高壓直流可靠性設(shè)計

1、高壓直流可靠性設(shè)計高壓直流可靠性設(shè)計 杭州中恒電氣杭州中恒電氣 摘要摘要 HVDC 以其高效率、高可靠性、高性能、維護(hù)方便快捷、體以其高效率、高可靠性、高性能、維護(hù)方便快捷、體積小、價格便宜，從積小、價格便宜，從07年的實(shí)驗(yàn)，年的實(shí)驗(yàn)，08-09年試點(diǎn)到年試點(diǎn)到2010年推廣使年推廣使用，已經(jīng)從通信運(yùn)營商、互聯(lián)網(wǎng)、用，已經(jīng)從通信運(yùn)營商、互聯(lián)網(wǎng)、IT行業(yè)逐步滲透到部隊(duì)、醫(yī)院行業(yè)逐步滲透到部隊(duì)、醫(yī)院到金融、政府等機(jī)構(gòu)中。到金融、政府等機(jī)構(gòu)中。HVDC在數(shù)據(jù)機(jī)房中全面替代在數(shù)據(jù)機(jī)房中全面替代UPS只是只是時間問題。時間問題。 隨著隨著HVDC日益廣泛的使用，如何能夠保證日益廣泛的使用，如何能夠保證H

2、VDC高性能、高高性能、高可靠性是用戶最關(guān)注的問題，本文就產(chǎn)品的選擇、系統(tǒng)的部分可可靠性是用戶最關(guān)注的問題，本文就產(chǎn)品的選擇、系統(tǒng)的部分可靠性設(shè)計做一些探討以供用戶參考?？啃栽O(shè)計做一些探討以供用戶參考。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:HVDC:HVDC、整流模塊、功率因數(shù)、整流模塊、功率因數(shù)、THDI、效率、可靠性、效率、可靠性一、整流模塊的選擇一、整流模塊的選擇 整流模塊是整流模塊是HVDC系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件，決定了整機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件，決定了整機(jī)系統(tǒng)的電性能，眾多的技術(shù)指標(biāo)中最為關(guān)鍵的其實(shí)只有以下幾項(xiàng)：電性能，眾多的技術(shù)指標(biāo)中最為關(guān)鍵的其實(shí)只有以下幾項(xiàng)： 1、三相三線輸入、三相三線輸入 優(yōu)勢；無中

3、線，三相自然平衡，與優(yōu)勢；無中線，三相自然平衡，與ATS自然對應(yīng)自然對應(yīng)(ATS無中線無中線切換），減少了中線斷線故障。切換），減少了中線斷線故障。 2、三相三線有源功率因數(shù)校正、三相三線有源功率因數(shù)校正 優(yōu)勢：功率因數(shù)高，電流諧波小，電磁兼容好，干擾小。優(yōu)勢：功率因數(shù)高，電流諧波小，電磁兼容好，干擾小。 3、40%-70%額定負(fù)載下的高效率額定負(fù)載下的高效率 系統(tǒng)設(shè)計一般都留有余量，絕大部分時間都工作在系統(tǒng)設(shè)計一般都留有余量，絕大部分時間都工作在40%-70%的額定負(fù)荷區(qū)間，效率曲線在中段平滑最為重要，僅僅只是滿的額定負(fù)荷區(qū)間，效率曲線在中段平滑最為重要，僅僅只是滿載高效沒有太大的實(shí)際價值。

4、載高效沒有太大的實(shí)際價值。 20%90%90%15%60%60%45%45%3030%7575%100%100%4 40%6 60%8 80%10100%效率效率負(fù)載負(fù)載高指標(biāo)實(shí)低效曲線高指標(biāo)實(shí)低效曲線有效效率曲線有效效率曲線 由于由于HVDC功率大，效率高經(jīng)濟(jì)意義十分重大功率大，效率高經(jīng)濟(jì)意義十分重大 ，如效率，如效率94%與與95% 的的336V/400A系統(tǒng)，按同樣系統(tǒng)，按同樣70%的帶載率計算輸入功率相差的帶載率計算輸入功率相差 P=P1-P2 =P0 /1-P0/2 = P0(1-2)/12 =378*400*0.7*0.01/(0.95*0.94) =1185W 每年系統(tǒng)省電每年系

5、統(tǒng)省電1185*24*365=10380.6 kwh，空調(diào)省電，空調(diào)省電(時間按半時間按半年，能效比按年，能效比按2.5計算）計算）(10380.6/2.5)/2=2076.12 kwh,合計節(jié)電合計節(jié)電12456.7度電。每瓦度電。每瓦1元，大約是系統(tǒng)投資的元，大約是系統(tǒng)投資的10%，同時還減少了，同時還減少了各種污染排放。各種污染排放。 4、熱插拔、自動尋址、熱插拔、自動尋址 優(yōu)勢：維護(hù)方便快捷優(yōu)勢：維護(hù)方便快捷,更換模塊無需重新設(shè)置地址；更換模塊無需重新設(shè)置地址； 整流模塊工作原理整流模塊工作原理CANCAN交流輸入交流輸入EMIEMI三相有源功三相有源功率因數(shù)校正率因數(shù)校正APFCAP

6、FC雙雙LLCLLC串聯(lián)串聯(lián)諧振交錯諧振交錯變換變換直流輸出直流輸出EMIEMIDC/DCDC/DCDSPDSPAPFCAPFCDSPDSP三相三線三相三線交流輸入交流輸入DCDC輸出輸出V VrfrfI IrfrfV V01f01fV V0f0fI I0f0fZHR33615KZHR33615KZHR3366KZHR3366K二、系統(tǒng)設(shè)計二、系統(tǒng)設(shè)計 1、交流三相輸入總空開、交流三相輸入總空開 交流輸入最低電壓最大空開電流交流輸入最低電壓最大空開電流 IM=P0/( *1.732*UL*PF) P0-系統(tǒng)額定輸出功率；系統(tǒng)額定輸出功率； -系統(tǒng)最低輸入電壓下的效率；系統(tǒng)最低輸入電壓下的效率；

7、 UL -系統(tǒng)最低輸入電壓；系統(tǒng)最低輸入電壓； PF -系統(tǒng)最低輸入電壓下的功率因數(shù)；系統(tǒng)最低輸入電壓下的功率因數(shù)； 因此空開設(shè)計必須在最低電壓下能滿足額定輸出負(fù)荷要求，并因此空開設(shè)計必須在最低電壓下能滿足額定輸出負(fù)荷要求，并留有留有20%以上的余量，同時上級空開必須保證以上的余量，同時上級空開必須保證2-3級的極差。級的極差。2、整流模塊數(shù)量、整流模塊數(shù)量 目前生產(chǎn)廠家眾多，模塊輸出特性有三種類型，即全限流、目前生產(chǎn)廠家眾多，模塊輸出特性有三種類型，即全限流、全恒功率和限流恒功率型全恒功率和限流恒功率型 1）全恒功率型）全恒功率型 系統(tǒng)模塊總數(shù)系統(tǒng)模塊總數(shù)=（負(fù)載額定功率（負(fù)載額定功率/0.

8、8)+電池均充電壓電池均充電壓*充充電電流電電流/單模塊額定功率單模塊額定功率 + M(小于小于10+1，大于，大于10，每，每10個個+1）。）。 表示取整表示取整 這種類型的模塊數(shù)量設(shè)計最為簡單，但是由于電池電壓范圍這種類型的模塊數(shù)量設(shè)計最為簡單，但是由于電池電壓范圍很寬，單節(jié)很寬，單節(jié)2V電池最低電壓電池最低電壓1.7V,均充均充 2.35V,相差相差38%，也就，也就是維持恒功率輸出輸出電流要放大是維持恒功率輸出輸出電流要放大1.38倍，這勢必增加了模塊倍，這勢必增加了模塊的成本，而且，模塊的成本，而且，模塊99%以上的時間都是工作在浮充電壓以以上的時間都是工作在浮充電壓以上的工作區(qū)域

9、，目前這類模塊幾乎沒有。上的工作區(qū)域，目前這類模塊幾乎沒有。 2）全限流型）全限流型 全限流型模塊是全輸出電壓范圍內(nèi)限流，即電池電壓低時輸全限流型模塊是全輸出電壓范圍內(nèi)限流，即電池電壓低時輸 出功率降低，因此這類模塊的安全設(shè)計必須考慮電池最低電壓時出功率降低，因此這類模塊的安全設(shè)計必須考慮電池最低電壓時的輸出能力。的輸出能力。 系統(tǒng)模塊總數(shù)系統(tǒng)模塊總數(shù)=（負(fù)載最大電流（負(fù)載最大電流/0.8)+電池均充電流電池均充電流/單模塊單模塊額定電流額定電流 + M(小于小于10+1，大于，大于10，每，每10個個+1）。否則在電池充）。否則在電池充分放電后可能出現(xiàn)充電電流不足，甚至電池繼續(xù)放電。分放電后

10、可能出現(xiàn)充電電流不足，甚至電池繼續(xù)放電。 3)限流恒功率型限流恒功率型 系統(tǒng)模塊總數(shù)系統(tǒng)模塊總數(shù)=（負(fù)載最大電流（負(fù)載最大電流/0.8)+電池均充電流電池均充電流/單模塊最單模塊最大輸出電流大輸出電流 + M(小于小于10+1，大于，大于10，每，每10個個+1）。）。 如某如某240V系統(tǒng)，負(fù)載額定功率系統(tǒng)，負(fù)載額定功率160kw,負(fù)載最大輸出電流負(fù)載最大輸出電流=160000/204=784.3A,配置配置800AH電池電池,充電電流充電電流80A,選用選用15 kw模塊最大輸出電流模塊最大輸出電流55A,模塊總數(shù)模塊總數(shù)=784.3/0.8 +80/55=19，再，再加加2個備份共個備份

11、共21個模塊，如果選用全限流型個模塊，如果選用全限流型50A模塊則需要模塊則需要23個。個。 225225V20200V3 300V2 250V275275V6060A10A4040A3030A2 20A5 50A7070A全限流型限流恒功率型全全恒功率型3 3、電池設(shè)計、電池設(shè)計 1 1）容量設(shè)計）容量設(shè)計在一定延時時間要求下，電池應(yīng)按恒功率曲線在在一定延時時間要求下，電池應(yīng)按恒功率曲線在2424放電至放電至1.85V1.85V選擇電池容量，并留有選擇電池容量，并留有20%20%的余量。的余量。2 2）熔斷器設(shè)計）熔斷器設(shè)計 熔斷器的額定輸出電流應(yīng)該選擇負(fù)載最大電流的熔斷器的額定輸出電流應(yīng)該

12、選擇負(fù)載最大電流的1.51.5倍或以上，倍或以上，如果是如果是2 2組以上的電池組，要考慮最極端的情況，即只剩下一組組以上的電池組，要考慮最極端的情況，即只剩下一組電池在交流停電而且電池放電到最低電壓下的電流，也就是每組電池在交流停電而且電池放電到最低電壓下的電流，也就是每組電池的熔斷器額定容量都是負(fù)載最大電流的電池的熔斷器額定容量都是負(fù)載最大電流的1.51.5倍以上！倍以上！ 熔斷器的耐壓應(yīng)該考慮單級承受系統(tǒng)輸出最大電壓，而不是系熔斷器的耐壓應(yīng)該考慮單級承受系統(tǒng)輸出最大電壓，而不是系統(tǒng)電壓的一半！統(tǒng)電壓的一半！3 3）電池欠壓保護(hù)電池欠壓保護(hù)l 欠壓聲光預(yù)警、欠壓聲光預(yù)警、 緊急告警二級告警

13、；緊急告警二級告警；l 負(fù)荷開關(guān)或斷路器手動負(fù)荷開關(guān)或斷路器手動 或自動欠壓脫離保護(hù)；或自動欠壓脫離保護(hù)；負(fù)負(fù)載載電電池池組組負(fù)荷開關(guān)短路短路4、輸出分路熔斷器輸出分路熔斷器 1）單路負(fù)載最大輸出電流；）單路負(fù)載最大輸出電流； 2）單級承受最大輸出電壓；）單級承受最大輸出電壓；5、系統(tǒng)并機(jī)不宜采用柜外銅排連接、系統(tǒng)并機(jī)不宜采用柜外銅排連接;6、系統(tǒng)宜采用單系統(tǒng)雙回路或雙系統(tǒng)雙回路、系統(tǒng)宜采用單系統(tǒng)雙回路或雙系統(tǒng)雙回路;7 7、直流配電輸出宜采用同一排極性相同以保證操作維、直流配電輸出宜采用同一排極性相同以保證操作維護(hù)的安全護(hù)的安全交交流流配配電電電電池池組組1 1電電池池組組2 2動力環(huán)境動力

14、環(huán)境集中監(jiān)控集中監(jiān)控直流配電直流配電列頭柜列頭柜配電配電監(jiān)控監(jiān)控絕緣絕緣監(jiān)測監(jiān)測配電配電監(jiān)控監(jiān)控電池電池巡檢巡檢監(jiān)控監(jiān)控單元單元RS485RS485/232AC1AC2CAN浮地系統(tǒng)浮地系統(tǒng)三、三、336V336V系統(tǒng)產(chǎn)品系統(tǒng)產(chǎn)品336V HVDC 12V336V HVDC 12V服務(wù)器電源系統(tǒng)服務(wù)器電源系統(tǒng)336VDC336VDC中恒電氣中恒電氣HVDCHVDC系統(tǒng)系統(tǒng)1212V V輸輸出出接接口口A A1212V V輸輸出出接接口口B B服務(wù)器服務(wù)器服務(wù)器服務(wù)器336VDC336VDCPDU12VDC/DC模塊工作原理模塊工作原理CANCANEMIEMI濾波濾波LLCLLC串聯(lián)串聯(lián)諧振諧振

15、變換變換EMIEMI濾波濾波DC/DCDC/DCDSPDSP336VDC336VDC直流輸入直流輸入12VDC12VDC輸出輸出V VrfrfV V0f0fI I0f0fZHD121KZHD121K高頻高頻整流整流12V電源主要技術(shù)指標(biāo)電源主要技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)組合式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)組合式系統(tǒng)ZHDCS336450ZHDCS336450ZHDCS336300ZHDCS336300尺寸：尺寸：800800* *600600* *20002000配置清單：配置清單：1 1、整流模塊：、整流模塊：ZHR3366K 20ZHR3366K 20個個 ZHR33615K 12 ZHR33615K 12個個, ,2 2、

16、監(jiān)控：、監(jiān)控：ZHM07HZHM07H或或ZHM05ZHM053 3、交流輸入空開：、交流輸入空開： 250A 250A* *2 2，手動切換，手動切換 3 3、蓄電池分路：、蓄電池分路：4 4路路630A630A熔斷器熔斷器 (2 (2正正2 2負(fù)負(fù)) )4 4、輸出分路：、輸出分路：4 4路路125A250A125A250A （4 4正正4 4負(fù)）負(fù)） 電流采樣盒電流采樣盒1 1個：個：4 4路支路電流路支路電流 監(jiān)測；監(jiān)測； 絕緣主控盒絕緣主控盒1 1個：個：4 4路支路巡檢路支路巡檢ZHDCS336600ZHDCS336600配置清單：配置清單：1 1、整流模塊：、整流模塊： ZHR3

17、3615K 16 ZHR33615K 16個個, ,2 2、監(jiān)控：、監(jiān)控：ZHM07HZHM07H或或ZHM05ZHM053 3、交流輸入空開：、交流輸入空開： 630A 630A* *2 2，手動切換，手動切換 3 3、蓄電池分路：、蓄電池分路：4 4路路1000A1000A熔斷器熔斷器 (2 (2正正2 2負(fù)負(fù)) )4 4、輸出分路：、輸出分路：1010路路250A400A250A400A （1010正正1010負(fù)）負(fù)） 電流采樣盒電流采樣盒1 1個：個：1010路支路電流路支路電流 監(jiān)測；監(jiān)測； 絕緣主控盒絕緣主控盒1 1個：個：1010路支路巡檢路支路巡檢標(biāo)準(zhǔn)二分屏系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)二分屏系統(tǒng)Z

18、HDCS336900ZHDCS336900標(biāo)準(zhǔn)五分屏系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)五分屏系統(tǒng)配置清單：配置清單：1 1、整流模塊：、整流模塊： ZHR33615K 24 ZHR33615K 24個個, ,2 2、監(jiān)控：、監(jiān)控：ZHM07HZHM07H或或ZHM05ZHM053 3、交流輸入空開：、交流輸入空開： 630A 630A* *2 2，手動切換，手動切換, , 400A400A* *4 4 3 3、蓄電池分路：、蓄電池分路：4 4路路1250A1250A熔斷器熔斷器 (2 (2正正2 2負(fù)負(fù)) )4 4、輸出分路：、輸出分路：2020路路250A400A250A400A （2020正正2020負(fù)）負(fù)） 電流

19、采樣盒電流采樣盒2 2個：個：2020路支路電流路支路電流 監(jiān)測；監(jiān)測； 絕緣主控盒絕緣主控盒1 1個：個：2020路支路巡檢路支路巡檢一體化系統(tǒng)一體化系統(tǒng)l 大容量系統(tǒng)集中度高，風(fēng)險比分散供電大；大容量系統(tǒng)集中度高，風(fēng)險比分散供電大；l 多支路絕緣監(jiān)測尤其是列頭柜支路絕緣監(jiān)測增加多支路絕緣監(jiān)測尤其是列頭柜支路絕緣監(jiān)測增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時增加了故障點(diǎn)了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時增加了故障點(diǎn), ,而且絕緣而且絕緣監(jiān)測漏電流傳感器更換需要斷電拆線；監(jiān)測漏電流傳感器更換需要斷電拆線；l 系統(tǒng)到列頭柜距離遠(yuǎn)，接線、故障查找不便；系統(tǒng)到列頭柜距離遠(yuǎn)，接線、故障查找不便；l 將集中供電模式改成多系統(tǒng)分散供電模

20、式，分散將集中供電模式改成多系統(tǒng)分散供電模式，分散系統(tǒng)風(fēng)險，將直流系統(tǒng)與列頭柜合一，也就是系系統(tǒng)風(fēng)險，將直流系統(tǒng)與列頭柜合一，也就是系統(tǒng)直流配電直接替代列頭柜；統(tǒng)直流配電直接替代列頭柜；l 由于下層支路數(shù)大幅減少可以去掉支路絕緣監(jiān)測由于下層支路數(shù)大幅減少可以去掉支路絕緣監(jiān)測，保留母線絕緣監(jiān)測，支路絕緣故障采用移動便，保留母線絕緣監(jiān)測，支路絕緣故障采用移動便攜絕緣巡檢儀人工查尋；攜絕緣巡檢儀人工查尋；可靠：可靠：l 寬電壓輸入寬電壓輸入323475Vac,電網(wǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)；電網(wǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)；l 模塊二極管隔離或熔斷器保護(hù)輸出，確保直流母線安全；模塊二極管隔離或熔斷器保護(hù)輸出，確保直流母線安全；l 模

21、塊采用先進(jìn)成熟的原理電路；器件全部采用一流器件供應(yīng)商模塊采用先進(jìn)成熟的原理電路；器件全部采用一流器件供應(yīng)商；先進(jìn)的測試設(shè)備和完善的質(zhì)量控制體系；先進(jìn)的測試設(shè)備和完善的質(zhì)量控制體系 MTBF27萬萬Hs;l 無級溫控風(fēng)冷，延長風(fēng)扇壽命，減少風(fēng)扇噪音、灰塵；無級溫控風(fēng)冷，延長風(fēng)扇壽命，減少風(fēng)扇噪音、灰塵；高效、綠色：高效、綠色：l 三相三線有源功率因數(shù)校正，無中線，功率因數(shù)三相三線有源功率因數(shù)校正，無中線，功率因數(shù)0.99, 滿載滿載THDI小于小于5%；l LLC串聯(lián)諧振軟開關(guān)變換，整機(jī)滿載效率高達(dá)串聯(lián)諧振軟開關(guān)變換，整機(jī)滿載效率高達(dá)95.5%,功率密度功率密度高達(dá)每立方英寸高達(dá)每立方英寸27w，體積小重量輕；電磁兼容好；，體積小重量輕；電磁