UPS逆变模块的N+m冗余并联结构和均流

UPS逆变模块的N＋m冗余并联结构和均流

摘要：介绍了UPS采用电压源逆变器模块的并联运行，及构成N＋m冗余并联结构进行供电的好处，讲述了

一种新的并联均流电路。

关键词：不间断电源；逆变器模块；并联；冗余N＋m

引言

随着国民经济的发展和用电设备的不断增加，对UPS容量的要求越来越大。大容量的UPS有两种构成方式：一种是采用单台大容量UPS；另一种是在UPS单机内部采用功率模块N＋m冗余并联结构。前者的缺点是成本高、体积重量大、运输安装困难、可靠性差，一旦出现故障将会引起供电瘫痪。后者的好处是提高了供电的灵活性，可以将小功率模块的开关频率提高到MHz级，从而提高了模块的功率密度，使UPS的体积重量减小；并且减小了各模块的功率开关器件的电流应力，提高了UPS的可靠性；同时动态响应快，可以实

现标准化，便于维修更换等。

N＋m冗余并联技术是专门为了提高UPS的可靠性和热维修〔也称作热插拔和热更换（hotplug in）〕而采用的一种新技术。所谓N＋m冗余并联，是指在一个UPS单机内部，采用N＋m个相同的电源模块（powe rsupplyunits，简称PSU）并联组成UPS整机。其中N代表向负载提供额定电流的模块个数，m代表冗余模块个数。m越大USP的可靠性越高，但UPS的成本也越高。在正常运行时UPS由N＋m个模块并联向负载供电，每个模块平均负担1/(N＋m)的负载电流，当其中某一个或k个（k≤m）模块故障时，就自行退出供电，而由剩下的N＋（m－k）个模块继续向负载提供100％的电流，从而保证了USP的不间断供电。

1 N＋m冗余并联的可靠性、可用性及条件

1.1 可靠性的提高

由N＋m个小功率模块组成的冗余并联结构形式的UPS如图1和图2所示。图1是采用n个整流模块、一组蓄电池和k个逆变模块组成的冗余并联结构形式，n可以等于k，也可以不等于k。图2是采用n个整流模块、n组蓄电池和n个逆变模块组成的UPS模块冗余并联结构形式。图3是采用单一大功率整流模块、一组蓄电池和一个大功率逆变模块组成的结构形式，是一般UPS常用的结构形式。

下面我们以图2所示的冗余并联结构为例，说明为什么冗余并联结构能够使可靠性得以提高。当n=k=N＋m 时，假定由一个整流模块和一组蓄电池及一个逆变模块组成的UPS模块（如图2中虚线框内所示）的可靠

性为P1，则N＋m个UPS模块的可靠性为

例如，当一个UPS模块的可靠性P1=0.99时（不可靠性为1％），如果N＋m=3，则

P3=1－(1－0.99)3=0.999999

3个UPS模块的并联可以将可靠性提高4个数量级，不可靠性由原来的1％降到了0.000001％。

1.2 可用性的提高

UPS的可用性的一般定义为

可用性（Availability）=MTBF/(MTBF+MTTR）（1）

式中：MTBF为平均无故障时间，反映UPS的可靠性及冗余性；

MTTR为平均维修时间，即维修所需要的时间。

式（1）说明，UPS的可用性不仅仅取决于MTBF，而且还取决于MTTR，只有采用热更换（热插拔）方式，才能使UPS实现不停机更换模块，即不中断供电维修，这样才能真正减小MTTR，提高可用性。要实现UPS的热插拔不停机更换模块技术，必须满足3个条件：一是正常工作UPS模块自动投入电网；二是并联运行的UPS模块之间要实现有功和无功电流的平均分配；三是USP退出并联，特别是在不干扰电网的情况下快速切除故障的USP模块。有了这3个方面的工作，也就解决了USP模块的热插拔（热更换）技术。通常采用的是N＋1（即m=1）冗余并联方式，这种方式已在通信直流电源中得到了成功应用。直流电源的N＋1冗余并联运行技术比较简单，只需要使电压的大小和极性相同就可以了，而且还能很方便地用二极管

来隔离故障的模块。但是，对于UPS交流电源模块的并联技术要复杂得多，它需要使相序、频率、相位、电压幅值和波形等5个参数相同才能并联。同时对故障模块的隔离也不能用二极管来实现。

USP模块的并联，也不同于同步发电机的并联，后者由于输出阻抗高，靠其本身的下垂特性可以自行均流。同时输出电流大的发电机可以自行降低转速，达到频率和相位的一致。而USP模块不具备这些特性，需要用控制电路来解决静态和动态同步均流及热插拔技术。

1.3 UPS模块实现N＋1冗余并联的条件

USP模块的N＋1冗余并联技术，是提高USP可靠性和可用性的关键技术，模块的并联必须满足以下3个条

件才能实现：

1）各个UPS模块的频率、相位、相序、电压幅值和波形必须相同；

2）各个UPS模块在输入电压和负载的变化范围内，必须能够实现对负载有功和无功电流的均匀分配，为此

要求均流电路的动态响应特性要好，稳定度要高；

3）当均流或同步出现异常情况或UPS模块出现故障时，应能自动检出故障模块，并将其迅速切除而又不影

响UPS的正常运行。

其中有两项关键技术：一是同步技术，另一个是均流技术。前者主要是解决各UPS模块的频率、相位、波形和相序的一致，后者主要是解决各UPS模块均匀负担负载功率的问题。由于各个UPS模块都是与市电电网同步并联工作的，在各个UPS模块中都有相同的相应电路或各模块有一共用的相应电路来实现与市电的同步，同步后各模块的频率、相位、波形和相序都与市电电网相同，满足了条件1）中五个参数的四个。只有各模块之间的输出电压可能有些差别，这种差别主要是由直流电压的不同（例如蓄电池电压不同），或模块内阻压降不同（例如整流管或逆变器开关器件的正向压降的不同）等引起的。因此，均流就成了UPS模块并联工作的主要问题，必须用均流的办法使各UPS模块的输出电压一致。由于各个模块的输出是通过共用母线加到负载上的，这相当于各个模块共同负担同一个负载，所以，各模块的输出负载功率因数只取决于母线上总的负载的功率因数，因此，各模块的输出功率因数相同，在均流时不必再区分有功