性、灵活性、智能化、免(或少)维护等方面的性能。由于冗余式UPS在电力供应中的重要性,国内外都对其相关技术极为关注。国外的科研机构和一些UPS制造厂商投入了大量资金、人力和物力进行相关技术的研究,目前已经有少量相关产品问世。国内该技术起步较晚,目前还处于探索阶段,因此有必要对冗余式UPS中的关键技术进行深入研究。本文主要从均流(负载均分)技术、单元模块热插拔、系统的监控与保护等三个方面来介绍冗余式UPS中的关键技术。

　　1 均流技术

　　在冗余式UPS的各项关键技术中,均流技术是整个系统的核心,冗余结构是以均流技术为基础。均流设计是否得当,直接决定了UPS的稳定性和可靠性。因此,应该深入地研究UPS的均流技术实现的途径及与其相适应的控制策略、控制方法、外部接口电路等。

　　1.1 均流技术原理

　　UPS的并联运行需要满足5个条件,即并联的各个UPS所产生的电压、频率、波形、相位、相序均相同,只有这样才能消除环流,均分负载功率,其关键就在于各UPS的逆变器应共同负担负载电流,即必须实现均流控制,从而达到要求的运行状态。以下以两台UPS的逆变电源并联运行为例进行分析,如图1所示。

　　在图1 中,U 1、U 2代表两个逆变电源输出PWM波形的基波电压;L 1、C 1、L 2、C 2分别代表两个逆变电源的输出滤波器;R为公共负载阻抗。根据图1可列出以下电路基本方程:

　　当U 1与U 2只存在幅值差异，则此电压差与逆变输出电压同相位，如图2(a)所示。由于电感电流滞后电压90°,因此,此时的环流主要是无功分量。当U 1与U 2只存在相位差异,则此电压差比逆变输出电压超前90°,如图2(b)所示。环流电流与逆变电压同相位，因此，此时的环流主要是有功分量。

　　由式(5)可看出,由于环流iH的存在,使各逆变电源的输出电流不仅包含有负载电流分量,还有环流分量。即iL1、iL2由两部分电流组成,一部分为负载电流分量(1/R +2jωC )U o/2,一部分为环流分量(U 1-U 2)/2jωL 。在输出滤波器参数相同的情况下,式(5)右边第二项自然相等,负载电流分量总是平衡的;但第一项则为无功环流,环流分量的存在会使逆变器的输出电流各不相同。由于式(5)中电压为矢量形式,所以只要U 1和U 2在电压幅值或相位上任何轻微的差异都会引起两台UPS的电流差异,从而输出远远大于额定输出的环流,并且环流的大小与负载的关系不大。由于环流方向相反,只有当它为0,才能保证并联UPS输出电流相等,而此环流仅由U 1、U 2决定:当U 1、U 2同相时,电压高的环流分量是容性,电压低的环流分量是感性;当U 1、U 2幅值相等时,相位超前者环流分量为正有功分量(输出有功),相位滞后的环流分量为负有功分量(吸收有功);在U 1、U 2既不同相又不同幅值时,环流分量中既有无功部分,又有有功部分。

　　1.2 系统参数对并联均流的影响

　　在不同状况下,环流分量相对于各逆变电源呈现出不同的负载特性,或为有功或为无功;环流分量改变了各逆变电源的输出电流,也相应改变了各逆变电源的输出功率,使各逆变电源所承担的负载均衡。

　　系统参数对逆变器并联均流的影响有所不同。电感参数的偏移对并联系统均流程度的影响一般,电感量偏移50%时,系统将产生最大环流,使带载能力下降,但仍能正常工作。输出滤波电容参数的偏差对并联系统的均流效果影响不大,在电容量相差50%时,系统产生的环流不到总输出电流的2%,带载能力基本不变。输出电压幅值的偏差对并联系统的均流效果有很大影响。电压幅值相差5%时,并联系统将产生2倍于输出电流的环流,带载能力急剧下降,不能正常工作。输出电压相位的差异对并联系统均流效果的影响很大,在相位相差9°的情况下,并联系统将会产生系统总输出电流的6倍左右的环流,系统丧失带载能力,环流将会对逆变器的功率器件产生破坏性作用。

　　2 单元模块热插拔技术

　　并联冗余式UPS采用了先进的单元模块热插拔技术,故障模块可任意在线投入或退出并联系统,无需停电操作,实现了并联系统的在线维护,同时克服了传统UPS转旁路维修的技术难题,使维修超常简便。

　　基于DSP控制的模块化并联冗余UPS系统的设计方法已在实际产品中运用,其控制灵活实用,智能化程度高,系统可靠性好,可实现单元模块的热插拔,是一种理想的容错性可在线维修的电源系统,如图3所示。

　　2.1 基于DSP控制的冗余式UPS系统原理

　　基于DSP(高速数字信号处理器)控制的UPS模块,其系统采用主从控制方案。当多个模块组成的并联冗余系统通电运行时,通过同步总线CAN(Controller Area Network)的竞争机制自动生成主模块。主模块输出电压的相位信息——发出的同步信号将成为各从模块运行的时序依据,实现模块间的同步运行。采用该方案后,各模块之间同步误差很小,同步效果非常好。

　　当同步控制一旦建立,DSP检测本模块各项系统参数,启动模块功能,为负载供电,同时通过均流控制通信线将本模块的运行参数向总线上的各个模块发送,延时等待后,再从总线上获取其他模块的运行参数,DSP结合本模块运行参数,根据均流控制策略计算得到均流误差参数,从而调整PWM脉冲调控本模块各项输出参数,实现系统均流。

　　2.2 单元模块热插拔的实现

　　DSP还能实现并机过程中的主从模块逻辑切换功能,从而实现单元模块热插拔。并联系统运行时,一般会出现三种并机结构改变的情况:

　　(1)主模块退出并联系统;

　　(2)从模块加入并联系统;

　　(3)从模块退出并联系统。

　　模块加入都是人为操作的结果,退出的原因可能是该模块故障或外部控制其主动关机。并机结构的改变会造成系统的不稳定,应采取高可靠性的并联逻辑控制策略。

　　并联系统上电、主模块建立时,利用均流控制通信线对系统模块全局搜索。主模块发送自身主机地位确立命令,从模块收到命令后向主模块发送要求分配从模块编号的请求,主模块根据现有从模块数发送分配编号命令给从模块。由于是总线连接方式,并联系统中的所有模块都能够获悉本系统任一时刻处于并联状态的模块数目。从模块的加入与上述上电时从模块的建立方法一致。

　　主模块的退出是相当危险的情况。因为根据并联方案,主模块提供的同步信号是各从模块运行的时序依据,同步信号的消失必然导致并联失败;因此,主模块要求退出时,必须向总线发布主机退出命令,从模块会结合系统开机时分配的从机编号,依据事先设置的主机生成方案,生成新的主模块,代替退出的前主模块提供同步信号。同时,所有从模块的从机编号自动实现重新分配。由于 CAN 总线的通讯速度极快,主从切换均能保证在1/4个工频周期内完成,不会影响并机系统的运行。

　　从模块退出时,本身不会影响同步信号,它会向总线发布退出请求和本模块从机编号,接收到该信号的系统中其他模块根据事先设置的编号方案,自动变更编号设置,实现实时模块数的更新。对于人机互动的外在操作而言,操作者可以实现对(逆变)单元模块的热插拔。

　　3 系统的监控与保护

　　在冗余并联UPS电源控制系统中,将各并联UPS之间通过并联控制单元及控制器局部网CAN总线互联,通过CAN总线进行数据交换,可以实现UPS冗余并联控制实时监控,从而最大程度地保证了UPS冗余并联及对负载供电的可靠性。

　　对于冗余并联U P S系统,各台高频U P S是CAN总线网络结构中的一个下位节点,将与PC机相连的专门负责现场监控冗余并联UPS系统的CAN节点视为上位节点。为方便起见,这里仅考虑现场监控的CPU也是TMS320F240型DSP的情况。作为下位节点的各并联高频UPS的运行参数通过CAN总线网络进行高速传输,实现各UPS运行参数的高速共享,通过运行参数的高速共享,嵌入各高频UPS内部的中央处理器DSP对各UPS单机的运行状态进行实时控制。在系统方案的设计时,选择市场上较流行的独立的CAN控制器SJA1000以及82C250总线收发器,得到系统总体结构如图4所示。

　　下位节点将本UPS单元的运行参数上传给上位节点，并接收上位节点发出的控制指令。上、下位节点都通过CAN-BUS完成数据接收和发送。上位节点与PC机通过RS232串口通讯,PC机负责对现场节点的远程监控。本系统上位节点负责向下位节点发送控制指令;同时接受下位节点发送的数据,并通过分析、判断,将系统的运行参数、运行状态通过LCD显示出来或由蜂鸣器发出相应的报警信号;还将并联UPS系统的运行状况传给PC机以实现远程监控与保护。

　　4 结束语

　　冗余式UPS凭借其可扩展性消除了用户尤其是中小用户在现实和发展间的顾虑。不仅可以降低用户的初期购置成本,而且更能适应日后的拓展需求。其渐进式扩展方式,使系统能够伴随用户的成长而发展。冗余式UPS采用了先进的热插拔技术,单体故障模块可任意在线投入或退出并联单元,无需停电操作,实现了并联系统的在线维护,同时该操作无需专门仪器和技术即可进行。冗余式UPS采用了基于总线的监控与保护技术,可以最大程度地保证UPS冗余并联及对负载供电的可靠性。随着UPS系统设计理念的不断深化,冗余式UPS必将引起UPS新的革命,进而成为未来UPS系统发展的新趋势。

　　参考文献

　　[1] 阮玉镇,杨富文.UPS并联运行控制技术.福建电脑,2003.9

　　[2] 叶智俊,严辉强,余运江等.DSP控制的模块化并联冗余UPS 系统.电子技术[J],2007.4

　　[3] 韩党群.CAN控制器SJA1000及其应用.电子技术应用[J],2003,29(1):66～69

　　[4] 章 云,谢莉萍,熊红艳.DSP控制器及其应用[M].北京:机械工业出版社,2001

　　作者简介

　　王 宁,男,硕士研究生,主要从事电源模块化技术研究。

　　钱希森,男,教授,主要从事电力电子与电力传动的教学及研究。

　　王吉校,男,硕士研究生,主要从事电力电子功率变换技术研究。【红尘有你】