梅兰日兰60KVA不间断电源(UPS)并机的应用

UPS的冗余并机可提高UPS供电的可靠性，提高UPS系统的工作性能。本文从UPS的整流输入、逆变输出、电池特性和维护等几个方面，着重讨论梅兰日兰大功率在线式UPS单机冗余并机的基本要求和并机过程中的问题和处理方法，结合实际中的应用探讨了并机过程中应了解的注意事项。

大功率在线式UPS的基本原理是把交流电整流成直流电，让直流电对电池组充电，同时，再把直流电逆变成交流电对负载供电，配合不间断的静态旁路开关，实现负载不间断的供电。通过UPS的保护，还可以净化电源，消除市电的浪涌干扰和波动干扰，提高负载设备的供电质量。UPS采用的大功率器件的稳定性以及控制电路的可靠性，直接关系到UPS的性能。梅兰日兰GALAXY PW系列UPS采用的是第三代大功率IGBT（绝缘栅双极形三极管），具有高功率、低功耗、高速开关、低驱动功率和高可靠性的优点。输出控制采用负反馈脉宽可调的控制方式，实现较高的频率、相位稳定精度的要求。梅兰日兰UPS的控制系统采用全数字化动态信号处理DSP(Digital Sign Processor)控制技术，达到32位的数字器件和10ns的运算速度，获得快速、精确的跟踪能力，使得控制更准确、更可靠。整流器、逆变器、静态旁路和通信接口均使用独立的CPU控制，采用多重总线进行数据交换，降低了各控制电路板之间的兼容性要求，减少了用户的维护成本。整机的平均无故障时间MTBF（Mean Time Between Failures）可达到20～30万小时。

广播电视安全播出的需要，要求不见断、高可靠、高质量的供电保障，UPS在整个供电环节就显得尤为重要。我们在原有一台梅兰日兰GALAXY PW 60KVAUPS前提下，增加一台同型号的UPS，采用单机冗余并联连接，连接方式如图1。

两台UPS并机运行，共同对负载供电，静态开关具有冗余备份，令UPS具有两倍的过载能力。冗余并联可消除瓶颈故障点，进一步提高UPS的可靠性，把UPS的平均无故障时间（MTBF)提高了一个数量级；提高负载的过载和耐冲击的能力，从空载到100％负载阶跃变化时对输出电压的影响更小；提高了三相不平衡的承载能力；在并联系统中的一台UPS发生故障或者维修时，负载仍能保证由UPS供电，可做到脱机维修，这是提高并机系统可靠性的

关键所在。梅兰日兰UPS要求并机的UPS必须型号相同、功率相同，并且必须处理和控制好并机过程中相关的问题

和注意事项。下面我们从几个部分来探讨UPS并机过程中的一些问题和处理。

1、输入整流部分

（1）UPS的输入电流控制保护和输入相序要求

我们执行的是三相五线制的TN-S标准，A、B、C三相为正相序输入，N线和PE地线分开，并把PE线可靠连接到等电位接地体，防止高能雷电的浪涌干扰。梅兰日兰UPS的输入整流部分，采用的是六脉冲桥式硅堆整理电路，可设置延时启动，避免多台UPS同时启动冲击配电系统，尤其是冲击是发电机组。整流器/充电器的延时启动和电流的斜坡启动，时序波形如图2，通过可控硅导通角的控制，逐步增加输入电流，可实现整流器/充电器的输入限流，避免对发电机组造成冲击，有利于发电机组的平稳运行，在发电机组的功率不够时，可减少充电电流，或者自动让电池放电，补充不足的能量，使发电机组平稳运行，并延长整个系统的供电时间。

输入时序控制和斜波启动的设计，必须确保三相输入为正相序。反相序会造成整流器启动时，瞬间相电流过大，为了保护整流电路，会烧毁输入端的精密电流保险器，同时，也要求UPS在开机的时候必须延时10秒钟，等整流电流平稳之后，再启动逆变器。输入端的另一个问题是输入电路振荡而产生的谐波问题。梅兰日兰UPS采用的大功率的整流硅堆和直流滤波电容，会造成输入波形振荡，表现出来的就是输入端的高次谐波。

（2）抑制谐波失真，减少对前端供电设备及电网的影响

因为整流和振荡的原因，UPS系统会在电源输入端产生多次谐波，输入电流波形图如图3，标准的50Hz的正弦基波，因为多次谐波的叠加，造成输入电流波形歧变。从谐波分量图可以看出，其中影响较大的是五次谐波和七次谐波分量，五次谐波的幅度达到基波的55％左右，七次谐波的幅度达到基波的30%左右。谐波电流的危害会造成电网电压的失真度升高；中线电流有效值升高；补偿电容中电流增大；控制电路出现干扰等问题，谐波的影响还会增加无功功率，造成输入功率因素下降。两台UPS并联后，谐波分量也会叠加，将对供电电网造成影响，特别是当发电机供电的时候。因为交流发电机的阻抗大于变压器阻抗，交流发电机的输出瞬态阻抗表示为 X″d，对于第n谐波，交流发电机表现出的阻抗将变为n倍的X″d，所以过大的高次谐波会致使发电机发热过载。如果UPS负载较大，从投资和应用角度来看，有效的抑制高次谐波显得尤为必要。

梅兰日兰公司相应的谐波抑制选件，一般的方法有无源谐波滤波器和有源谐波滤波器，无源的谐波滤波器采用的是LC电路，只能消除某次谐波电流，成本低，但滤波效果较有限。一般选用的是有源谐波滤波器，基本原理是把有源谐波调节器与电源和非线性负载并联连接在一起，通过快速傅立叶变换（Fast Fourier Transform）方法进行谐波的采样，然后提供一个谐波电流，此电流与被负载消耗的谐波电流总量相当，可以用来补偿所有的谐波（包含各次谐波），也可以针对几个特定的谐波进行补偿；这种调节器甚至可以自动地去消除几个不稳定的谐波或产生系统谐振的谐波次数。通过无功功率补偿与谐波电流补偿的结合，通过有效的调节配置，可以使负载的总功率因数提高到接近1，提高自备发电机的可靠性。在负载功率较大的情况下，可选用梅兰日兰SineWaveTM 和 SineWave PCSTM 系列有源谐波调节器，作为谐波抑制和功率补偿。

2、逆变输出部分

减少并机UPS的环流，均分负载，提高并机效率和可靠性。并联的UPS必须在同一电网供电，在这种情况下，UPS的逆变器永远在跟踪旁路的市电，由于这些UPS都在跟踪同一路市电，也就相当于在相位上跟踪。这些UPS在频率和相位上都是一致的，虽然可以并联，但这种并联并不保险，主要原因如下。虽然它们都在频率相位上跟踪旁路，但在相位上有超前和落后之分，一般大容量UPS的相位跟踪误差为±3度，如果这两台并联的UPS一个为＋3度，另一个为－3度，那么它们两个并联后都有可能在相位上差6度，这就可能使输出电压相差二十几伏，将会在UPS输出端造成很大的环流，使逆变器因过载而烧毁。另外，虽然是同型号、同规格的UPS逆变器，但逆变参数和变压器参数的微小差异会导致输出电压不一样，比如一个218V，另一个221V，也将在UPS输出端造成很大的环流。以上两方面的差异都会导致输出电压的不一样，一方面形成环流，另一方面两台UPS向负载输送的电流也不一样，很可能造成一台过载的，以上两项指标虽然可以通过调整而达到基本一致，但随着UPS的时间和工作参数的变化，这种平衡很快就会失去，所以说，不加任何措施的UPS并联系统，其可靠性不一定比单台UPS高，甚至还要低。并联连接要解决的关键问题是处于并机状态的两台UPS逆变器，应在同时同步跟踪交流旁路电源的条件下，满足同幅度、同频率和同相位的要求，以达到均分负载和环流为零的目的。

UPS并联连接方式还有一个重要的指标就是电流均分，也就是说必须保证并联的每台UPS的输出电流是总输出电流的1/N，两台UPS并机连接，就要求两台UPS的输出电流相等，至少其相互之间的最大不平衡度要求要在要求的范围之内（一般小于2％）。

梅兰日兰PW 系列UPS对减少环流和负载均分的处理，采用负载同步跟踪方式来实现，设置一台作为导航机，让导航机的逆变输出控制跟踪静态旁路的市电的相位和频率，其他并机的UPS通过通讯板和高速通讯线路跟踪导航机的逆变输出，从而确保两台UPS输出相位、频率和幅度控制在标准范围之内。为了消除跟踪的瓶颈故障点，并机的UPS系统还具有互为跟踪的同步功能，即谁优先跟踪市电，谁就作为导航机，其逆变器输出为另一台UPS跟踪。同时采用电压负反馈、电流前馈、电流局部循环等技术，提高并机UPS的承载能力，实现精确的电流与负载均分。

3、 电池维护部分

在正常工作时，电池一直处于浮充状态。如果长时间不让电池放一部分电能，对电池正常化学反应不利。建议每月人为地放电一次，让电池放掉的电能最好占电池组总容量的20～30％。这样做是为了激活电池的惰性，恢复电池的储能容量。任何一节电池故障都可能造成UPS后备显示时间的失真，定期了解电池组的工作状态，通过放电测试，可以了解电池组的放电特性，如图4，从图中我们可以看出并机的两台UPS二十分钟的放电特性，两台UPS的电池的型号不同，使用寿命不同，表现出来的放电特性也不一样。在测试负载一样的情况下，可以比较出电池放电时的恒压能力，从而也反应出电池组的性能，恒压能力越好，电池组的性能也就越好。如果放电时间越长，表现出来的放电特性差异将会越明显。

4、其他注意事项

根据UPS对大多数用户负载需求的设计， 适当的负载才能提高UPS的工作效率，效率和功率关系图如图5，负载在达到满载的25％左右，效率可达到91％。在改造前后，负载不变的情况下，并机的两台UPS均分负载，相当于单台UPS的负载减少了一半，应该确保负载达到25％以上，有助于提高UPS的工作效率，高效率可减少因自身损耗而产生热量，提高转换效率，有利于冗余并联和长期运行。

确保并机UPS正常的运行并达到最佳的工作状态，定期的维护保养是必须的。UPS是精密的电源设备，发热量大，通过大量的散热风扇冷却，灰尘颗粒随气流流动，会造成精密电路板上大量的灰尘颗粒附着，时间久了或者室内湿度变化都可能引起UPS的不稳定。定期的维护可以清理附着的灰尘，定期了解两台UPS的工作状态和老化程度，定期观察每台UPS的参数，适当的调整UPS的输出参数和分担的功率，减少两台UPS因为器件差异而产生的环流，提高并机UPS的可靠性。

做好UPS的维护，提高并机UPS的可用度，除了要求可靠的运行和较长的平均无故障时间外，还需要快速的维修恢复，确保出现故障的UPS能快速修复并投入正常运行。提高UPS的可用度，一方面要提高操作人员的操作能力和熟练程度，杜绝操作失误；另一方面要有足够的配备件，并和维保部门签订快速维修的维保协议，从而从各个方面提高并机UPS的效能。