UPS并聯系統若干關鍵問題及其解決處理

王軍

（中國民用航空西北地區空中交通管理局 陜西西安 710082）

UPS并聯系統若干關鍵問題及其解決處理

王軍

（中國民用航空西北地區空中交通管理局 陜西西安 710082）

隨著重要用電設備的增多，用戶對供電質量提出了更高的要求，不間斷電源（UPS）的應用越來越廣泛，UPS的并聯運行方式很大程度上增大了系統的供電容量，提高了供電系統的可靠性。本文主要對UPS并聯系統運行過程中的關鍵問題進行了分析，提出了有效的解決方案。

UPS；并聯系統；問題處理

UPS可以為重要的外部設備提供持續穩定的電能，在市電突然中斷的情況下，UPS可以持續供電，用戶有充足的時間應對系統故障[1]。隨著數字技術和通信技術的發展，電力設備對供電質量提出了更高的要求，UPS的需求量逐漸增大，現階段的UPS主要應用工業、金融、國防和政府機關等方面。UPS在應用的過程中，往往會受到突加沖擊負載、有功功率環流、虛擬阻抗和直流環流的影響，這些問題一定程度上制約了UPS的推廣和應用，為了提高UPS的應用效益，需要重點結合實際問題提出針對性策略。

1 UPS主要結構和工作模式

按照工作原理的不同，可以將靜止變換式UPS分為后備式、在線式和在線互動式三種：

圖1 UPS的分類

后備式UPS有兩種工作模式，即正常工作模式和電池供電模式。在正常工作模式下，市電對電池充電，市電突然中斷時電池可以經過逆變器為負載供電。對不會對電網的畸變和干擾形成阻礙作用，同時結構簡單成本低廉。

在線式UPS有三種工作模式，即正常工作模式、旁路工作模式和電池供電模式。正常工作模式下，市電經過整流變換成直流，通過逆變器為負載供電，逆變器出現故障時，可以轉變為旁路工作模式，市電不正常時電池借助逆變器為負載供電。

在線互動式UPS有兩種工作模式，即正常模式和電池模式。電網向負載供電，同時UPS逆變器會對電網進行補償，提高供電質量。

2 突加沖擊負載控制方法

正常工作狀態下，UPS工作在逆變模式，此時UPS系統在輸出過程中會受到突加整流和系統中電動機負載的影響，剛投入時沖擊電流較大，逆變器硬件限流，在多個工頻周期內UPS系統的輸出電壓較低，負載供電不足，此時較大的沖擊電流也會對功率器件造成影響。

突加電動機負載的同時，沖擊電流增大，硬件限流保護發揮作用，輸出電壓波形發生變化[2]。

為了減小突加負載對輸出電壓造成的跌落影響，保證負載的供電可靠性，需要及時檢測輸出電流，如果輸出電流的峰值比設定值大并且持續一定時間時，UPS系統會從逆變工作狀態轉換為旁路工作狀態，旁路晶閘管的耐沖擊力和電網的容量較大，如果沖擊電流消失，旁路不過載，UPS系統會從旁路工作轉變為逆變工作狀態。UPS在旁路工作狀態時，如果檢測到旁路不過載，此時系統會從旁路供電狀態轉變會逆變供電狀態，提高對負載供電的可靠性。

3 有功功率環流影響及控制

3.1 有功功率環流對UPS系統的影響

圖2是在UPS系統基礎上構建的PFC電路。

圖2 PFC控制電路

圖2 中的Lp和Ln為濾波電感，C1和C2為輸出濾波電容。在該系統中電能的能量單相流動，只能從電網流向直流輸出，系統輕載或空載狀態下無法對有功環流進行控制，如果一臺UPS吸收的有功功率比輸出的有功功率大，直流母線電壓升高，出現過電壓保護的問題。在空載或輕載狀態下，如果UPS并聯系統中存在有功環流，將導致直流母線電壓升高，造成嚴重的后果。

3.2 有功環流影響的控制

空載或輕載狀態下系統中共存在一定的輸出濾波電容，輸出功率較大，無功功率的計算精度較高，與有功功率計算相同，選取正確的采樣時間可以提高無功功率的計算精度，為了提高系統的均流特性和穩定性，重要的方法就是選取準確的采樣時間。UPS并聯工作狀態下，如果功率計算不準確，將出現有功環流，多臺UPS也會出現過電壓的故障，此時正確計算有功功率十分重要[3]。

4 虛擬阻抗影響和控制

虛擬阻抗對UPS并聯系統的影響主要體現在三個方面，即對并聯系統環流的影響、對系統負載調整率的影響、對逆變器電源調整率的影響。

為了進一步抑制UPS并聯系統環流，提高系統均流控制的穩定性和精度，需要將逆變輸出電感電流反饋加入到電壓電流雙環控制中，構成虛擬阻抗環路。忽略系統參數影響和連接線阻抗分三星影響的同時，加入虛擬阻抗后，逆變器輸出基準電壓差導致基波環流減小，正負直流母線差和系統中IGBT導通壓降引起的直流環流將大大降低，系統中逆變器輸出的直流等效電阻較小，盡管直流電壓差較小也能引起較大的直流環流。加入虛擬阻抗后，等效內阻抗中差異引起的有功環流減小，在虛擬阻抗增加的同時，有功環流逐漸減小，虛擬阻抗對等效內阻抗引起的有功環流形成了抑制。

虛擬阻抗增大的同時，系統閉環諧振頻率增益減小，相角的變化率減小，系統內部的震蕩減弱，穩定性提高，閉環系統在50Hz狀態下穩態響應不會產生變化。突加負載狀態下，加入虛擬阻抗之前和加入虛擬阻抗之后輸出電壓的跌落值基本一致，動態變化過程也基本相同。在穩態情況下，虛擬阻抗輸出電壓的幅值小于沒有虛擬阻抗時的輸出電壓幅值，虛擬阻抗的大小直接關系著輸出電壓的幅值，此時系統的負載調整率也會有所下降。虛擬阻抗增加的同時，如果負載相同，輸出電壓的穩態誤差也會逐漸增大，負載的調整率變差，在輸出功率增加的同時，系統的負載調整率也會受到影響。隨著虛擬阻抗的增加，UPS負載的調整率變差，在實際電路中還存在一些濾波電感的等效電路和非理想因素，實際負載的調整率會大于理論分析值，最終UPS輸出電壓可以沒有靜差和基準給定電壓。

不同虛擬阻抗狀態下的輸出電壓幅值和母線電壓有著直接的關系，在虛擬阻抗增加的同時，直流母線電壓出現變化到時電壓幅值變化。在虛擬阻抗增大的過程中，輸出電壓的相角不會變化。在小功率負載情況下，輸出電壓的幅值不會隨著虛擬阻抗的變化而變化，虛擬阻抗增加會對輸出電壓變化有一定的抑制作用，但是作用效果不大。負載功率增大的同時，虛擬阻抗的增加導致對輸出電壓幅值的一致作用也會變大。

5 直流環流的影響和控制

在UPS系統中，正負直流母線電壓不對稱，逆變電路中功率管的開關速度和存儲時間都會存在一定的離散性，加上電路的非理想因素，例如驅動信號傳輸變化等都會導致工頻周期中你便橋臂中正負電壓的伏秒乘積不為零，同時逆變器輸出的電壓含有一部分直流分量[4]。

UPS輸出電壓的直流分量會對負載造成較大的影響，必須應用有效的方法進行控制。在UPS并聯系統中，輸出直流的等效電阻較小，多臺UPS逆變器輸出電壓的直流分量也會存在差異，較小的直流電壓偏差和將會導致系統中出現較大直流環流，需要對直流環流進行抑制。實際應用過程中，受到非理想因素的影響，借助了科學的有功功率和無功功率計算方法，可以提高系統的檢測精度，但是其中仍然存在較大的誤差，系統中同時存在有功環流、無功環流和直流環流的問題。為了提高UPS并聯系統的穩定性，控制有功環流、無功環流和直流環流，需要對傳統的均流控制方法進行改進。多條逆變器中的輸出電壓存在直流電壓差時，直流母線電容內部的電壓將會增大，如果接線阻抗較小，直流母線上的電壓增加十分顯著，此時必須要對其進行控制，避免導致過壓損壞器件。實際應用中可以計算出電感電流的直流分量，調節逆變輸出的基準電壓，對直流環流進行抑制。

6 結束語

UPS單機和并聯控制是電力應用領域的研究熱點，本文結合UPS的結構和應用魔獸，提出了并聯系統運行過程中的主要問題。針對有功功率環流的影響，需要正確計算出有功功率；針對突加沖擊負載，需要應用合理UPS形式；針對直流環流影響需要重點調節逆變輸出的基準電壓，對直流環流進行有效抑制。只有解決UPS并聯系統中出現的關鍵問題，才能提高系統的應用效益，提高供電質量。

[1]王璐，周海瀟，羅建，等.感應電動機電源切換的UPS逆變器控制策略[J].電力系統保護與控制，2014，36（24）：491.

[2]侯世英，陳劍飛，孫韜，等.新型在線式UPS拓撲[J].湖南大學學報（自然科學版），2012，39（11）：65.

[3]于瑋，徐德鴻，周朝陽，等.并聯UPS系統均流控制[J].中國電機工程學報，2015，28（21）：63.

[4]廖慧，張波，陳艷峰，等.三相UPS輸出電壓不平衡控制的研究與實現[D].華北電力大學（自然科學版），2012，39（9）：51.

TN86

A

1004-7344（2016）08-0281-02

2016-3-6

王 軍（1973-），男，助理工程師，大專，主要從事高低壓供配電及UPS工作。