UPS并聯(lián)系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題及其解決處理

王軍

（中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局 陜西西安 710082）

UPS并聯(lián)系統(tǒng)若干關(guān)鍵問題及其解決處理

王軍

（中國民用航空西北地區(qū)空中交通管理局 陜西西安 710082）

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

UPS；并聯(lián)系統(tǒng)；問題處理

UPS可以為重要的外部設(shè)備提供持續(xù)穩(wěn)定的電能，在市電突然中斷的情況下，UPS可以持續(xù)供電，用戶有充足的時(shí)間應(yīng)對系統(tǒng)故障[1]。隨著數(shù)字技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，電力設(shè)備對供電質(zhì)量提出了更高的要求，UPS的需求量逐漸增大，現(xiàn)階段的UPS主要應(yīng)用工業(yè)、金融、國防和政府機(jī)關(guān)等方面。UPS在應(yīng)用的過程中，往往會(huì)受到突加沖擊負(fù)載、有功功率環(huán)流、虛擬阻抗和直流環(huán)流的影響，這些問題一定程度上制約了UPS的推廣和應(yīng)用，為了提高UPS的應(yīng)用效益，需要重點(diǎn)結(jié)合實(shí)際問題提出針對性策略。

1 UPS主要結(jié)構(gòu)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(dòng)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(shí)電池可以經(jīng)過逆變器為負(fù)載供電。對不會(huì)對電網(wǎng)的畸變和干擾形成阻礙作用，同時(shí)結(jié)構(gòu)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(jīng)過整流變換成直流，通過逆變器為負(fù)載供電，逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，可以轉(zhuǎn)變?yōu)榕月饭ぷ髂Ｊ?，市電不正常時(shí)電池借助逆變器為負(fù)載供電。

在線互動(dòng)式UPS有兩種工作模式，即正常模式和電池模式。電網(wǎng)向負(fù)載供電，同時(shí)UPS逆變器會(huì)對電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，提高供電質(zhì)量。

2 突加沖擊負(fù)載控制方法

正常工作狀態(tài)下，UPS工作在逆變模式，此時(shí)UPS系統(tǒng)在輸出過程中會(huì)受到突加整流和系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)負(fù)載的影響，剛投入時(shí)沖擊電流較大，逆變器硬件限流，在多個(gè)工頻周期內(nèi)UPS系統(tǒng)的輸出電壓較低，負(fù)載供電不足，此時(shí)較大的沖擊電流也會(huì)對功率器件造成影響。

突加電動(dòng)機(jī)負(fù)載的同時(shí)，沖擊電流增大，硬件限流保護(hù)發(fā)揮作用，輸出電壓波形發(fā)生變化[2]。

為了減小突加負(fù)載對輸出電壓造成的跌落影響，保證負(fù)載的供電可靠性，需要及時(shí)檢測輸出電流，如果輸出電流的峰值比設(shè)定值大并且持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，UPS系統(tǒng)會(huì)從逆變工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為旁路工作狀態(tài)，旁路晶閘管的耐沖擊力和電網(wǎng)的容量較大，如果沖擊電流消失，旁路不過載，UPS系統(tǒng)會(huì)從旁路工作轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀児ぷ鳡顟B(tài)。UPS在旁路工作狀態(tài)時(shí)，如果檢測到旁路不過載，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)從旁路供電狀態(tài)轉(zhuǎn)變會(huì)逆變供電狀態(tài)，提高對負(fù)載供電的可靠性。

3 有功功率環(huán)流影響及控制

3.1 有功功率環(huán)流對UPS系統(tǒng)的影響

圖2是在UPS系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)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(tǒng)中電能的能量單相流動(dòng)，只能從電網(wǎng)流向直流輸出，系統(tǒng)輕載或空載狀態(tài)下無法對有功環(huán)流進(jìn)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(xiàn)過電壓保護(hù)的問題。在空載或輕載狀態(tài)下，如果UPS并聯(lián)系統(tǒng)中存在有功環(huán)流，將導(dǎo)致直流母線電壓升高，造成嚴(yán)重的后果。

3.2 有功環(huán)流影響的控制

空載或輕載狀態(tài)下系統(tǒng)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(jì)算精度較高，與有功功率計(jì)算相同，選取正確的采樣時(shí)間可以提高無功功率的計(jì)算精度，為了提高系統(tǒng)的均流特性和穩(wěn)定性，重要的方法就是選取準(zhǔn)確的采樣時(shí)間。UPS并聯(lián)工作狀態(tài)下，如果功率計(jì)算不準(zhǔn)確，將出現(xiàn)有功環(huán)流，多臺UPS也會(huì)出現(xiàn)過電壓的故障，此時(shí)正確計(jì)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(lián)系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，即對并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流的影響、對系統(tǒng)負(fù)載調(diào)整率的影響、對逆變器電源調(diào)整率的影響。

為了進(jìn)一步抑制UPS并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流，提高系統(tǒng)均流控制的穩(wěn)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(huán)控制中，構(gòu)成虛擬阻抗環(huán)路。忽略系統(tǒng)參數(shù)影響和連接線阻抗分三星影響的同時(shí)，加入虛擬阻抗后，逆變器輸出基準(zhǔn)電壓差導(dǎo)致基波環(huán)流減小，正負(fù)直流母線差和系統(tǒng)中IGBT導(dǎo)通壓降引起的直流環(huán)流將大大降低，系統(tǒng)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(huán)流。加入虛擬阻抗后，等效內(nèi)阻抗中差異引起的有功環(huán)流減小，在虛擬阻抗增加的同時(shí)，有功環(huán)流逐漸減小，虛擬阻抗對等效內(nèi)阻抗引起的有功環(huán)流形成了抑制。

虛擬阻抗增大的同時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)諧振頻率增益減小，相角的變化率減小，系統(tǒng)內(nèi)部的震蕩減弱，穩(wěn)定性提高，閉環(huán)系統(tǒng)在50Hz狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)響應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生變化。突加負(fù)載狀態(tài)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(dòng)態(tài)變化過程也基本相同。在穩(wěn)態(tài)情況下，虛擬阻抗輸出電壓的幅值小于沒有虛擬阻抗時(shí)的輸出電壓幅值，虛擬阻抗的大小直接關(guān)系著輸出電壓的幅值，此時(shí)系統(tǒng)的負(fù)載調(diào)整率也會(huì)有所下降。虛擬阻抗增加的同時(shí)，如果負(fù)載相同，輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差也會(huì)逐漸增大，負(fù)載的調(diào)整率變差，在輸出功率增加的同時(shí)，系統(tǒng)的負(fù)載調(diào)整率也會(huì)受到影響。隨著虛擬阻抗的增加，UPS負(fù)載的調(diào)整率變差，在實(shí)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(shí)際負(fù)載的調(diào)整率會(huì)大于理論分析值，最終UPS輸出電壓可以沒有靜差和基準(zhǔn)給定電壓。

不同虛擬阻抗?fàn)顟B(tài)下的輸出電壓幅值和母線電壓有著直接的關(guān)系，在虛擬阻抗增加的同時(shí)，直流母線電壓出現(xiàn)變化到時(shí)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(huì)變化。在小功率負(fù)載情況下，輸出電壓的幅值不會(huì)隨著虛擬阻抗的變化而變化，虛擬阻抗增加會(huì)對輸出電壓變化有一定的抑制作用，但是作用效果不大。負(fù)載功率增大的同時(shí)，虛擬阻抗的增加導(dǎo)致對輸出電壓幅值的一致作用也會(huì)變大。

5 直流環(huán)流的影響和控制

在UPS系統(tǒng)中，正負(fù)直流母線電壓不對稱，逆變電路中功率管的開關(guān)速度和存儲時(shí)間都會(huì)存在一定的離散性，加上電路的非理想因素，例如驅(qū)動(dòng)信號傳輸變化等都會(huì)導(dǎo)致工頻周期中你便橋臂中正負(fù)電壓的伏秒乘積不為零，同時(shí)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(huì)對負(fù)載造成較大的影響，必須應(yīng)用有效的方法進(jìn)行控制。在UPS并聯(lián)系統(tǒng)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(huì)存在差異，較小的直流電壓偏差和將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)較大直流環(huán)流，需要對直流環(huán)流進(jìn)行抑制。實(shí)際應(yīng)用過程中，受到非理想因素的影響，借助了科學(xué)的有功功率和無功功率計(jì)算方法，可以提高系統(tǒng)的檢測精度，但是其中仍然存在較大的誤差，系統(tǒng)中同時(shí)存在有功環(huán)流、無功環(huán)流和直流環(huán)流的問題。為了提高UPS并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制有功環(huán)流、無功環(huán)流和直流環(huán)流，需要對傳統(tǒng)的均流控制方法進(jìn)行改進(jìn)。多條逆變器中的輸出電壓存在直流電壓差時(shí)，直流母線電容內(nèi)部的電壓將會(huì)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(shí)必須要對其進(jìn)行控制，避免導(dǎo)致過壓損壞器件。實(shí)際應(yīng)用中可以計(jì)算出電感電流的直流分量，調(diào)節(jié)逆變輸出的基準(zhǔn)電壓，對直流環(huán)流進(jìn)行抑制。

6 結(jié)束語

UPS單機(jī)和并聯(lián)控制是電力應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，本文結(jié)合UPS的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用魔獸，提出了并聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的主要問題。針對有功功率環(huán)流的影響，需要正確計(jì)算出有功功率；針對突加沖擊負(fù)載，需要應(yīng)用合理UPS形式；針對直流環(huán)流影響需要重點(diǎn)調(diào)節(jié)逆變輸出的基準(zhǔn)電壓，對直流環(huán)流進(jìn)行有效抑制。只有解決UPS并聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題，才能提高系統(tǒng)的應(yīng)用效益，提高供電質(zhì)量。

[1]王璐，周海瀟，羅建，等.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電源切換的UPS逆變器控制策略[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，36（24）：491.

[2]侯世英，陳劍飛，孫韜，等.新型在線式UPS拓?fù)鋄J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，39（11）：65.

[3]于瑋，徐德鴻，周朝陽，等.并聯(lián)UPS系統(tǒng)均流控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，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(shí)現(xiàn)[D].華北電力大學(xué)（自然科學(xué)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。