“T”型连接结构的UPS并联运行方案

摘要：提出一种“T”型连接结构的UPS并联运行方案，该方案中并联运行的UPS省去信号联络线，属于主从式UPS并联。从“T”型结构UPS将前级UPS的输出电流引入并以此电流作并联控制信号，采用电流追踪型PWM控制信号发生方案，可使其输出电流与前级输入电流保持同相，并可达到均流的目的。文中给出了仿真结果，表明该方案是可行的。关键词：UPS并联运行拓扑
1引言

在大型计算机数据站、通信设备机房等场合，广泛采用UPS作运行电源。随着设备的添置，供电可靠性要求的提高，UPS的容量也越来越大，从UPS运行的经济性及可靠性考虑，根据用电设备容量的增长逐步添置UPS实行并联运行具有重大的现实意义。由于UPS由电力电子开关器件组成，其并联运行在技术上是较为复杂的。目前解决UPS并联运行的办法根据其有无采用信号连络线而分为两种[1]:

（1）UPS间有联络线方式；

（2）UPS间无联络线方式。

信号联络线实际为并联UPS单元之间的控制信号的传递通道，通过控制信号的传递使得并联UPS间满足并联条件，实现负载容量（有功、无功）的合理分配。UPS间无联络线并联运行文献已见报道的控制方案为电压、频率外特性“下垂法”，这种并联方法可省却信号的联络线，但会造成输出电源的频率、幅度在小范围内波动。

图1普通UPS的并联运行

图2“T”型结构UPS并联运行

本文提出一种“T”型连接结构拓扑的UPS及其并联运行控制策略，这种UPS并联运行的方法简单可靠，属于无联络线并联法。

2“T”连接拓扑及并联运行工作原理

普通UPS并联运行的连接拓扑如图1所示，UPS的输出端子连接到共同的配电母线上，再向负载供电。而“T”型连接的UPS除输出端子外，还有输入端子，输入、输出在内部是相接的，UPS的实际输出连接到这两个输入输出端子之间的联线上，构成“T”型，即前一台UPS的输出端子连接到后一台UPS的输入端子上，每台UPS的输入电流在内部与自身的输出电流汇合至输出端子，连接拓扑如图2所示。

并联运行的原理可用基尔霍夫电流定律来简单说明。在一台“T”型UPS中，应满足电流关系：i1＋i2=i3，i1为输入电流，i2为UPS为输出电流，i3为总输出电流，均为瞬时值。

式（1）为向量式。(1)显然，要求与同相，向量图如图3所示。若与有相位差，要输出相同的电流，则在前后相连的UPS间产生环流，该环流在实际并联的UPS间不可避免，但要控制其尽可能地小。

在公共母线并联方式中，控制对象是UPS输出电压的幅度与相位，以求达到各并联USP的输出电流同相，并按容量进行均流的目的。控制要求高且复杂，仿真表明，如两台并联UPS的相位相差1°，则环流将达20％额定电流。为保证UPS的并联要求，必须高精度地检测、控制，为此软、硬件的开销较大。并且联络线的存在有可能产生EMI问题，以至于在有些公司推出的并联UPS间采用光纤作联络线。

在“T”型UPS的并联连接中，对于其中某一级UPS，我们把控制对象选定为该级UPS自身的输出电流，控制该UPS的输出电流直接跟踪其输入电流（前级输出电流），使UPS自身的输出电流与输入电流达到同相位且达到要求的幅度。输出电流幅度由该级UPS容量S与其前面各级UPS的总容量S根据式（2）确定ir=i1(2)

式中：i1为该UPS的输入电流；

ir为跟踪电流的给定值。

这样可达到各UPS均流的目的。然后这两个基本相同的电流汇流后经输出端子输出，流向下一级并联的UPS。如图2所示。对于第一级UPS，我们将功能设定为主UPS，其输入电流不存在，其任务是产生符合供电要求的正弦电压波形，其作用实际是正弦电压源。该电压经后面各级UPS的“T”型连接的横臂汇流母排加到负载上。由于汇流母排阻抗很小，可认为加到负载上的电压与第一级UPS的输出电压相差甚微。后面各级UPS为从UPS，从UPS实际为电流控制性电流源。供给负载的电流为各UPS的总和。

图3“T”型UPS电流向量图(a)与同相(b)与不同相

图4“T”型UPS的电流追踪控制原理 

3“T”型UPS的控制策略

设定的主UPS具备通常UPS的功能，为并联系统的正弦波电压源。为适合“T”型连接并运行，设定为从UPS的控制检测电路与普通UPS最显著的不同之处在于要对前级向本级的输入电流进行检测，然后追踪此输入电流的变化，控制本级的电流输出。生成电流跟踪PWM信号，控制逆变器开关。电流追踪PWM控制具有结构简单、工作可靠、响应快、实现容易的优点。本“T”型UPS构造的电流跟踪PWM控制方式原理如图4所示，为简单起见，图中只给出一条桥臂的控制电路。用霍尔电流传感器检测输入输出电流，输入电流检测信号经跟踪电流给定计算，得到给定参考电流ir，当实际输出电流反馈值if与ir之差达到滞环的上限值Δ时，即if－ir≥Δ，使V2导通，V1截止，输出电流i2将下降。当if与ir之差达到滞环的下限值Δ时，即if－ir≤Δ，使V1导通，V2截止，输出电流i2将上升。这样，通过V1、V2的交替通断，使|i2－ir|≤Δ，实现i2对ir的自动跟踪。如ir是正弦电流，则if也近似为一正弦电流，如ir是非正弦电流，则if的波形也将与ir一致。为减少跟踪输出电流的纹波，须限制跟踪电流的变化率，根据仿真结果，逆变桥输出电感在10kHz的开关频率下应不小于2mH。为验证“T”连接结构的UPS并联运行控制方案的正确性，我们对两台主、从“T”型UPS的并联运行进行了仿真。UPS为单相220V/50Hz，分别对阻性负载及整流性负载的并联情况作了仿真。图5为仿真结果。仿真结果表明该方案是可行的。

4结语

本文提出一种“T”型连接结构的UPS并联运行方案，介绍了其结构特点及并联运行时采用的电流追踪型PWM控制策略，而对UPS的其他方面未作涉

及。本方案属于一种无联络线UPS并联运行方案，控制策略简单可靠，容易实现。也存在许多值得进一步研究的地方。将之做成UPS容量扩大单元，因其无信号联络线，可以很方便地与目前的各种UPS进行并联，扩大UPS的供电容量，具有较大的经济意义与现实意义。

图5“T”型连接结构的UPS并联运行的电流仿真波形

(a)带阻性负载的并联(b)带整流性负载的并联