民航空管UPS供电系统中并机环流的危害与抑制措施

中国民用航空华北地区空中交通管理局 尹国强

《民航空管通信导航监视设施设备供配电配置指导材料》明确规定：民航空管供电系统需采用UPS并联冗余配置方式。但是，UPS并机环流问题是不容忽视的，如果不加以重视和抑制，则会对民航空管设备的供电运行保障造成安全隐患。本论文阐述了民航空管UPS供电系统中，并机环流的产生、危害及其抑制措施。

1 并机环流的分析

《民航空管通信导航监视设施设备供配电配置指导材料》明确规定：民航空管供电系统需采用UPS并联冗余配置方式。但是，UPS并机环流问题是不容忽视的，如果不加以重视和抑制，则会对民航空管设备的供电运行保障造成安全隐患。并机环流导致了两台UPS逆变器所输出的电流不是全部流向负载，而会有部分电流在两台UPS逆变器之间流动。两台UPS并机运行时，逆变器输出电压的相位、频率、幅值要时刻保持同步，三个参数的任一偏差都将导致环流的产生。

民航空管通信导航监视设备供电系统所用的UPS设备都是三进三出式，在分析三相逆变器的并联时，分析其中某一相的并联特性就得到其他两相的并联特性，图1为某一相逆变器并联运行时的等效电路。U1、U2分别为两逆变器的输出电压，UPS-1逆变器的输出阻抗Z1=R1+jX1，UPS-2逆变器的输出阻抗Z2=R2+jX2，Z0为后端负载等效阻抗，I0为并机母线电流。

图1 单相逆变器并联等效电路

根据基尔霍夫定律得到方程组：

三方程联立求解，得：

当两台逆变器输出的阻抗部分：R1=R2，L1=L2，C1=C2，即Z1=Z2=Z。

可得出：

令△U=U1－U2，得出两台逆变器并联侧的环流：

由最终的环流公式可知，并机系统中的环流Icir与电压差△U以和等效阻抗Z确定，与后端所带的负载大小和负载性质无关。两台UPS并机运行时，逆变器的输出电流由两部分构成，一部分是负载电流分量，另一部分是流通在并联系统中两逆变器之间的环流分量Icir。对于并联系统来说，负载是一定的，而环流的存在就使得每台UPS逆变器的输出电流存在差异，即两机实际所带负载因环流而出现差异，负载没有得到均分。

如果两台逆变器输出电压的相位差超过设备的允许范围，即便是两逆变器输出电压的幅值相同，也会在两逆变器输出侧之间会形成瞬态电压差，对UPS并机系统的安全运行造成巨大威胁。而且在这两种交流电源间形成的瞬态电压差的幅值和符号会随时间而变化。图2是两逆变器输出的正弦波电压存在相位差的情况。

图2 U2的相位超前于U1

由图2可知，在0～t1、t2～0.02s的时间内，U1>U2，△U>0，即Icir2为负值。此时的环流从UPS-1逆变器流向UPS-2逆变器。在t1～t2的时间内，U1＜U2，△U＜0，即Icir1为负值。此时的环流从UPS-2逆变器流向UPS-1逆变器。

图3 U1的幅值大于U2

如果两逆变器输出的相位和频率相同，而电压幅值不同，则会出现以下情况，图3为两电压图形。

由图3可知，在0～0.01s内，U1>U2，Icir2为负值，环流流向UPS-2逆变器；在0.01s～0.02s内，U2>U1，Icir1为负值，环流流向UPS-1逆变器。

2 并机环流的危害

UPS并机系统正在运行，假设某一时刻，U1>U2，则会出现如下情况：

（1）空载运行时，I0=0，。I2为负值，I2不是流向负载，而是流向逆变器内部。UPS-1输出的有功功率都被UPS-2吸收，严重破坏了UPS-2运行的稳定性。

（2）轻载运行时，即I0较小。此时UPS-2会消耗大量有功功率，并机系统的均流不平衡度会有增大的趋势。这也就是大功率UPS并机系统在轻载运行时，设备故障率增大的原因。

（3）若U1=U2，。两台逆变器实现向后端负载的均流供电，此时不存在环流。

并机环流增加了UPS并机系统运行时的功率损耗，足够大的环流会使逆变器过载或者过流保护电路动作，UPS输出开关跳闸，此时只能由一台UPS设备带后端全部负载，这造成了整个民航空管UPS供电系统正常运行的安全隐患。

3 并机环流的抑制措施

要想使UPS并机系统运行时两逆变器输出的电流完全相同，就必须保证两逆变器的输出电压和等效阻抗相等。而即便是采用同型号和容量的UPS也是很难做到的，原因有：

（1）因为UPS功率元器件参数的固有差异，如开关管导通压降和滤波电感值等不同引起的逆变器输出不一致。

（2）两逆变器输出端至并机输出柜的连接电缆的等效电阻不一致，造成逆变器的等效阻抗存在差异。

（3）两台UPS并机逻辑控制电路电子元件参数的不同，使采样电路存在差异，反馈控制得到的逆变器输出电压也不同。

因此就必须使用均流技术，对UPS并机系统中的逆变器输出电流进行有效控制，使系统中的两台UPS实现功率的平均分配。这是保障系统稳定性和可靠性的一种特殊措施。

图4 北京区域管制中心UPS配置方式

目前，国外知名品牌的UPS设备厂家的并机逻辑控制电路几乎都是采用平均电流法设计方式。这种控制方式无需外加并机同步控制器，只需CAN通讯总线连接在两台UPS设备的并机逻辑控制电路的接口端即可。并机逻辑控制电路采集到两UPS逆变器输出参数差值信号后进行比对，再对各自的UPS逆变器进行微调，使输出参数保持同步。

在两台UPS正式并机运行前，厂家工程师会调校设备的输出参数，将逆变器输出电压差控制在最小范围，但每个UPS设备厂家的参数值都不相同。北京区域管制中心的高频机UPS在投入运行前，厂家工程师做到了以下几点设置：

（1）设置UPS设备的输出频率为50Hz，逆变器跟踪静态旁路的频率速度为2Hz/s，频率偏差为0.1Hz。

（2）将UPS逆变器输出电压范围设置在400（13%）V，电压波动幅度为1%。

（3）调整相位，使两台UPS逆变器输出电压差在1V以内。

对于民航空管UPS供电系统的设计者来说，进行合理的选择UPS设备选型以及合理的并机系统的配置就尤为重要。

下面以北京区域管制中心的UPS并联冗余双母线供电系统为例，简要配置方式见图4。此处UPS前端配置的自动转换开关ATS、系统中的断路器以及UPS维修旁路省略。

北京区域管制中心的UPS供电系统，在2019年5月进行了一次更新改造。系统配置了四台同品牌、同型号的高频机UPS，每台UPS内部都配有并机逻辑控制电路板。四台UPS的静态旁路来自同一市电电源。UPS-1、UPS-2组成UPS-A组；UPS-2、UPS-3组成UPS-B组。每组的两台UPS之间通过CAN通讯总线连接，每台UPS的逆变器在实时追踪静态旁路的市电电源的同时，并机逻辑控制电路会调整逆变器的输出参数，使并机环流值达到合理的范围之内。

UPS单机带载量在设备容量80%～85%时，UPS运行效率最高。在配置民航空管UPS冗余双总线供电系统时，每台UPS实际带载量不宜超过20%。北京区域管制中心UPS单机容量为400KVA，现实际单机带载量均在11%，既为后端负载设备留有足够的扩容空间，又延长了整个UPS供电系统的使用寿命。

每台UPS的输入和输出电缆都采用最高等级的WDZAN型。每组的两台UPS逆变器输出侧至并机输出柜之间的电缆的截面积和长度相同，尽可能使两台UPS逆变器输出端的阻抗相同。

北京区域管制中心UPS供电系统运行至今，无论是正常运行还是设备换季维护，均未出现因环流问题引发的故障。

结束语：每台UPS的内部阻抗和输出电压不可能完全一样，只能尽量将逆变器输出的参数差控制在接近于“零”的程度。在UPS并机冗余供电系统正常运行时，也需要运维人员定时记录各UPS的输出电流和功率因数。当同组的两台UPS输出参数相差较大时，应及时通知设备厂家来对并机系统进行校正，确保民航空管UPS供电系统始终处于高可靠性、高稳定性的不间断运行状态。