为了使单机UPS的逆变器输出电压与同步信号(旁路电源电压)的频率和相位相同(同步运行),需要一种装置用于检测逆变器输出电压和旁路电压电源的相位差,并将它们变为电压信号去控制逆变器的相位和频率,使逆变器与旁路电压同步,这种装置就是锁相环。锁相环是由鉴相器(PD)、低通滤波器(LPF)和压控振荡器(VCO)组成的(见图4)。
鉴相器用于比较输入信号Ui(如旁路电源电压)和从压控振荡器反馈回来的输出信号Uo的相位,鉴相器的输出为正比于两个信号的相位差的误差电压信号Ud。低通滤波器用于衰减Ud中的高频分量和噪声,提高抗*能力,输出控制电压Uc。压控振荡器是输出频率受控制电压Uc控制的振荡器。当控制电压Uc=0时,其输出频率固定不变,控制电压Uc≠0时,振荡器的输出频率随控制电压Uc而变化。
在锁相环中,如果压控振荡器的频率与同步信号的频率差异在规定的范围内,鉴相器输出的误差信号经低通滤波器后,可控制压控振荡器的频率和相位向同步信号靠拢,当压控振荡器的频率与同步信号的频率完全相同,而且相位差达到恒定时,锁相环进入锁定状态。
5 并联冗余UPS系统的负载均分
在单机UPS系统中,只要旁路电源可用,逆变器总是与旁路电源同步,因此当逆变器故障时,可以通过静态开关不间断地将负载转换到旁路电源。
在并联冗余UPS中,每个单机UPS都与其旁路电源同步,由于各单机UPS的旁路电源是同一个市电电源,各单机UPS就会自然同步运行。但各单机UPS相位还会有微小的变化。为了保证各单机UPS之间均分负载,必须保证各单机UPS输出电压的频率和相位上准确的匹配。为此,通常各单机UPS之间需要通信,进行必要相位调节。
***的UPS采用*并联技术,各单机UPS之间不需要通信。每个单机UPS只需要监视自己的输出功率,根据输出功率的变化情况进行调节,保持与其他单机UPS同步运行和负载均分。*并机的原理是利用并联的单机UPS之间的相角差与每个单机UPS所承担负载的关系,进行相位调节的。例如,两个并联的单机UPS的输出波形匹配时,它们将均分负载。如果一个单机UPS波形超前另一个单机UPS,它将承担较多的负载,而另一个单机UPS承担比例较小的负载。两个单机UPS之间的负载分配对两单机UPS的相角差非常灵敏,1度的相角差将会引起50%的负载不平衡。在*并机UPS系统中,每个单机UPS都监视自己的输出功率,并跟踪从一个周波到下一个周波输出功率的变化,两个相邻周波的功率差称为ΔP。如果一个单机UPS的ΔP增加,表明该单机UPS的相角超前于另一个单机UPS,就需要稍微降低其输出频率,进行补偿。这种频率调节一般在几个毫赫兹(milliHertz)的数量级。如果一个单机UPS的ΔP减少,表明该单机UPS的相角滞后于另一个单机UPS,就需要稍微提高其输出频率,进行补偿。在稳态运行中,各单机UPS的ΔP为零,均不调节它们的输出频率。在突加和突减负载时,两个单机UPS的输出功率具有同样的瞬变并进行一次频率调节（反向或正向调节）。频率调节量也是在几个毫赫兹的数量级。
6 并联冗余UPS系统的故障单机UPS的自动跳机
下面介绍*并机UPS的选择性单机UPS跳机。当单机UPS故障,不能为负载供电时,它必须脱离负载母线。*并机UPS的选择性跳机性能包括如下两个过程:检测单机UPS故障和使该单机UPS从负载母线上断开。
(1)不影响关键负载母线电源质量的故障
有些故障不会影响关键负载母线的电源质量,例如某单机UPS因其空气滤清器堵塞引起过温,因此不能继续工作,必须从负载母线上断开,原来由此故障UPS承担的负载可以由其他UPS承担。这类故障不会影响关键母线的电源质量,故障UPS从关键负载母线上断开的时间也不是非常紧急。
(2)影响关键负载母线电源质量的故障有些单机UPS的故障会影响负载母线,例如逆变器的元件IGBT短路,将会影响其输出电压,对负载母线电压造成严重影响。对于这种故障应迅速识别并尽快从关键负载母线上断开。
(3)选择性跳机的方法
如负载均分的控制方法一样,每个单机UPS只需要监视自己是否有故障,发现故障后立即从关键负载母线上断开。为了识别单机UPS故障,控制电路检测UPS输出电压和输出电流相对于当前的输出电压和输出电流数据的变化。每个单机UPS的控制器都存储***后5个周波的每相输出电压和输出电流波形。将***后5个周波的输出电压和输出电流的平均值()与当前的电压和电流波形(UN和IN)进行比较,计算电压和电流的增量ΔU和ΔI(ΔI=IN-,ΔU=UN-),然后根据ΔU与ΔI乘积的符号确定是否有故障以及是否需要与负载母线脱离。
7 并联冗余UPS系统的并联台数
采用并联冗余UPS可以得到较高的可用性。一般可采用1+1或N+1并联冗余UPS系统。1+1并联冗余UPS系统可提供比N+1并联冗余UPS更高的可用性,一般用于要求很高的应用中。在需要综合考虑成本、可靠性和扩容性的场合,可选择N+1并联冗余UPS系统。
N+1并联冗余UPS系统的可用性比单机UPS的可用性高。但是,N+1并联冗余UPS系统的并联台数不是越多越好。1+1并联冗余UPS系统的可用性***高,随着并联台数的增加,N+1并联冗余UPS系统的可用性会下降。当并联台数为大于4(3+1)台时,系统可用性将会急剧下降。在实际应用中,随着并联台数(包括蓄电池组)的增加,UPS系统故障率显著增加;系统的成本和维护量也会增加,维护量的增加意味着人为干预增多,因而增加了系统故障的***。
8 并联冗余UPS的局限性