高壓直流可靠性設(shè)計

高壓直流可靠性設(shè)計

杭州中恒電氣摘要

HVDC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07年的實驗，08-09年試點到2010年推廣使用，已經(jīng)從通信運營商、互聯(lián)網(wǎng)、IT行業(yè)逐步滲透到部隊、醫(yī)院到金融、政府等機(jī)構(gòu)中。HVDC在數(shù)據(jù)機(jī)房中全面替代UPS只是時間問題。

隨著HVDC日益廣泛的使用，如何能夠保證HVDC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)的部分可靠性設(shè)計做一些探討以供用戶參考。

關(guān)鍵詞:HVDC、整流模塊、功率因數(shù)、THDI、效率、可靠性一、整流模塊的選擇

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)的電性能，眾多的技術(shù)指標(biāo)中最為關(guān)鍵的其實只有以下幾項：

1、三相三線輸入

優(yōu)勢；無中線，三相自然平衡，與ATS自然對應(yīng)(ATS無中線切換），減少了中線斷線故障。

2、三相三線有源功率因數(shù)校正

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

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，僅僅只是滿載高效沒有太大的實際價值。

20%90%15%60%45%30%75%100%40%60%80%100%效率負(fù)載高指標(biāo)實低效曲線有效效率曲線

由于HVDC功率大，效率高經(jīng)濟(jì)意義十分重大

，如效率94%與95%的336V/400A系統(tǒng)，按同樣70%的帶載率計算輸入功率相差

△P=P1-P2

=P0

/η1-P0/η2

=P0(η1-η2)/η1η2

=378*400*0.7*0.01/(0.95*0.94)=1185W每年系統(tǒng)省電1185*24*365=10380.6kwh，空調(diào)省電(時間按半年，能效比按2.5計算）(10380.6/2.5)/2=2076.12kwh,合計節(jié)電12456.7度電。每瓦1元，大約是系統(tǒng)投資的10%，同時還減少了各種污染排放。

4、熱插拔、自動尋址

優(yōu)勢：維護(hù)方便快捷,更換模塊無需重新設(shè)置地址；

整流模塊工作原理CAN交流輸入EMI三相有源功率因數(shù)校正APFC雙LLC串聯(lián)諧振交錯變換直流輸出EMIDC/DCDSPAPFCDSP三相三線交流輸入DC輸出VrfIrfV01fV0fI0fZHR33615KZHR3366K二、系統(tǒng)設(shè)計

1、交流三相輸入總空開

交流輸入最低電壓最大空開電流

IM=P0/(η*1.732*UL*PF)P0---系統(tǒng)額定輸出功率；

η----系統(tǒng)最低輸入電壓下的效率；

UL----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)；

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20%以上的余量，同時上級空開必須保證2-3級的極差。2、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、全恒功率和限流恒功率型

1）全恒功率型

系統(tǒng)模塊總數(shù)=〔（負(fù)載額定功率/0.8)+電池均充電壓*充電電流〕/單模塊額定功率+M(小于10+1，大于10，每10個+1）?！病潮硎救≌?/p>

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)2V電池最低電壓1.7V,均充2.35V,相差38%，也就是維持恒功率輸出輸出電流要放大1.38倍，這勢必增加了模塊的成本，而且，模塊99%以上的時間都是工作在浮充電壓以上的工作區(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的輸出能力。

系統(tǒng)模塊總數(shù)=〔（負(fù)載最大電流/0.8)+電池均充電流〕/單模塊額定電流

+M(小于10+1，大于10，每10個+1）。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。

3)限流恒功率型

系統(tǒng)模塊總數(shù)=〔（負(fù)載最大電流/0.8)+電池均充電流〕/單模塊最大輸出電流

+M(小于10+1，大于10，每10個+1）。

如某240V系統(tǒng)，負(fù)載額定功率160kw,負(fù)載最大輸出電流=160000/204=784.3A,配置800AH電池,充電電流80A,選用15kw模塊最大輸出電流55A,模塊總數(shù)=〔784.3/0.8+80〕/55=19，再加2個備份共21個模塊，如果選用全限流型50A模塊則需要23個。

225V200V300V250V275V60A10A40A30A20A50A70A全限流型限流恒功率型全恒功率型3、電池設(shè)計

1）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24℃放電至1.85V選擇電池容量，并留有20%的余量。2）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1.5倍或以上，如果是2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，也就是每組電池的熔斷器額定容量都是負(fù)載最大電流的1.5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，而不是系統(tǒng)電壓的一半！3）電池欠壓保護(hù)

欠壓聲光預(yù)警、

緊急告警二級告警；

負(fù)荷開關(guān)或斷路器手動

或自動欠壓脫離保護(hù)；負(fù)載電池組負(fù)荷開關(guān)短路4、輸出分路熔斷器

1）單路負(fù)載最大輸出電流；

2）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;6、系統(tǒng)宜采用單系統(tǒng)雙回路或雙系統(tǒng)雙回路;7、直流配電輸出宜采用同一排極性相同以保證操作維護(hù)的安全交流配電電池組1電池組2動力環(huán)境集中監(jiān)控直流配電列頭柜配電監(jiān)控絕緣監(jiān)測配電監(jiān)控電池巡檢監(jiān)控單元RS485RS485/232AC1AC2CAN浮地系統(tǒng)三、336V系統(tǒng)產(chǎn)品336VHVDC12V服務(wù)器電源系統(tǒng)336VDC中恒電氣HVDC系統(tǒng)12V輸出接口A12V輸出接口B服務(wù)器服務(wù)器336VDCPDU12VDC/DC模塊工作原理CANEMI濾波LLC串聯(lián)諧振變換EMI濾波DC/DCDSP336VDC直流輸入12VDC輸出VrfV0fI0fZHD121K高頻整流12V電源主要技術(shù)指標(biāo)

輸入輸入電壓范圍280--410VDC最大電流小于4.5A最大沖擊電流小于5.5A輸出電壓范圍12V±0.2V額定功率1200w,額定電流100A最大電流110A效率在30~100%額定輸出時>96%最大效率97%穩(wěn)壓精度≤±0.5%穩(wěn)流精度≤±0.5%輸出Vp-p≤100mv動態(tài)響應(yīng)恢復(fù)時間≤200us，超調(diào)幅度:≤±2.5%軟啟動時間≤5S音響噪聲≤50dB工作環(huán)境工作溫度-5℃～40℃相對濕度90%存儲溫度-40℃～70℃絕緣耐壓≥2000Vac絕緣電阻≥10M

可靠性指標(biāo)MTBF37萬小時機(jī)械參數(shù)規(guī)格尺寸mm（WXHXD重量小于1kg,標(biāo)準(zhǔn)組合式系統(tǒng)ZHDCS336450ZHDCS336300尺寸：800*600*2000配置清單：1、整流模塊：ZHR3366K20個

ZHR33615K12個,2、監(jiān)控：ZHM07H或ZHM053、交流輸入空開：

250A*2，手動切換3、蓄電池分路：4路630A熔斷器

(2正2負(fù))4、輸出分路：4路125A~250A

（4正4負(fù)）

電流采樣盒1個：4路支路電流

監(jiān)測；

絕緣主控盒1個：4路支路巡檢ZHDCS336600配置清單：1、整流模塊：

ZHR33615K16個,2、監(jiān)控：ZHM07H或ZHM053、交流輸入空開：

630A*2，手動切換3、蓄電池分路：4路1000A熔斷器

(2正2負(fù))4、輸出分路：10路250A~400A

（10正10負(fù)）

電流采樣盒1個：10路支路電流

監(jiān)測；

絕緣主控盒1個：10路支路巡檢標(biāo)準(zhǔn)二分屏系統(tǒng)ZHDCS336900標(biāo)準(zhǔn)五分屏系統(tǒng)配置清單：1、整流模塊：

ZHR33615K24個,2、監(jiān)控：ZHM07H或ZHM053、交流輸入空開：

630A*2，手動切換,

400A*4

3、蓄電池分路：4路1250A熔斷器

(2正2負(fù))4、輸出分路：20路250A~400A

（20正20負(fù)）

電流采樣盒2個：20路支路電流

監(jiān)測；

絕緣主控盒1個：20路支路巡檢一體化系統(tǒng)大容量系統(tǒng)集中度高，風(fēng)險比分散供電大；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,而且絕緣監(jiān)測漏電流傳感器更換需要斷電拆線；系統(tǒng)到列頭柜距離遠(yuǎn)，接線、故障查找不便；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，也就是系統(tǒng)直流配電直接替代列頭柜；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攜絕緣巡檢儀人工查尋；可靠：寬電壓輸入323—475Vac,電網(wǎng)適應(yīng)能力強；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MTBF＞27萬Hs;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：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THDI小于5%；LLC串聯(lián)諧振軟開關(guān)變換，整機(jī)滿載效率高達(dá)95.5%,功率密度高達(dá)每立方英寸27w，體積小重量輕；電磁兼容好；雙DSP數(shù)字控制，控制精度高、抗干擾能力強；恒功率輸出，提高了低壓電流輸出能力;具備完善可靠的休眠、喚醒功能自動實現(xiàn)效率最大化；產(chǎn)品的主要特點安全：懸浮接地系統(tǒng)、母線絕緣監(jiān)測、支路絕緣監(jiān)測保證人身安全；交直流母排絕緣護(hù)套及增加隔離區(qū)和安全警示；柜體接