UPS逆变模块的N＋m冗余并联结构和均流

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:574

摘要：介绍了ups采用电压源逆变器模块的并联运行，及构成n＋m冗余并联结构进行供电的好处，讲述了一种新的并联均流电路。

关键词：不间断电源；逆变器模块；并联；冗余n＋m

引言

随着国民经济的发展和用电设备的不断增加，对ups容量的要求越来越大。大容量的ups有两种构成方式：一种是采用单台大容量ups；另一种是在ups单机内部采用功率模块n＋m冗余并联结构。前者的缺点是成本高、体积重量大、运输安装困难、可靠性差，一旦出现故障将会引起供电瘫痪。后者的好处是提高了供电的灵活性，可以将小功率模块的开关频率提高到mhz级，从而提高了模块的功率密度，使ups的体积重量减小；并且减小了各模块的功率开关器件的电流应力，提高了ups的可靠性；同时动态响应快，可以实现标准化，便于维修更换等。

n＋m冗余并联技术是专门为了提高ups的可靠性和热维修〔也称作热插拔和热更换（hotplugin）〕而采用的一种新技术。所谓n＋m冗余并联，是指在一个ups单机内部，采用n＋m个相同的电源模块（powersupplyunits，简称psu）并联组成ups整机。其中n代表向负载提供额定电流的模块个数，m代表冗余模块个数。m越大usp的可靠性越高，但ups的成本也越高。在正常运行时ups由n＋m个模块并联向负载供电，每个模块平均负担1/(n＋m)的负载电流，当其中某一个或k个（k≤m）模块故障时，就自行退出供电，而由剩下的n＋（m－k）个模块继续向负载提供100％的电流，从而保证了usp的不间断供电。

1 n＋m冗余并联的可靠性、可用性及条件

1.1 可靠性的提高

由n＋m个小功率模块组成的冗余并联结构形式的ups如图1和图2所示。图1是采用n个整流模块、一组蓄电池和k个逆变模块组成的冗余并联结构形式，n可以等于k，也可以不等于k。图2是采用n个整流模块、n组蓄电池和n个逆变模块组成的ups模块冗余并联结构形式。图3是采用单一大功率整流模块、一组蓄电池和一个大功率逆变模块组成的结构形式，是一般ups常用的结构形式。

下面我们以图2所示的冗余并联结构为例，说明为什么冗余并联结构能够使可靠性得以提高。当n=k=n＋m时，假定由一个整流模块和一组蓄电池及一个逆变模块组成的ups模块（如图2中虚线框内所示）的可靠性为p1，则n＋m个ups模块的可靠性为

例如，当一个ups模块的可靠性p1=0.99时（不可靠性为1％），如果n＋m=3，则

p3=1－(1－0.99)3=0.999999

3个ups模块的并联可以将可靠性提高4个数量级，不可靠性由原来的1％降到了0.000001％。

1.2 可用性的提高

ups的可用性的一般定义为

可用性（availability）=mtbf/(mtbf+mttr）（1）

式中：mtbf为平均无故障时间，反映ups的可靠性及冗余性；

mttr为平均维修时间，即维修所需要的时间。

式（1）说明，ups的可用性不仅仅取决于mtbf，而且还取决于mttr，只有采用热更换（热插拔）方式，才能使ups实现不停机更换模块，即不中断供电维修，这样才能真正减小mttr，提高可用性。要实现ups的热插拔不停机更换模块技术，必须满足3个条件：一是正常工作ups模块自动投入电网；二是并联运行的ups模块之间要实现有功和无功电流的平均分配；三是usp退出并联，特别是在不干扰电网的情况下快速切除故障的usp模块。有了这3个方面的工作，也就解决了usp模块的热插拔（热更换）技术。

通常采用的是n＋1（即m=1）冗余并联方式，这种方式已在通信直流电源中得到了成功应用。直流电源的n＋1冗余并联运行技术比较简单，只需要使电压的大小