UPS电源系统的并联技术与电池管理

李署明

广东志成冠军集团有限公司523718

摘要：本文分析介绍了UPS并联的基本原理与电池失效的机理，与电池管理技术发展过程中出现的几种检测与控制方案，并针对各种方案的优缺点讨论了今后UPS电源的发展趋势。

关键词：UPS电源；并联技术；电池管理技术

一．随着现代高科技的发展，计算机与高精度仪器设备的广泛使用，用电设备对电网的要求也随着提高，高次谐波的干扰、瞬间断电以及高能浪涌都是不能接受的。所以，现代用电设备对供电的可靠性与供电质量提出了更高的要求。同时，非线性负载设备的广泛应用，向电网注入了大量的谐波严重影响电网的质量。所以高性能的UPS（UninterruptiblePowerSupply）越发广泛的使用于银行、军事、证券、邮电通信、航空航天等重要部门。UPS的应用，在改善了电网质量，同时也提高了用电系统的可靠性。

从20世纪70年代至今，我国引入UPS电源设备以来，UPS电源经过了长期的发展。我国的UPS电源技术已达到了一个新的水平。但随着用户对UPS性能和可靠性要求的提高，传统的单台UPS已经满足不了系统的要求。所以下述方案成为新型UPS电源的重要技术，它们是：

（1）先进的电池管理技术。

（2）N+1并联冗余技术。

（3）UPS结构的模块化技术

UPS电源并联技术是提高逆变电源运行的可靠性和扩大供电容量的重要技术手段。目前，大容量的逆变电源的发展趋势是采用全控高频开关器件构成，逆变电源模块单元再经过多个模块并联运行扩容。研究表明：采用N＋1冗余并联是一种很好的解决方案。实现冗余并联的主要优点如下：

（1）以方便地提高系统的容量。

（2）可以提高系统的可维护性。

（3）可以通过并联实现冗余，提高可靠性。

（4）容易实现模块化和标准化。

模块化的结构设计是UPS并联技术发展的必然趋势：并联冗余技术可以让用户分阶段投资，便于实现升级扩容和在线维护。模块化以及标准化设计容易实现热插拔，提高系统的兼容性减少了人为故障的概率。模块化的结构设计同样有利于减少系统的使用空间，提高电源的功率密度。电池的合理使用和维护是影响UPS可靠性的一大重要原因。蓄电池在UPS系统中起到储备电能、应付电网异常与维持系统正常运转的关键作用，是确保高可靠供电的最后防线。因为电池问题造成的事故或者停机的损失比电池本身价值要高昂很多。根据美国空军1996年对于数据中心的数据丢失事故的统计结果显示，27.7％的数据丢失事故是由于UPS故障所导致，其中95％的UPS故障和蓄电池有关。当前，国内外已有众多的研究机构以及公司，开发和应用了新的方法与技术，本文主要是对以上三方面进行介绍与讨论。

二．逆变电源并联技术及其控制策略

（1）集中控制并联方案（ConcentratedControl）集中控制并联方案是一种比较早提出的方案在这个方案中，并联控制模块检测市电频率和相位，同时，向每个逆变器发出同步信号。当市电掉电时，每个逆变器的锁相环电路保证输出电压的频率和相位是一致。并联控制模块同时还检测负载流除以参与并联逆变器的台数，作为每台逆变器的电流参考指令。除此之外，每台逆变器检测自身的输出电流，与平均电流求误差用以补偿参考电压指令，消除环流。

（2）主从控制并联方案（Master-SlaveControl）主从控制并联方案是由集中控制并联方案发展而来，其主要改进的地方在于可以通过模式选择开关、软件设定、硬件指定以及工作状态进行主、从模块间的切换，所以避免了集中控制模式中由于控制器发生故障会导致系统崩溃的可能。

（3）分布式控制并联方案（DistributedControl）分布式控制并联方案也称为分散逻辑控制并联方案（DistributedLogicControl）。分布式并联控制是一种真正的冗余控制方法。其中任何一个模块的加入与退出都不会影响到这个系统的运行。

（4）3C控制并联方案（CircularChainControl）3C控制方法是采用跟踪的思想，把第一台逆变器的输出电流反馈信号加到第二台逆变器的控制回路中，第二台的输出电流反馈信号加到第三台，以此类推，最后一台的输出电流反馈信号返回到第一台逆变器的控制回路，让并联系统在信号上形成一个环形结构，在功率输出方面形成并联关系。

（5）无线并联控制方案（WirelessIndependentControl）近年来，无互联线并联控制成为逆变器并联的研究热点。无线并联方案是从有功无功并联方案发展而来，借助电机并网中下垂特性的思想，通过预先设计的权值控制，让逆变器的输出电压的频率与幅值分别随着输出有功功率和无功功率的增加而下降，从而使逆变器的输出电压和频率稳定在一个新的平衡点。

（6）无线并联方案的最新发展传统，是基于下垂特性的无线并联方案是在输出电压调节和功率均分之间取折中，并且，有功功率变化有可能导致逆变器输出频率的漂移，所以，如何实现真正的无线并联，又要克服无线并联内在的缺陷成为研究的核心所在。

从并联技术的发展来看，不同厂商、不同类型的UPS具有相同的接口形式、一致的结构设计以及相互兼容的系统可配置能力是UPS产品发展的必然趋势，这必然导致了UPS结构的模块化设计。

三．先进的电池管理技术

蓄电池是UPS在电网断电或供电不正常时保证负载可靠工作的最后一道防线，所以，电池的可靠工作直接影响着UPS系统的可靠性。然而，在实际应用中出现了非常多的问题。不合理的工作条件导致电池的使用寿命变短，更加严重的是因为缺乏有效的监测维护手段，没能及时、准确地掌握电池状态，无法消除电池问题带来的隐患。

3.1电池失效机理与诱导因素电池失效主要由以下原因造成：

（1）电池失水VRLA失水会导致电解液比重增高、电池正极栅板腐蚀，使电池的活性物质减少，从而造成电池容量降低而失效。

（2）负极板硫酸化电池负极栅板的主要活性物质是海绵状铅，当VRLA的荷电不足时，在电

池的正负极栅板上就会有PbSO4存在，PbSO4长期存在会失去活性，不可以再参与化学反应。这一现象称为活性物质的硫酸盐化。

（3）正极板腐蚀由于电池失水，导致电解液比重增高，过强的电解液酸性加剧正极板腐蚀。

（4）热失控热失控是指蓄电池在恒压充电时，充电电流与电池温度发生一种累积性的增强作用，并逐步损坏蓄电池。热失控的最后结果是蓄电池的外壳鼓包、漏气，电池容量下降，电池失效。

3.2电池监测技术及其发展

离线放电测量电池容量以及电导率变化监测是比较早提出的电池失效检测方法。电池的电导率正比于传输电流的横截面积，活性物质的脱落、极板板栅与汇流排的硫酸盐化和腐蚀、干涸都会导致有效的横截面积的降低，因而通过监测电池单体的电导率变化能有效地辩别恶化的电池单体。但是，单纯检测电池电导率变化并不能完全准确地判断电池的容量变化、剩余电量、健康状况和充电状态。

3.3多级与均衡充电技术

多级快速充电算法，包括主动充电、主动放电、被动休眠三个阶段。主动充电模式以最大电流对电池充电。当电池电压达到某一阈值，进入主动放电模式，充电器降低充电电压使极板发生去极化效应。被动休眠模式经过一定电压的浮充使电解液中的离子和极板间的距离保持在适当的距离。

结束语：UPS电源并联与电池管理技术的发展趋势从以上对UPS系统的两大核心逆变器与电池的发展分析可见，提高电源系统的可靠性，实现电源的智能化监测和管理是UPS技术发展的必然趋势。当前，世界上已有很多国家的电源公司在UPS逆变器的并联冗余和电池监测以及管理技术方面做了大量的工作，并有一系列产品投入了使用。

参考文献：

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