高压直流可靠性设计课件

1、高压直流可靠性设计高压直流可靠性设计 杭州中恒电气杭州中恒电气 摘要摘要 HVDC 以其高效率、高可靠性、高性能、维护方便快捷、体以其高效率、高可靠性、高性能、维护方便快捷、体积小、价格便宜，从积小、价格便宜，从07年的实验，年的实验，08-09年试点到年试点到2010年推广使年推广使用，已经从通信运营商、互联网、用，已经从通信运营商、互联网、IT行业逐步渗透到部队、医院行业逐步渗透到部队、医院到金融、政府等机构中。到金融、政府等机构中。HVDC在数据机房中全面替代在数据机房中全面替代UPS只是只是时间问题。时间问题。 随着随着HVDC日益广泛的使用，如何能够保证日益广泛的使用，如何能够保证H

2、VDC高性能、高高性能、高可靠性是用户最关注的问题，本文就产品的选择、系统的部分可可靠性是用户最关注的问题，本文就产品的选择、系统的部分可靠性设计做一些探讨以供用户参考。靠性设计做一些探讨以供用户参考。 关键词关键词:HVDC:HVDC、整流模块、功率因数、整流模块、功率因数、THDI、效率、可靠性、效率、可靠性一、整流模块的选择一、整流模块的选择 整流模块是整流模块是HVDC系统中最关键的部件，决定了整机系统的系统中最关键的部件，决定了整机系统的电性能，众多的技术指标中最为关键的其实只有以下几项：电性能，众多的技术指标中最为关键的其实只有以下几项： 1、三相三线输入、三相三线输入 优势；无中

3、线，三相自然平衡，与优势；无中线，三相自然平衡，与ATS自然对应自然对应(ATS无中线无中线切换），减少了中线断线故障。切换），减少了中线断线故障。 2、三相三线有源功率因数校正、三相三线有源功率因数校正 优势：功率因数高，电流谐波小，电磁兼容好，干扰小。优势：功率因数高，电流谐波小，电磁兼容好，干扰小。 3、40%-70%额定负载下的高效率额定负载下的高效率 系统设计一般都留有余量，绝大部分时间都工作在系统设计一般都留有余量，绝大部分时间都工作在40%-70%的额定负荷区间，效率曲线在中段平滑最为重要，仅仅只是满的额定负荷区间，效率曲线在中段平滑最为重要，仅仅只是满载高效没有太大的实际价值。

4、载高效没有太大的实际价值。 20%90%90%15%60%60%45%45%3030%7575%100%100%4 40%6 60%8 80%10100%效率效率负载负载高指标实低效曲线高指标实低效曲线有效效率曲线有效效率曲线 由于由于HVDC功率大，效率高经济意义十分重大功率大，效率高经济意义十分重大 ，如效率，如效率94%与与95% 的的336V/400A系统，按同样系统，按同样70%的带载率计算输入功率相差的带载率计算输入功率相差 P=P1-P2 =P0 /1-P0/2 = P0(1-2)/12 =378*400*0.7*0.01/(0.95*0.94) =1185W 每年系统省电每年系

5、统省电1185*24*365=10380.6 kwh，空调省电，空调省电(时间按半时间按半年，能效比按年，能效比按2.5计算）计算）(10380.6/2.5)/2=2076.12 kwh,合计节电合计节电12456.7度电。每瓦度电。每瓦1元，大约是系统投资的元，大约是系统投资的10%，同时还减少了，同时还减少了各种污染排放。各种污染排放。 4、热插拔、自动寻址、热插拔、自动寻址 优势：维护方便快捷优势：维护方便快捷,更换模块无需重新设置地址；更换模块无需重新设置地址； 整流模块工作原理整流模块工作原理CANCAN交流输入交流输入EMIEMI三相有源功三相有源功率因数校正率因数校正APFCAP

6、FC双双LLCLLC串联串联谐振交错谐振交错变换变换直流输出直流输出EMIEMIDC/DCDC/DCDSPDSPAPFCAPFCDSPDSP三相三线三相三线交流输入交流输入DCDC输出输出V VrfrfI IrfrfV V01f01fV V0f0fI I0f0fZHR33615KZHR33615KZHR3366KZHR3366K二、系统设计二、系统设计 1、交流三相输入总空开、交流三相输入总空开 交流输入最低电压最大空开电流交流输入最低电压最大空开电流 IM=P0/( *1.732*UL*PF) P0-系统额定输出功率；系统额定输出功率； -系统最低输入电压下的效率；系统最低输入电压下的效率；

7、 UL -系统最低输入电压；系统最低输入电压； PF -系统最低输入电压下的功率因数；系统最低输入电压下的功率因数； 因此空开设计必须在最低电压下能满足额定输出负荷要求，并因此空开设计必须在最低电压下能满足额定输出负荷要求，并留有留有20%以上的余量，同时上级空开必须保证以上的余量，同时上级空开必须保证2-3级的极差。级的极差。2、整流模块数量、整流模块数量 目前生产厂家众多，模块输出特性有三种类型，即全限流、目前生产厂家众多，模块输出特性有三种类型，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 系统模块总数系统模块总数=（负载额定功率（负载额定功率/0.

8、8)+电池均充电压电池均充电压*充充电电流电电流/单模块额定功率单模块额定功率 + M(小于小于10+1，大于，大于10，每，每10个个+1）。）。 表示取整表示取整 这种类型的模块数量设计最为简单，但是由于电池电压范围这种类型的模块数量设计最为简单，但是由于电池电压范围很宽，单节很宽，单节2V电池最低电压电池最低电压1.7V,均充均充 2.35V,相差相差38%，也就，也就是维持恒功率输出输出电流要放大是维持恒功率输出输出电流要放大1.38倍，这势必增加了模块倍，这势必增加了模块的成本，而且，模块的成本，而且，模块99%以上的时间都是工作在浮充电压以以上的时间都是工作在浮充电压以上的工作区域

9、，目前这类模块几乎没有。上的工作区域，目前这类模块几乎没有。 2）全限流型）全限流型 全限流型模块是全输出电压范围内限流，即电池电压低时输全限流型模块是全输出电压范围内限流，即电池电压低时输 出功率降低，因此这类模块的安全设计必须考虑电池最低电压时出功率降低，因此这类模块的安全设计必须考虑电池最低电压时的输出能力。的输出能力。 系统模块总数系统模块总数=（负载最大电流（负载最大电流/0.8)+电池均充电流电池均充电流/单模块单模块额定电流额定电流 + M(小于小于10+1，大于，大于10，每，每10个个+1）。否则在电池充）。否则在电池充分放电后可能出现充电电流不足，甚至电池继续放电。分放电后

10、可能出现充电电流不足，甚至电池继续放电。 3)限流恒功率型限流恒功率型 系统模块总数系统模块总数=（负载最大电流（负载最大电流/0.8)+电池均充电流电池均充电流/单模块最单模块最大输出电流大输出电流 + M(小于小于10+1，大于，大于10，每，每10个个+1）。）。 如某如某240V系统，负载额定功率系统，负载额定功率160kw,负载最大输出电流负载最大输出电流=160000/204=784.3A,配置配置800AH电池电池,充电电流充电电流80A,选用选用15 kw模块最大输出电流模块最大输出电流55A,模块总数模块总数=784.3/0.8 +80/55=19，再，再加加2个备份共个备份

11、共21个模块，如果选用全限流型个模块，如果选用全限流型50A模块则需要模块则需要23个。个。 225225V20200V3 300V2 250V275275V6060A10A4040A3030A2 20A5 50A7070A全限流型限流恒功率型全全恒功率型3 3、电池设计、电池设计 1 1）容量设计）容量设计在一定延时时间要求下，电池应按恒功率曲线在在一定延时时间要求下，电池应按恒功率曲线在2424放电至放电至1.85V1.85V选择电池容量，并留有选择电池容量，并留有20%20%的余量。的余量。2 2）熔断器设计）熔断器设计 熔断器的额定输出电流应该选择负载最大电流的熔断器的额定输出电流应该

12、选择负载最大电流的1.51.5倍或以上，倍或以上，如果是如果是2 2组以上的电池组，要考虑最极端的情况，即只剩下一组组以上的电池组，要考虑最极端的情况，即只剩下一组电池在交流停电而且电池放电到最低电压下的电流，也就是每组电池在交流停电而且电池放电到最低电压下的电流，也就是每组电池的熔断器额定容量都是负载最大电流的电池的熔断器额定容量都是负载最大电流的1.51.5倍以上！倍以上！ 熔断器的耐压应该考虑单级承受系统输出最大电压，而不是系熔断器的耐压应该考虑单级承受系统输出最大电压，而不是系统电压的一半！统电压的一半！3 3）电池欠压保护电池欠压保护l 欠压声光预警、欠压声光预警、 紧急告警二级告警

13、；紧急告警二级告警；l 负荷开关或断路器手动负荷开关或断路器手动 或自动欠压脱离保护；或自动欠压脱离保护；负负载载电电池池组组负荷开关短路短路4、输出分路熔断器输出分路熔断器 1）单路负载最大输出电流；）单路负载最大输出电流； 2）单级承受最大输出电压；）单级承受最大输出电压；5、系统并机不宜采用柜外铜排连接、系统并机不宜采用柜外铜排连接;6、系统宜采用单系统双回路或双系统双回路、系统宜采用单系统双回路或双系统双回路;7 7、直流配电输出宜采用同一排极性相同以保证操作维、直流配电输出宜采用同一排极性相同以保证操作维护的安全护的安全交交流流配配电电电电池池组组1 1电电池池组组2 2动力环境动力

14、环境集中监控集中监控直流配电直流配电列头柜列头柜配电配电监控监控绝缘绝缘监测监测配电配电监控监控电池电池巡检巡检监控监控单元单元RS485RS485/232AC1AC2CAN浮地系统浮地系统三、三、336V336V系统产品系统产品336V HVDC 12V336V HVDC 12V服务器电源系统服务器电源系统336VDC336VDC中恒电气中恒电气HVDCHVDC系统系统1212V V输输出出接接口口A A1212V V输输出出接接口口B B服务器服务器服务器服务器336VDC336VDCPDU12VDC/DC模块工作原理模块工作原理CANCANEMIEMI滤波滤波LLCLLC串联串联谐振谐振

15、变换变换EMIEMI滤波滤波DC/DCDC/DCDSPDSP336VDC336VDC直流输入直流输入12VDC12VDC输出输出V VrfrfV V0f0fI I0f0fZHD121KZHD121K高频高频整流整流12V电源主要技术指标电源主要技术指标标准组合式系统标准组合式系统ZHDCS336450ZHDCS336450ZHDCS336300ZHDCS336300尺寸：尺寸：800800* *600600* *20002000配置清单：配置清单：1 1、整流模块：、整流模块：ZHR3366K 20ZHR3366K 20个个 ZHR33615K 12 ZHR33615K 12个个, ,2 2、

16、监控：、监控：ZHM07HZHM07H或或ZHM05ZHM053 3、交流输入空开：、交流输入空开： 250A 250A* *2 2，手动切换，手动切换 3 3、蓄电池分路：、蓄电池分路：4 4路路630A630A熔断器熔断器 (2 (2正正2 2负负) )4 4、输出分路：、输出分路：4 4路路125A250A125A250A （4 4正正4 4负）负） 电流采样盒电流采样盒1 1个：个：4 4路支路电流路支路电流 监测；监测； 绝缘主控盒绝缘主控盒1 1个：个：4 4路支路巡检路支路巡检ZHDCS336600ZHDCS336600配置清单：配置清单：1 1、整流模块：、整流模块： ZHR3

17、3615K 16 ZHR33615K 16个个, ,2 2、监控：、监控：ZHM07HZHM07H或或ZHM05ZHM053 3、交流输入空开：、交流输入空开： 630A 630A* *2 2，手动切换，手动切换 3 3、蓄电池分路：、蓄电池分路：4 4路路1000A1000A熔断器熔断器 (2 (2正正2 2负负) )4 4、输出分路：、输出分路：1010路路250A400A250A400A （1010正正1010负）负） 电流采样盒电流采样盒1 1个：个：1010路支路电流路支路电流 监测；监测； 绝缘主控盒绝缘主控盒1 1个：个：1010路支路巡检路支路巡检标准二分屏系统标准二分屏系统Z

18、HDCS336900ZHDCS336900标准五分屏系统标准五分屏系统配置清单：配置清单：1 1、整流模块：、整流模块： ZHR33615K 24 ZHR33615K 24个个, ,2 2、监控：、监控：ZHM07HZHM07H或或ZHM05ZHM053 3、交流输入空开：、交流输入空开： 630A 630A* *2 2，手动切换，手动切换, , 400A400A* *4 4 3 3、蓄电池分路：、蓄电池分路：4 4路路1250A1250A熔断器熔断器 (2 (2正正2 2负负) )4 4、输出分路：、输出分路：2020路路250A400A250A400A （2020正正2020负）负） 电流

19、采样盒电流采样盒2 2个：个：2020路支路电流路支路电流 监测；监测； 绝缘主控盒绝缘主控盒1 1个：个：2020路支路巡检路支路巡检一体化系统一体化系统l 大容量系统集中度高，风险比分散供电大；大容量系统集中度高，风险比分散供电大；l 多支路绝缘监测尤其是列头柜支路绝缘监测增加多支路绝缘监测尤其是列头柜支路绝缘监测增加了系统的复杂度，同时增加了故障点了系统的复杂度，同时增加了故障点, ,而且绝缘而且绝缘监测漏电流传感器更换需要断电拆线；监测漏电流传感器更换需要断电拆线；l 系统到列头柜距离远，接线、故障查找不便；系统到列头柜距离远，接线、故障查找不便；l 将集中供电模式改成多系统分散供电模

20、式，分散将集中供电模式改成多系统分散供电模式，分散系统风险，将直流系统与列头柜合一，也就是系系统风险，将直流系统与列头柜合一，也就是系统直流配电直接替代列头柜；统直流配电直接替代列头柜；l 由于下层支路数大幅减少可以去掉支路绝缘监测由于下层支路数大幅减少可以去掉支路绝缘监测，保留母线绝缘监测，支路绝缘故障采用移动便，保留母线绝缘监测，支路绝缘故障采用移动便携绝缘巡检仪人工查寻；携绝缘巡检仪人工查寻；可靠：可靠：l 宽电压输入宽电压输入323475Vac,电网适应能力强；电网适应能力强；l 模块二极管隔离或熔断器保护输出，确保直流母线安全；模块二极管隔离或熔断器保护输出，确保直流母线安全；l 模

21、块采用先进成熟的原理电路；器件全部采用一流器件供应商模块采用先进成熟的原理电路；器件全部采用一流器件供应商；先进的测试设备和完善的质量控制体系；先进的测试设备和完善的质量控制体系 MTBF27万万Hs;l 无级温控风冷，延长风扇寿命，减少风扇噪音、灰尘；无级温控风冷，延长风扇寿命，减少风扇噪音、灰尘；高效、绿色：高效、绿色：l 三相三线有源功率因数校正，无中线，功率因数三相三线有源功率因数校正，无中线，功率因数0.99, 满载满载THDI小于小于5%；l LLC串联谐振软开关变换，整机满载效率高达串联谐振软开关变换，整机满载效率高达95.5%,功率密度功率密度高达每立方英寸高达每立方英寸27w，体积小重量轻；电磁兼容好；，体积小重量轻；电磁