UPS并联系统若干关键问题及其解决处理

王军

（中国民用航空西北地区空中交通管理局 陕西西安 710082）

UPS并联系统若干关键问题及其解决处理

王军

（中国民用航空西北地区空中交通管理局 陕西西安 710082）

随着重要用电设备的增多，用户对供电质量提出了更高的要求，不间断电源（UPS）的应用越来越广泛，UPS的并联运行方式很大程度上增大了系统的供电容量，提高了供电系统的可靠性。本文主要对UPS并联系统运行过程中的关键问题进行了分析，提出了有效的解决方案。

UPS；并联系统；问题处理

UPS可以为重要的外部设备提供持续稳定的电能，在市电突然中断的情况下，UPS可以持续供电，用户有充足的时间应对系统故障[1]。随着数字技术和通信技术的发展，电力设备对供电质量提出了更高的要求，UPS的需求量逐渐增大，现阶段的UPS主要应用工业、金融、国防和政府机关等方面。UPS在应用的过程中，往往会受到突加冲击负载、有功功率环流、虚拟阻抗和直流环流的影响，这些问题一定程度上制约了UPS的推广和应用，为了提高UPS的应用效益，需要重点结合实际问题提出针对性策略。

1 UPS主要结构和工作模式

按照工作原理的不同，可以将静止变换式UPS分为后备式、在线式和在线互动式三种：

图1 UPS的分类

后备式UPS有两种工作模式，即正常工作模式和电池供电模式。在正常工作模式下，市电对电池充电，市电突然中断时电池可以经过逆变器为负载供电。对不会对电网的畸变和干扰形成阻碍作用，同时结构简单成本低廉。

在线式UPS有三种工作模式，即正常工作模式、旁路工作模式和电池供电模式。正常工作模式下，市电经过整流变换成直流，通过逆变器为负载供电，逆变器出现故障时，可以转变为旁路工作模式，市电不正常时电池借助逆变器为负载供电。

在线互动式UPS有两种工作模式，即正常模式和电池模式。电网向负载供电，同时UPS逆变器会对电网进行补偿，提高供电质量。

2 突加冲击负载控制方法

正常工作状态下，UPS工作在逆变模式，此时UPS系统在输出过程中会受到突加整流和系统中电动机负载的影响，刚投入时冲击电流较大，逆变器硬件限流，在多个工频周期内UPS系统的输出电压较低，负载供电不足，此时较大的冲击电流也会对功率器件造成影响。

突加电动机负载的同时，冲击电流增大，硬件限流保护发挥作用，输出电压波形发生变化[2]。

为了减小突加负载对输出电压造成的跌落影响，保证负载的供电可靠性，需要及时检测输出电流，如果输出电流的峰值比设定值大并且持续一定时间时，UPS系统会从逆变工作状态转换为旁路工作状态，旁路晶闸管的耐冲击力和电网的容量较大，如果冲击电流消失，旁路不过载，UPS系统会从旁路工作转变为逆变工作状态。UPS在旁路工作状态时，如果检测到旁路不过载，此时系统会从旁路供电状态转变会逆变供电状态，提高对负载供电的可靠性。

3 有功功率环流影响及控制

3.1 有功功率环流对UPS系统的影响

图2是在UPS系统基础上构建的PFC电路。

图2 PFC控制电路

图2 中的Lp和Ln为滤波电感，C1和C2为输出滤波电容。在该系统中电能的能量单相流动，只能从电网流向直流输出，系统轻载或空载状态下无法对有功环流进行控制，如果一台UPS吸收的有功功率比输出的有功功率大，直流母线电压升高，出现过电压保护的问题。在空载或轻载状态下，如果UPS并联系统中存在有功环流，将导致直流母线电压升高，造成严重的后果。

3.2 有功环流影响的控制

空载或轻载状态下系统中共存在一定的输出滤波电容，输出功率较大，无功功率的计算精度较高，与有功功率计算相同，选取正确的采样时间可以提高无功功率的计算精度，为了提高系统的均流特性和稳定性，重要的方法就是选取准确的采样时间。UPS并联工作状态下，如果功率计算不准确，将出现有功环流，多台UPS也会出现过电压的故障，此时正确计算有功功率十分重要[3]。

4 虚拟阻抗影响和控制

虚拟阻抗对UPS并联系统的影响主要体现在三个方面，即对并联系统环流的影响、对系统负载调整率的影响、对逆变器电源调整率的影响。

为了进一步抑制UPS并联系统环流，提高系统均流控制的稳定性和精度，需要将逆变输出电感电流反馈加入到电压电流双环控制中，构成虚拟阻抗环路。忽略系统参数影响和连接线阻抗分三星影响的同时，加入虚拟阻抗后，逆变器输出基准电压差导致基波环流减小，正负直流母线差和系统中IGBT导通压降引起的直流环流将大大降低，系统中逆变器输出的直流等效电阻较小，尽管直流电压差较小也能引起较大的直流环流。加入虚拟阻抗后，等效内阻抗中差异引起的有功环流减小，在虚拟阻抗增加的同时，有功环流逐渐减小，虚拟阻抗对等效内阻抗引起的有功环流形成了抑制。

虚拟阻抗增大的同时，系统闭环谐振频率增益减小，相角的变化率减小，系统内部的震荡减弱，稳定性提高，闭环系统在50Hz状态下稳态响应不会产生变化。突加负载状态下，加入虚拟阻抗之前和加入虚拟阻抗之后输出电压的跌落值基本一致，动态变化过程也基本相同。在稳态情况下，虚拟阻抗输出电压的幅值小于没有虚拟阻抗时的输出电压幅值，虚拟阻抗的大小直接关系着输出电压的幅值，此时系统的负载调整率也会有所下降。虚拟阻抗增加的同时，如果负载相同，输出电压的稳态误差也会逐渐增大，负载的调整率变差，在输出功率增加的同时，系统的负载调整率也会受到影响。随着虚拟阻抗的增加，UPS负载的调整率变差，在实际电路中还存在一些滤波电感的等效电路和非理想因素，实际负载的调整率会大于理论分析值，最终UPS输出电压可以没有静差和基准给定电压。

不同虚拟阻抗状态下的输出电压幅值和母线电压有着直接的关系，在虚拟阻抗增加的同时，直流母线电压出现变化到时电压幅值变化。在虚拟阻抗增大的过程中，输出电压的相角不会变化。在小功率负载情况下，输出电压的幅值不会随着虚拟阻抗的变化而变化，虚拟阻抗增加会对输出电压变化有一定的抑制作用，但是作用效果不大。负载功率增大的同时，虚拟阻抗的增加导致对输出电压幅值的一致作用也会变大。

5 直流环流的影响和控制

在UPS系统中，正负直流母线电压不对称，逆变电路中功率管的开关速度和存储时间都会存在一定的离散性，加上电路的非理想因素，例如驱动信号传输变化等都会导致工频周期中你便桥臂中正负电压的伏秒乘积不为零，同时逆变器输出的电压含有一部分直流分量[4]。

UPS输出电压的直流分量会对负载造成较大的影响，必须应用有效的方法进行控制。在UPS并联系统中，输出直流的等效电阻较小，多台UPS逆变器输出电压的直流分量也会存在差异，较小的直流电压偏差和将会导致系统中出现较大直流环流，需要对直流环流进行抑制。实际应用过程中，受到非理想因素的影响，借助了科学的有功功率和无功功率计算方法，可以提高系统的检测精度，但是其中仍然存在较大的误差，系统中同时存在有功环流、无功环流和直流环流的问题。为了提高UPS并联系统的稳定性，控制有功环流、无功环流和直流环流，需要对传统的均流控制方法进行改进。多条逆变器中的输出电压存在直流电压差时，直流母线电容内部的电压将会增大，如果接线阻抗较小，直流母线上的电压增加十分显著，此时必须要对其进行控制，避免导致过压损坏器件。实际应用中可以计算出电感电流的直流分量，调节逆变输出的基准电压，对直流环流进行抑制。

6 结束语

UPS单机和并联控制是电力应用领域的研究热点，本文结合UPS的结构和应用魔兽，提出了并联系统运行过程中的主要问题。针对有功功率环流的影响，需要正确计算出有功功率；针对突加冲击负载，需要应用合理UPS形式；针对直流环流影响需要重点调节逆变输出的基准电压，对直流环流进行有效抑制。只有解决UPS并联系统中出现的关键问题，才能提高系统的应用效益，提高供电质量。

[1]王璐，周海潇，罗建，等.感应电动机电源切换的UPS逆变器控制策略[J].电力系统保护与控制，2014，36（24）：491.

[2]侯世英，陈剑飞，孙韬，等.新型在线式UPS拓扑[J].湖南大学学报（自然科学版），2012，39（11）：65.

[3]于玮，徐德鸿，周朝阳，等.并联UPS系统均流控制[J].中国电机工程学报，2015，28（21）：63.

[4]廖慧，张波，陈艳峰，等.三相UPS输出电压不平衡控制的研究与实现[D].华北电力大学（自然科学版），2012，39（9）：51.

TN86

A

1004-7344（2016）08-0281-02

2016-3-6

王 军（1973-），男，助理工程师，大专，主要从事高低压供配电及UPS工作。