应用在变电站UPS电源的热插拔式高频逆变并联技术

纪哲夫，周永光，彭岳云

（1.深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000；2.深圳市锦祥自动化设备有限公司，广东 深圳 518000）

逆变电源的模块化及其优化的并联控制技术，是从传统的集中式向模块式发展过程的关键技术，该技术的应用将提高逆变电源系统的灵活性，打破UPS电源在功率等级上的局限，可以按需进行配置、扩充，既能克服集中式UPS电源的缺限，又能实现UPS电源冗余设计，可以显著提高UPS电源的负载供电质量。

本文从并联原理、电流控制、均流控制、过载控制及其旁路等关键角度讨论了UPS电源的热插拔式高频逆变并联技术。

1 热插拔式高频逆变并联UPS拓朴结构

本文提出的热插拔式高频逆变并联UPS电源在变电站的应用，采用共用交流和共用直流电源供电的拓扑结构组成热插拔式高频逆变并联独立UPS电源体系，以提高供电系统的可靠性。拓扑结构如图1所示。

图1 拓扑结构

热插拔式高频逆变并联独立UPS电源是电压控制型逆变器和电流控制型逆变器的混合并联系统，其中电压控制逆变单元提供输出需要的电压，电流控制型逆变单元跟追电压控制型逆变器的输出电压波形，且输出负载需要的交流电流，所有的逆变器之间自动实现均流，在这种并联控制下的逆变器并联在一起并不会改变整个并联系统的谐振频率，从而也不会影响输出电压的波形质量，谐波环流较小。

图1中，处于并联状态逆变器的直流电压始终保持一致，为避免由于各台逆变器开关管的开关模式不一致而导致的直流电源短路，将滤波电抗器一分为二，即将各逆变模块单元的滤波电抗器分解为两个，且采取对称接法，如图2所示，这样能够避免由于各台逆变器开关管的开关模式不一致而导致的直流电源短路。

图2 对称接法

2 热插拔式高频逆变并联UPS电流控制策略

热插拔式高频逆变并联UPS电源的并联电流控制是其关键技术之一，将多模块并联在一起，要求在任意时刻处于并联运行UPS电源的输出电压的幅值、相位和频率严格一致，否则会在并联模块之间形成不经负载的环流，最终导致并联系统崩溃，瞬间均流。

目前热插拔式高频逆变并联UPS电源的电流控制策略有集中控制、主从控制、分散控制和无互连线分散控制等。本文采用集中控制方式，存在一个集中并联控制单元，该并联控制单元将检测到的市电频率和相位作为基准（或者在无市电时自己产生一个频率和相位基准），再综合一个输出电压基准，向每台逆变电源发出同步交流基准指令。各个并联逆变器的控制单元检测负载电流的平均值和自己的实际输出电流，并求出电流偏差。在各并联单元由一个同步信号控制时输出电压频率和相位偏差不大，可以认为各并联逆变器单元的电流偏差是由电压幅值的不一致造成的。所以，将这种电流偏差作为电压指令的补偿量加到各逆变电源单元中，消除电流的不平衡。

在这种方案中，每台并联逆变器都含有电流环，因此可以获得比较好的静态和动态均流效果。

3 热插拔式高频逆变并联UPS电源均流技术

热插拔式高频逆变并联UPS电源系统通过控制各模块的输出功率无差达到输出电压无差，满足逆变器并联条件，各模块间以平均功率作为功率参考值，将误差通过PI控制器调节电压频率和幅值的参考值，即在原有电压瞬时值内环和有效值外环基础上再加两个功率控制环，系统自动检测逆变器工作台数，快速计算平均功率，当系统突加或突减一台时能迅速应对，保证系统继续稳定运行，实现系统热插拔功能。在突卸负载时，由于负载的扰动，逆变器并联系统的环流增大，为了提高逆变电源模块的输出电压波形质量和抗负载电流扰动能力，需采用电压电流双闭环控制原理的瞬时均流控制技术，其控制框架如图3所示。

图3 控制框图

图3中，uref为基准正弦波，uvf为反馈电压，Kvf为电压反馈系数，iL为电感电流，KIF为电流反馈系数，Uo为输出。

先将状态切换到SMC控制，并联系统转到SMC控制后，即将进入稳态时并联系统再转到PID控制。该联合控制使动态响应过程比PID短，稳态时输出电流环流趋于零，这样可以快速获得良好的动态过程，同时也可以获得良好的稳态精度。在逆变器并联之前，环流实际上就是一台逆变器的负载电流，在热并联的第一瞬间，由于存在初始相位差，环流增大，在SMC的控制下，很快实现两台逆变器的负载均分，表现为逆变器之间的环流减小很快。进入稳态之前，并联逆变器切换到PI控制，可以看出在PI控制下，环流几乎为零，负载实现均分。在逆变器的热并入和热退出的动态过程中，输出公共母线上的输出电压基本保持不变。

4 旁路控制策略及并联控制切换逻辑

热插拔式高频逆变并联UPS电源的模块化和在带电状态进行热插拔设计，模块之间无连接螺栓，只有一些插头和插座，投入运行后的所有工作过程和相关的操作，只能由插拔式高频逆变并联UPS电源模块自身去高度地智能控制，要启动、判断已经启动模块的工作状态是在逆变还是旁路、本模块需投入到何种供电方式等等。所以热插拔式高频逆变并联UPS电源模块的切换逻辑与处于并联运行状态的逆变器之间的动态均流一样重要，它们一起有机结合完成模块化并联UPS电源系统的正常工作。本文采用基于分散逻辑实现热插拔式高频逆变并联UPS电源并联控制系统的切换逻辑，其控制逻辑如图4所示。

图4 控制逻辑框图

5 过载保护综合切换逻辑

负载太大会引起并联UPS电源系统过载，对于瞬间的过载，并联UPS电源系统可正常工作，但并联UPS电源系统长期处于过载状态运行时，则会对其寿命和供电质量产生不利影响，对于处于并联运行状态的电源系统，严格均分模块的负载是不可能的，所以，在负载增大时并联UPS电源系统各模块单元并不一定同时出现过载。

为了避免处于并联运行状态的UPS电源与市电电网道接并联运行，本文并联UPS应用方案中采用的分散旁路策略，使处于热插拔式高频逆变并联UPS电源模块在发生过载时不会被损坏，其分散旁路策略的结构特点为：处于并联运行状态的热插拔式高频逆变并联UPS电源模块均有自己的旁路供电支路，旁路开关和相应的旁路控制器集成在模块中，其结构如图5所示。

以上旁路结构结构简单、旁路供电容量随并联模块数量的增加而增大、便于扩容，由于旁路控制器分散设计到热插拔式高频逆变并联UPS电源模块中，单模块的负载状态只影响本模块的状态，可靠性较高。

6 结论

UPS电源的热插拔式高频逆变并联技术，可以提高UPS电源的供电稳定性和扩容的灵活性，并且可以组成并联冗余系统，提高UPS电源的可靠性和可维护性，并联将不断发展，随着并联技术的提高和UPS系统各方面性能的完善，其应用领域会越来越广泛。

图5 结构示意图