科华240V高压直流电源系统介绍.doc

科华240V高压直流电源系统介绍第一章 概述随着信息技术的发展与数据业务的迅速扩大，尤其是高功率密度设备的大量应用，使得“建设节约又安全的通信供电系统”成为了各大通信运营企业关注的焦点，对通信电源也提出了新的运用要求。240V高压直流电源系统是配合通信行业动力系统方案升级而推出的一款新型的大功率，高效、节能、环保的新型智能化电源系统，符合国家节能、降耗、减排的产业政策；降低通信系统运行能耗，提高可靠性的最佳动力系统方案。图1是IT设备的电源工作原理，由上图可见,虽然IT设备输入是交流电源，但核心部分还是DC/DC变换电路，我们只要输入一个范围合适的直流电压给DC/DC变换电路，就同样能安全满足IT设备工作。因为输入端没有工频变压器，所以输入直流不会产生短路阻抗，就没有必要非得交流输入，不用交流也就没有必要用UPS，由此因UPS交流供电引起的一切不利因素也就自然而然地消失了。如果我们输入的直流合理配上蓄电池，辅以远程监控，构成一个可靠的直流供电系统，就可取代UPS交流供电系统高压直流电源系统的的工作原理框图如图2所示：240V高压直流电源系统包括PFC AC/DC市电整流升压电路、DC/DC变换电路、输出滤波电路、监控器、电池组等部分。在市电正常时，输入通过PFC升压成稳定直流电压，供给DC/DC变换器，输出稳定的240V直流，同时完成对电池的充电。当市电异常时，电池通过直接给负载供电。由于采用世界领先的“三相三线功率因数校正技术”、“谐振电压型双环控制的谐振开关电源技术”，具有体积小、重量轻、效率高、功率因数高、输入电流波形失真度（THD）低、高可靠等优点。240V高压直流电源系统主要由整流柜（整流模块、监控模块）、交流配电柜、直流配电柜(列头柜)，电池柜（含电池管理）四大部分构成，如图3所示。图3 直流电源系统的基本组成结构整个系统采用模块化进行设计，在提高电能使用效率，降低本身损耗，提高可靠性有了很大提高。同时，根据负载大小可以调整模块工作的数量，使系统能够工作较高的转换效率。再者，系统的割接改造更为方便，直流电源只要做到电压和极性相同就可以连到一起。240V高压直流电源系统优点：l 一次能源变换，效率高l PFC变换，谐波小，功率因数高l 电池直接供给负载使用率高第二章 科华240V高压直流电源系统介绍科华240V高压直流电源系统采用全数字控制技术、系统智能化监控理念进行研制的大功率、高智能、高可靠、节能、环保的绿色电源系统；主核心模块采用CAN接口，配件以及选件模块采用RS485接口，系统可灵活配置，易于扩展。以下简述各部分的组成、功能、基本配置、扩容等。为了满足不同客户需求，减少非标产品的制作难度，整个系统的设计采用模块化方式，即整流模块、配电监控模块、系统监控模块、电池管理模块四大功能模块，灵活组合各种不同配置，不同容量的系统。高压直流电源系统应用框图如图4所示； 图4 科华240V高压直流电源系统应用框图机柜采用标准的800 * 800 * 2000机柜，系统包括监控模块（触摸屏）、配电监控模块、整流模块（5+1模式）、绝缘监察模块、模拟量监测模块（选件）、开关量监测模块（选件）、电池巡检模块以及电池组，各个模块的主要功能如下：1. 监控模块：主要功能为完成系统运行参数显示、系统参数设置、历史记录存储、与上位机监控平台信息交互；RS485信息交互接口。2. 配电监控模块：主要功能为交流配电、直流配电监控，配电模块开关量监测，配电模块绝缘监察，与整流模块信息交互实现整流模块的数字化均流，系统智能调度；CAN、RS485信息交互接口，CAN接口实现与整流模块的信息交互，RS485实现与显示模块、配件或选件模块的信息交互。3. 整流模块：整流模块是系统的核心部分，它将交流变换成直流（AC/DC），给负载供电，同时对电池充电，实现模块数字化三电平三相APFC输入功率因数校正，数字化三电平DC/DC变换，可由配电模块DSP进行智能调度，额定输出240VDC/40A，最大功率12KW；CAN以及RS485信息交互接口。4. 绝缘监察模块：实现直流配电柜各支路绝缘监察，RS485信息交互接口。5. 模拟量监测模块：实现直流配电柜个各支路模拟量(支路电流)监测，RS485信息交互接口。6. 开关量监测模块：实现各支路开关量监测以及远程辅助控制，RS485信息交互接口。7. 电池巡检模块：实现对电池端电压检测、电池内阻检测（预留）、电池电压均衡性监测、电池温度监测等，对于电池内阻监测功能本次设计先不考虑，后续进行完善。8. 电池组：电池组是保证不间断供电的关键，在交流停电时，由蓄电池给负载供电科华240V高压直流电源外观如图5图5 科华240V高压直流电源外观图2.1 产品特点本产品为新一代的数字化模块化产品，将具有以下特点：1）系统监控功能完善，高智能化；2）智能化系统具有高效节能模式（由配电监控模块智能调度）、电池温度补偿等功能；3）整流模块数字化均流，不均流度将优于3%;4）模块化设计，系统N+1冗余模式，易于扩容，具有高可靠、高效节能等优点；5）由于模块采用了全数字化设计，大大提高了系统的智能化控制程度，可方便实现模块智能调度、输出电压智能调节、输出电流智能调节、模块功率限制等；6）模块的热插拔设计，方便维护；7）显示触摸屏设计，人机交互界面友好；8）整流模块与配电模块采用CAN总线设计，其余模块采用RS485总线扩展设计方案， 系统可根据实际需求灵活配置。2.2产品应用范围 本产品为一种新型的不间断电源产品，主要专门为通信用的IDC机房等应用场所而设计。240V高压直流系统输出的是240V的直流电，用直流电给交流负载供电必须确保所接负载是开关整流型负载（如普通PC机、网络交换机、光纤收发器、 服务器、磁盘阵列等IT设备），非开关整流型的交流负载（如照明、空调、消防以及所有感性负载等）不能用此系统供电，否则会损坏负载）此外，还有以下几点要注意：l 服务器若是含有频率检测功能，则直流系统不能使用，需要经过上电后测试确认l 小型机由于是早些年购买的，上电前要检测输入电阻，若为几十至几百欧姆则不可使用直流系统。l 取消保护接地就近接地的习惯，直流供电系统范围内全部采用三芯线第三章 240V高压直流电源系统性能指标3.1基本电气环境要求 型号指标240V高压直流电源系统输入特性电压范围380V（-30%+40%）电压谐波含量5%电流谐波含量100%负载5%50%负载10%功率因数100%负载0.9950%负载0.98缺相工作情况缺相保护频率范围 (Hz)4066接入方式三相三线、地线电池电压(Vdc)240适用电池容量100AH2000AH（可任意配置）输出特性功率(kW)72（可扩展，最多480KW）额定输出电压(V)240输出电压范围180V300V 连续可调输出电流等级（A）40 * N（N为模块数量）输出限流额定电流（20% 110% ）动态响应(s)在20负载跃变道80负载时恢复时间200S，超调5稳压精度0.5%稳流精度1.0%纹波系数0.5%效率100%负载93%50%负载92.5%并机性能1%（监控系统失效可正常工作，不均流度1%）充电方式均充/浮充（具有手动和自动模式）系统绝缘监测直流母线以及直流支路均设置绝缘监测其它特性绝缘电阻10M绝缘强度输出对地、输入对地、输入对输出施加2.5KVAC, 1min无飞弧无闪络报警功能电池异常、绝缘异常、市电异常、输出异常、模块异常、系统故障防护等级IP20面板显示友好的LCD触摸屏人机互动界面音频噪声 (dBA)65dB保护功能交流输入过压欠压保护、直流输出过压欠保护、输入缺相保护过载保护、直流输出过流保护、短路保护、过温保护防雷等级交流配电C级，直流配电C/D级（选配）冷却方式风冷（风扇调速）输出要求正、负极均不得接地，采用悬浮方式供电尺寸 (mm)(宽深高)8008002000重量 (Kg)表1 科华240V高压直流电源主要技术指标3.2环境条件装置在以下环境条件下可正常工作：项 目参 数备 注工作温度-5 +40 ；电信标准储藏温度-40 +70 ；电信标准工作相对湿度90%；402C,无冷凝储藏相对湿度95%；402C,无冷凝大气压力86 KPa106 KPa。噪 音1000m时，应按GB/T 3859.2-93规定降容使用表2 科华240V高压直流电源工作环境指标第四章 240V高压直流电源系统智能监控管理介绍4.1系统具有模块智能调度功能，提高系统效率以及系统最大利用率。1) 模块休眠：当每个模块的负载低于70%时，系统监控模块根据算法，可以任意关闭一个模块，使其处于待机状态，实现系统最佳节能运行。（系统模块至少有3个处于正常工作状态）2) 模块轮休：监控模块可以让休眠模块启动运行，而让在运行的模块进入休眠状态，实现轮流休眠，提高系统模块的可靠性。4.2系统具有智能管理控制功能，用以适应不同应用场合的需求，灵活配置。1) 模块调压：根据监控平台可设置，模块输出电压可以自动、连续调节。2) 模块运行模式控制：模块既可以恒压（浮充）方式运行，也可以恒流（限流）方式运行。3) 模块限流调节：系统可根据实际需求，设置调节模块的限流点。4) 模块监测：监控模块可以随时调取模块的所有状态参数。5) 远程控制：监控模块上传系统运行参数，接收远端控制中心命令，控制系统运行。4.3系统具有电池智能管理功能，延长系统电池组的应用寿命。1) 均浮充控制：系统可根据电池组电压以及充电电流自动管理控制电池均充或电池浮充。2) 定时充放电：系统可根据监控平台的设置要求，可自动完成对电池进行定期充电，定期放电管理。3) 电池智能放电测试：系统电池测试时，可自动调低系统输出电压，让电池带载放电，当电池电压到达设定放电电压时，监控模块控制系统停止放电，进入自动充电状态，用以完成定期对电池自动放电，由于采用此种智能放电方式可以大大提高系统电池测试的可靠性；另外在此种放电测试条件下，系统计算电池的放电容量，判断电池容量的变化程度，用以提示用户。4) 温度补偿：系统根据电池环境温度，可智能调节系统输出电压，完成对电池浮充充电温度补偿功能（补偿范围：1mV5mV/(C.cell），可由监控平台设置）。第五章 240V高压直流电源模块简介5.1 整流模块我公司生产的高频开关电源采用全数字化控制技术，采用三电平拓扑结构，具有体积小、重量轻、效率高、空载损耗低、运行稳定、可靠性高等优点。并采用三相三线有源功率因数校正技术，使得交流输入范围宽，谐波干扰小。配有标准CAN和RS485接口，易于与自动化系统对接，适用于各种容量及电压等级的直流系统。5.1.1 模块主要特点 采用全程软开关技术高频开关管及整流管全部软开关，效率高，空载功耗小。 三相三线功率因数校正技术，功率因数高、输入电流波形失真度（THD）低。 直流输出内置隔离二极管，可以不增加额外措施实现热插拔。 模块具有RS-485和CAN接口，方便接入自动化系统进行通信。 输出过压保护：内置过压保护电路，出现过压后模块自动锁死，模块故障指示灯亮，故障模块自动退出工作，不影响整个系统正常运行； 输出限流保护：每个模块输出电流最大限制为额定输出电流的1.1倍。 短路保护：采用回缩下垂限流方式，模块输出特性先降低输出电压限制输出电流，输出短路时模块在瞬间把输出电压拉低到零。模块可长期工作在短路状态，不会损坏，排除故障后模块可自动恢复工作。 模块并联保护：模块内部并联采用数字化控制，数字化均流，故障时模块自动退出系统，不影响其它模块正常工作。 过温保护：模块检测散热器温度超过85时自动关机保护，温度降低后模块自动启动。5.1.2性能指标表3 三相输入240V输出系列模块特点及技术参数型号KHD240-40输出电流（A）40功率（KW）12重量(kg)13冷却方式强制风冷散热器温升20输入电压 范围（VAC）最小值260典型值380最大值530输出可调 范围（VDC）最小值180典型值240最大值290稳压精度0.5%稳流精度1%输入功率因数0.93最大可闻噪声（dB）55存储温度（）-4060工作环境 温度（）-1040并机不均流度监控正常1%监控异常1%启动延时（秒）38峰-峰值杂音电压0.5%效率100%负载93.5%50%负载93%自动限流特性输出电流超过输出限流设定值时，恒流输出，输出电流不会增大。输出过压保护输出电压超过290VDC模块自动停止输出,以防损坏设备输出低压保护配电监控模块低压保护告警点，默认点：160VDC输出短路保护特性输出短路时，模块自行保护，以防损坏，排除故障可自动恢复工作。绝缘强度输入对机壳2500VAC 1分钟10mA 无击穿、无飞弧输入对输出2500VAC 1分钟 10mA无击穿、无飞弧输出对机壳2000VAC 1分钟10mA无击穿、无飞弧模块工作方式自动模式接受系统监控模块调度手动模式适用于模块单独工作，浮充态限流输出（272.55VDC）5.2 配电监控模块直流240VDC直接作为模块输入电源，电源范围：90VDC300VDC。主要功能是检测输入和输出的参数状态，并通过485总线将信息上传给主监控平台。1） 交流配电方面，输入通过监测交流配电开关量、交流电压以及交流电流，上报主监控模块用以显示，并且通过主输入电压判断用以控制模块工作。2） 直流配电方面，监测系统直流配电空开开关量、电池组电压、电池充放电电流、直流母线电压、模块总负载等。3） 整流模块方面，配电监控模块与整流模块之间通过CAN总线进行通信，监测整流模块的输出负载总电流，对各整流模块下发模块电流限流点命令，实现整流模块进行数字均流；配电模块可对整流模块进行智能调度，控制整流模块进行休眠，提高系统的利用率以及模块的可靠性；配电监控模块接收主监控模块（整流模块额定输出电流限流点）设置信息后，通过CAN通讯下发给各整流模块4） 电池管理方面，配电监控模块可对系统进行均浮充自动装换参数进行设置，并对电池电压和电流进行监控，防止电池过压过流。电池处于浮充状态，可对电池进行容量测试。5） 其他监控，包括防雷器空开，温度监测，绝缘监测等5.3 LCD监控触摸屏模块模块电源由系统输出240VDC直流电源经过DC/DC装换成为模块输入的24VDC电源，24V电源模块电压范围：90VDC300VDC监控模块监控方案如图6所示图6 主监控方案通过485总线，主监控触摸屏与配电监控模块、开关量模块、电池巡检模块、模拟量模块和绝缘监测模块进行通信，各模块将检测到的数据上传给触摸屏进行信息显示，触摸屏通过人机互动下发设置信息给各个模块。5.3 配件小模块5.3.1 绝缘监测模块240VDC直流电源直接作为模块输入电源，电源范围:90VDC-300VDC。负责监测母线绝缘、支路绝缘，并通过RS485接口将数据上传到监控主机。1个模块具有最多可监测64路直流支路绝缘，最多可扩展15个模块监察内容1）接收主监控模块下发的监察通道设置，通过配电监控模块协调，实时在线监察每路支路的绝缘状况。2）通过RS485通讯实时上报每个支路的绝缘电阻值（包含：支路编号以及绝缘阻抗）。通过RS485通讯实时上报异常接地支路编号、极性、绝缘电阻值（测量误差不大于整定值的15%）。5.3.2 模拟量检测模块240VDC直流电源直接作为模块输入电源，电源范围:90VDC-300VDC。1个模块具有最多可监测64路直流支路电流，最多可扩展15个模块。可通过触摸屏设置电流霍尔额定值。检测内容1）接收主监控模块下发的模块监测通道数量以及霍尔规格，模块根据通道数量进行各支路电流巡检。2）通过RS485通讯实时上报每个支路的电流值（包含：支路编号、支路电流）5.3.3 电池巡检模块240VDC直流电源直接作为模块输入电源，电源范围:90VDC-300VDC。1个模块具有最多可监测64节电池端电压（兼容2V/6V/12V规格电池），最多可扩展7组电池。可通过触摸屏配置电池规格和电池组数。监测内容6） 接收主监控模块下发的模块巡检通道数量以及电池规格，模块根据通道数量进行各节电池端电压巡检。2）通过RS485通讯实时上报每节电池端电压（包含：电池编号、端电压）。5.3.3 开关量检测模块240VDC直流电源直接作为模块输入电源，电源范围:90VDC-300VDC。1个模块具有最多检测64个开关量，最多可扩展15个模块，通过主监控平台进行配置。单模块最多可配置8个输出辅助控制口。可通过触摸屏设置模块开关量通道数和模块数量。监控内容1) 接收主监控模块下发的模块监测通道数量，模块根据通道数量进行各个开关量巡检。2) 接收配电监控模块下发的控制命令，控制相应辅助功能配置口，预留功能。3) 通过RS485通讯实时上报每个监测的开关量信息（包含：开关量编号、状态）。