两台三相UPS的并联运行研究

林新春  陈息坤  康  勇  陈  坚

（华中科技大学，湖北省 武汉市 430074）

摘  要：本文提出了一种新的两台三相UPS的并联运行方案，采用此方法可以获得良好的静态与动态特性。并且在两台60KVA的三相UPS上进行了实验验证。

关键词：UPS  数字锁相环  并联运行  频率下垂

Abstract: This paper presents a new control technique which allows the parallel operation of two three-phase UPS modules, this scheme can achieves excellent characteristics both in steady states and in transient states. Experiments are presented to verify the theoretical discussion with two three-phase 60KVA UPS modules.

Key words: UPS  DPLL  parallel operation  frequency droop.

1  介  绍

采用多台UPS的并联来扩大UPS的容量相对于单台大功率UPS而言具有很多优点[1-2]，比方说，多台UPS的并联可以很方便地扩大UPS的容量，而且还可以组成并联冗余系统以提高系统的可靠性。然而， UPS的并联存在很多的困难[3]，因为所有并联UPS的频率、相位和幅值都必须保持一致，否则，在两台UPS之间会存在很大的环流，最终使UPS保护停机或烧毁UPS。

在本文所提出的控制策略中，利用均流总线获得最大无功 与最小无功 ，于是可以求出平均无功 ，然后每台UPS都将自己的无功 与 相比较以调节自己的输出电压，实现无功均分；同时采用数字锁相环（DPLL）与频率下垂特性来保证有功均分。实验中采用德州仪器生产的TMS320F240在两台三相60KVA的在线式UPS上进行了实验，实验结果证明，本方案可以获得很好的静态与动态特性。

2  均流方案分析

    为了简化分析，两台三相UPS的并联等效电路（仅画出了一相）如图1所示。

图中， 、 是UPS1与UPS2的输出电压； 、 是UPS1与UPS2的

输出电流； 、 是负载电压与电流。

    对于两台功率相等的UPS而言，有 , ，于是可以计算出两UPS的输出电流：    (1)

2.1   &

如果两台UPS输出电压的相位差 为零，但幅值差 不为零，则UPS的输出电流 与 可表示为：

 (2)

由公式(2)可知，输出电压仅有幅值差异而无相位差异时，环流主要表现为无功环流，因而，如果两台UPS之间存在无功差异时，可以通过调节输出电压的幅值来实现无功均分。

2.2      &

    如果两台UPS输出电压的幅值差异 为零，而相位差 不为零，则UPS的输出电流 与 可表示为：

 (3)

由公式(3)可知，输出电压仅有相位差异而无幅值差异时，环流主要表现为有功环流，因而，如果两台UPS之间存在有功差异时，可以通过调节输出电压的相位来实现有功均分。

3  数字控制方案

3.1  无功与有功检测

由前面的分析可知，要使两台UPS能够实现并联而且要保证环流比较小，三相UPS的输出有功与无功应当作为控制变量来调节相应的输出电压相位与幅值，因而，有必要能够快速准确地检测出UPS的输出有功与无功。设UPS的输出电压与电流分别为： 、 、 和 、 、 ，如果引入三相 变换：

 ,    (4)

其中：

对于三相三线制而言，瞬时有功与无功可以表示为：

有功功率：    (5)

无功功率：    (6)

采用此检测方法，虽然检测的变量偏多，但是可以检测出瞬时有功与无功，能够保证控制的快速性。

3.2  无功调压方案

无功调压的控制框图如图2所示，其中Q为本台UPS的输出无功，Qmed是两台

UPS的输出无功平均值， Q= Qmed-Q， Qcom

为PI调节器的输出且作为输出电压给定Vref 的补偿量，V’ref 为补偿后的输出电压给定，且V’ref= Vref+Qcom 。

    如果两台并联UPS的输出无功存在差异，比方说UPS1的输出无功Q1大于UPS2的输出无功Q2，则Q2<Qmed=(Q1+Q2)/2<Q1。由图2可知，UPS1补偿后的输出电压给定V’ref1将减小，而V’ref1的减小将使Q1减小；对UPS2而言，补偿后的输出电压给定V’ref2将增大，V’ref2的增大将使Q2增大。最终有：Q1= Q2，达到了无功均分。

3.3  有功调相方案

调节UPS输出电压相位与频率的方案主要由两部分组成：首先，采用数字锁相环（DPLL）来保证两台UPS之间的相位差异比较小，使两台UPS能够并联；其次，为了能够实现有功均分，利用频率下垂特性[4]来微调相位，其算法为：

fn=fn-1-K1P-K2 P  (7)

其中，fn是当前拍的给定频率，fn-1是上一拍的给定频率，P是有功功率， P= Pn-Pn-1，K1与 K2是比例系数。

前面已经分析过，两台UPS之间的相位差异将导致有功不均衡，因而有功均分可以通过控制输出电压的相位来实现。采用频率下垂特性来调节有功时，稳态时两台UPS的输出频率将会下降到低于50Hz的某一频率点上，在此频率处，两台UPS能够实现有功均分。当然，稳态时UPS输出电压的频率会稍微偏离50Hz，但是只要将下垂特性的输出频率限幅在一个很小的范围内，输出频率的偏差还是比较小的，是能够满足用户要求的。

4  实验结果

基于以上分析，利用两台三相UPS进行了实验验证，单台UPS的主要参数如下:

容量：60KVA

开关频率：8KHz

输出电压：三相，380V/220V, 50Hz

直流母线电压：430V

实验中采用了德州仪器生产的数字信号处理器TMS320F240作为主控芯片，以保证控制的实时性与可靠性。两台三相UPS的并联控制系统结构框图如图3所示，由图可见，系统中采用了三条数字总线，即频率总线、无功最大总线、无功最小总线，这三条总线为两台UPS所共有。其中频率总线是为了实现两台UPS之间的锁相而设置的；而无功最大总线与无功最小总线是为了获得两UPS的输出平均无功从而调节输出电压的幅值而设置的。而且为了有效地抗干扰和提高信号传输的可靠性，这三条总线采用了数字总线而没有采用模拟总线。

    图4是两台UPS并联瞬间各自输出无功Q1与 Q2的实验波形，由此图可见，动态相应是非常快的，而且进入稳态后Q1与 Q2之间的差异非常小，可以达到很好的无功均分效果。

    图5是在100KW阻性负载下两台三相UPS的A相输出电流iL1 iL2，以及此时的A相电压V0与环流iC的实验波形，从实验波形上看，两台UPS之间的环流非常小。

    图6(a)是两台UPS从空载到100％额定阻性负载时的输出电流iL1与iL2的波形；而图6(b)则是从100％额定阻性负载突卸至空载时的输出电流iL1与iL2的波形。由此图可见，在过渡过程中也可以获得很好的均流特性。

5  结  论

本文提出了一种新的三相UPS并联控制方案，并且在两台三相60KVA的UPS上做了实验验证，结果表明，此方案可获得很好的静态与动态特性。

参考文献:

[1] John Reed, Naresh Sharma. Large Parallel      UPS Systems Utilizing PWM Technology[C].   INTELEC-84, 1984: 282-289.

[2] Mukul C.chandorkar, Deepakraj M.Divan,   Rambabu Adapa. Control of Parallel Connected Inverters in Standalone ac Supply Systems[J]. IEEE Transaction on Industry   Application, 1993, vol.29(1): 136-143.

[3] Takao Kawabata, Shigenori Higashino. Parallel Operation of Voltage Source Inverters[J]. IEEE Transaction on Industry Application, 1988, vol 24(2): 281-287.

[4] A. Tuladhar, H. Jin, T. Unger, K. Mauch. Parallel Operation of Single Phase Inverter Modules With No Control Interconnections[C]. APEC’97, 1997: 94-100.