高压直流可靠性设计

高压直流可靠性设计

杭州中恒电气摘要

HVDC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07年的实验，08-09年试点到2010年推广使用，已经从通信运营商、互联网、IT行业逐步渗透到部队、医院到金融、政府等机构中。HVDC在数据机房中全面替代UPS只是时间问题。

随着HVDC日益广泛的使用，如何能够保证HVDC高性能、高可靠性是用户最关注的问题，本文就产品的选择、系统的部分可靠性设计做一些探讨以供用户参考。

关键词:HVDC、整流模块、功率因数、THDI、效率、可靠性一、整流模块的选择

整流模块是HVDC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：

1、三相三线输入

优势；无中线，三相自然平衡，与ATS自然对应(ATS无中线切换），减少了中线断线故障。

2、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。

3、40%--70%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，仅仅只是满载高效没有太大的实际价值。

20%90%15%60%45%30%75%100%40%60%80%100%效率负载高指标实低效曲线有效效率曲线

由于HVDC功率大，效率高经济意义十分重大

，如效率94%与95%的336V/400A系统，按同样70%的带载率计算输入功率相差

△P=P1-P2

=P0

/η1-P0/η2

=P0(η1-η2)/η1η2

=378*400*0.7*0.01/(0.95*0.94)=1185W每年系统省电1185*24*365=10380.6kwh，空调省电(时间按半年，能效比按2.5计算）(10380.6/2.5)/2=2076.12kwh,合计节电12456.7度电。每瓦1元，大约是系统投资的10%，同时还减少了各种污染排放。

4、热插拔、自动寻址

优势：维护方便快捷,更换模块无需重新设置地址；

整流模块工作原理CAN交流输入EMI三相有源功率因数校正APFC双LLC串联谐振交错变换直流输出EMIDC/DCDSPAPFCDSP三相三线交流输入DC输出VrfIrfV01fV0fI0fZHR33615KZHR3366K二、系统设计

1、交流三相输入总空开

交流输入最低电压最大空开电流

IM=P0/(η*1.732*UL*PF)P0---系统额定输出功率；

η----系统最低输入电压下的效率；

UL----系统最低输入电压；

PF----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，并留有20%以上的余量，同时上级空开必须保证2-3级的极差。2、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、全恒功率和限流恒功率型

1）全恒功率型

系统模块总数=〔（负载额定功率/0.8)+电池均充电压*充电电流〕/单模块额定功率+M(小于10+1，大于10，每10个+1）。〔〕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很宽，单节2V电池最低电压1.7V,均充2.35V,相差38%，也就是维持恒功率输出输出电流要放大1.38倍，这势必增加了模块的成本，而且，模块99%以上的时间都是工作在浮充电压以上的工作区域，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的输出能力。

系统模块总数=〔（负载最大电流/0.8)+电池均充电流〕/单模块额定电流

+M(小于10+1，大于10，每10个+1）。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。

3)限流恒功率型

系统模块总数=〔（负载最大电流/0.8)+电池均充电流〕/单模块最大输出电流

+M(小于10+1，大于10，每10个+1）。

如某240V系统，负载额定功率160kw,负载最大输出电流=160000/204=784.3A,配置800AH电池,充电电流80A,选用15kw模块最大输出电流55A,模块总数=〔784.3/0.8+80〕/55=19，再加2个备份共21个模块，如果选用全限流型50A模块则需要23个。

225V200V300V250V275V60A10A40A30A20A50A70A全限流型限流恒功率型全恒功率型3、电池设计

1）容量设计在一定延时时间要求下，电池应按恒功率曲线在24℃放电至1.85V选择电池容量，并留有20%的余量。2）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1.5倍或以上，如果是2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，也就是每组电池的熔断器额定容量都是负载最大电流的1.5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，而不是系统电压的一半！3）电池欠压保护

欠压声光预警、

紧急告警二级告警；

负荷开关或断路器手动

或自动欠压脱离保护；负载电池组负荷开关短路4、输出分路熔断器

1）单路负载最大输出电流；

2）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;6、系统宜采用单系统双回路或双系统双回路;7、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交流配电电池组1电池组2动力环境集中监控直流配电列头柜配电监控绝缘监测配电监控电池巡检监控单元RS485RS485/232AC1AC2CAN浮地系统三、336V系统产品336VHVDC12V服务器电源系统336VDC中恒电气HVDC系统12V输出接口A12V输出接口B服务器服务器336VDCPDU12VDC/DC模块工作原理CANEMI滤波LLC串联谐振变换EMI滤波DC/DCDSP336VDC直流输入12VDC输出VrfV0fI0fZHD121K高频整流12V电源主要技术指标

输入输入电压范围280--410VDC最大电流小于4.5A最大冲击电流小于5.5A输出电压范围12V±0.2V额定功率1200w,额定电流100A最大电流110A效率在30~100%额定输出时>96%最大效率97%稳压精度≤±0.5%稳流精度≤±0.5%输出Vp-p≤100mv动态响应恢复时间≤200us，超调幅度:≤±2.5%软启动时间≤5S音响噪声≤50dB工作环境工作温度-5℃～40℃相对湿度90%存储温度-40℃～70℃绝缘耐压≥2000Vac绝缘电阻≥10M

可靠性指标MTBF37万小时机械参数规格尺寸mm（WXHXD重量小于1kg,标准组合式系统ZHDCS336450ZHDCS336300尺寸：800*600*2000配置清单：1、整流模块：ZHR3366K20个

ZHR33615K12个,2、监控：ZHM07H或ZHM053、交流输入空开：

250A*2，手动切换3、蓄电池分路：4路630A熔断器

(2正2负)4、输出分路：4路125A~250A

（4正4负）

电流采样盒1个：4路支路电流

监测；

绝缘主控盒1个：4路支路巡检ZHDCS336600配置清单：1、整流模块：

ZHR33615K16个,2、监控：ZHM07H或ZHM053、交流输入空开：

630A*2，手动切换3、蓄电池分路：4路1000A熔断器

(2正2负)4、输出分路：10路250A~400A

（10正10负）

电流采样盒1个：10路支路电流

监测；

绝缘主控盒1个：10路支路巡检标准二分屏系统ZHDCS336900标准五分屏系统配置清单：1、整流模块：

ZHR33615K24个,2、监控：ZHM07H或ZHM053、交流输入空开：

630A*2，手动切换,

400A*4

3、蓄电池分路：4路1250A熔断器

(2正2负)4、输出分路：20路250A~400A

（20正20负）

电流采样盒2个：20路支路电流

监测；

绝缘主控盒1个：20路支路巡检一体化系统大容量系统集中度高，风险比分散供电大；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,而且绝缘监测漏电流传感器更换需要断电拆线；系统到列头柜距离远，接线、故障查找不便；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，也就是系统直流配电直接替代列头柜；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携绝缘巡检仪人工查寻；可靠：宽电压输入323—475Vac,电网适应能力强；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MTBF＞27万Hs;无级温控风冷，延长风扇寿命，减少风扇噪音、灰尘；高效、绿色：三相三线有源功率因数校正，无中线，功率因数0.99,满载THDI小于5%；LLC串联谐振软开关变换，整机满载效率高达95.5%,功率密度高达每立方英寸27w，体积小重量轻；电磁兼容好；双DSP数字控制，控制精度高、抗干扰能力强；恒功率输出，提高了低压电流输出能力;具备完善可靠的休眠、唤醒功能自动实现效率最大化；产品的主要特点安全：悬浮接地系统、母线绝缘监测、支路绝缘监测保证人身安全；交直流母排绝缘护套及增加隔离区和安全警示；柜体接