高壓直流可靠性設計

高壓直流可靠性設計

杭州中恒電氣摘要

HVDC以其高效率、高可靠性、高性能、維護方便快捷、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、政府等機構中。HVDC在數(shù)據(jù)機房中全面替代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注的問題，本文就產(chǎn)品的選擇、系統(tǒng)的部分可靠性設計做一些探討以供用戶參考。

關鍵詞: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)中最關鍵的部件，決定了整機系統(tǒng)的電性能，眾多的技術指標中最為關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(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%額定負載下的高效率

系統(tǒng)設計一般都留有余量，絕大部分時間都工作在40%--70%的額定負荷區(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%效率負載高指標實低效曲線有效效率曲線

由于HVDC功率大，效率高經(jīng)濟意義十分重大

，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：維護方便快捷,更換模塊無需重新設置地址；

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)；

因此空開設計必須在最低電壓下能滿足額定輸出負荷要求，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）。〔〕表示取整

這種類型的模塊數(shù)量設計最為簡單，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)，負載額定功率160kw,負載最大輸出電流=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、電池設計

1）容量設計在一定延時時間要求下，電池應按恒功率曲線在24℃放電至1.85V選擇電池容量，并留有20%的余量。2）熔斷器設計

熔斷器的額定輸出電流應該選擇負載最大電流的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載最大電流的1.5倍以上！

熔斷器的耐壓應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

欠壓聲光預警、

緊急告警二級告警；

負荷開關或斷路器手動

或自動欠壓脫離保護；負載電池組負荷開關短路4、輸出分路熔斷器

1）單路負載最大輸出電流；

2）單級承受最大輸出電壓；5、系統(tǒng)并機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服務器服務器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電源主要技術指標

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)響應恢復時間≤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MTBF37萬小時機械參數(shù)規(guī)格尺寸mm（WXHXD重量小于1kg,標準組合式系統(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)4、輸出分路：4路125A~250A

（4正4負）

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)4、輸出分路：10路250A~400A

（10正10負）

電流采樣盒1個：10路支路電流

監(jiān)測；

絕緣主控盒1個：10路支路巡檢標準二分屏系統(tǒng)ZHDCS336900標準五分屏系統(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)4、輸出分路：20路250A~400A

（20正20負）

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，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)適應能力強；模塊二極管隔離或熔斷器保護輸出，確保直流母線安全；模塊采用先進成熟的原理電路；器件全部采用一流器件供應商；先進的測試設備和完善的質(zhì)量控制體系MTBF＞27萬Hs;無級溫控風冷，延長風扇壽命，減少風扇噪音、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)諧振軟開關變換，整機滿載效率高達95.5%,功率密度高達每立方英寸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；交直流母排絕緣護套及增加隔離區(qū)和安全警示；柜體接