公共直流母线范文（精选7篇）
公共直流母线 第1篇
关键词：链式变流器,电池储能系统,移相全桥DC/DC,公共直流母线
0 引言
电池储能是最早应用于电网的储能技术,相关工程中装置容量已达几十兆瓦[1],容量的增大使其有必要接入更高电压等级的配电网。出于可靠性考虑,电池储能模块的端电压不会很高,为几百伏,在变流装置之外通常还需经过升压来可靠并网[2]。而对于城网储能装置,工频变压器的成本、占地和噪声都是需考虑的。同时,电网对电能质量要求越来越高,也成为引入多电平变流技术的动力。
链式拓扑作为一种模块化多电平结构,被广泛应用于大容量无功补偿装置[3,4],该结构省去了工频变压器,并具有模块冗余运行等优良特性。在国内外许多研究中,也尝试采用链式拓扑将电池、超级电容等电压源型储能模块接入电网[5,6,7],储能模块被并联在原有无功补偿装置的单元直流侧,实现较为简单,控制系统没有有功输出的限制,可运行于4个象限。但是,目前基于链式拓扑的电池储能系统存在以下问题:①储能元件的总串联数受接入网电压等级限制,因储能元件无法直接并联,装置容量与直流电压直接相关,设计不够灵活,装置难以拓展;②传统链式结构不允许单元模块共用直流侧,而三相直流侧分离会造成功率的二倍频波动,对电池的运行,尤其是电池的充电维护产生负面影响;③同相各单元流过相同的电流,各储能电池模块必须同时进行充放电,最早结束充放电的模块将成为决定系统容量的瓶颈因素。这一特性使得链式系统的模块冗余很难在储能系统中实现,因为很难保证串入的模块具有与其他模块相同的放电深度。文献[8,9]中提出了以电池荷电状态为反馈量的充放电均衡控制,用以解决问题③。而受限于电池最大电流,当荷电状态差异较大时通常需要多个充放电周期实现平衡,其间储能容量受到限制。为解决以上问题,将链式多电平变流器引入大容量城网储能,本文提出了一种基于公共直流母线的可拓展电池储能系统。
1 基于公共直流母线的链式储能
基于公共直流母线的链式电池储能系统结构(以交流侧三角形连接为例)见图1。链式变流器的各个单元通过公共直流母线与不同类型、不同容量的储能电池组相连。每一单元包括H桥逆变单元和DC/DC隔离单元[10];各组储能电池通过独立的DC/DC接口单元并入直流母线,同时,直流母线上还可加载直流负荷,或通过DC/AC变流器驱动交流负荷,实现电网故障时对重要交、直流负荷的可靠供电。
DC/DC隔离单元采用全桥移相结构,见图2。图中:ubus为公共直流母线电压;uxi(x为ab,bc,ca;i=1,2,…,n)为单元直流电容电压;两端变流器分别产生50%方波电压uTL和uTH;T为高频变压器;LT为变压器串联电感与变压器漏感折算到低压侧之和;Cbuf为缓冲电容。uTL与uTH之间的移相角ϕ可控,作用于变压器T上,产生近似于梯形波的高频交变电流,通过调节ϕ,可实现有功功率的双向传输。变压器的高频化极大地降低了铁芯的体积,使变流器的设计更趋模块化,便于系统升级扩容。
DC/DC电池接口单元由非隔离型Boost/Buck变流器组成,其拓扑如图3所示。当功率由电池流向直流母线时,单元运行于Boost模式;当功率由直流母线流向电池时,单元运行于Buck模式。电池接口单元采用三角波比较法生成开关管门极脉冲,控制流过平波电感Lbat的电池充放电电流,在多组电池并联时还可利用载波移相技术[2]将m组接口单元的脉冲彼此错相2π/m,使其与直流母线间交换的脉冲功率均匀分布于一个开关周期内,以减小母线电压波动。
基于该类储能系统的模块化及可拓展性,公共直流母线上不但可以加载各种交、直流负荷,也可并入各类分布式发电设备,构成一个相对独立的局部直流供电系统。链式变流器作为直流系统与交流电网的接口,其容量可通过增减单元数量灵活调节,并可以提供冗余模块以提高可靠性。在含有直流母线的微电网领域[11]具有良好的应用前景。
相对较低的直流母线电压也使得功率MOSFET等低通态压降开关器件得以应用,从而提高装置的能量转化效率。文献[12]中分析了DC/DC隔离单元的能量转化效率,经试验证明,运行于软开关区域的隔离单元效率可以达到97%。而且若采用新一代的基于碳化硅(SiC)的开关器件,有望将效率提升至99%以上。这使得该类链式储能系统在经过多级电力电子变换后仍具有与工频变压器升压类储能装置相近的效率,为应用于大规模城网储能提供了基础。
2 储能系统控制体系设计
本文提出的储能系统控制体系可以分为3个部分:电池接口单元控制、隔离DC/DC单元控制和链式DC/AC控制。它们之间的关系如图4所示。
电池接口单元负责按运行计划管理电池充放电,其控制器只需采集直流母线信息,而不必与其他控制器传递信号,相应物理装置也可在直流母线所及范围内独立存放。
在隔离DC/DC单元的控制中,母线电压控制器将母线电压ubus与参考值间的误差经比例积分(PI)控制器放大,为隔离单元控制器生成统一的电流参考值;单元均压控制器采集各相串联单元的直流电容电压uxi,按式(1)计算平均电压uaver,并根据单元电压与电压均值之差计算出各单元参考电流校正量ΔiLr_xi。统一电流参考值与校正量之和即为每一隔离单元的电流参考值iLr_xi。
在链式DC/AC控制中,单元平均电压控制器借助稳定单元电压均值uaver来调节注入交流系统的有功功率,并根据无功输出计划与电网电压信息确定装置输出电流。idr和iqr分别为dq坐标下直/交轴电流参考值;链式DC/AC采用直接电流控制策略,i0r为三角形连接系统零序电流参考值,计算得到的各相电压参考值uabr,ubcr,ucar经由脉宽调制(PWM)控制器生成合适的开关脉冲。
控制体系中3个部分控制器间相对独立,凭借母线电压ubus及uab1～ucan等单元电压信号的变化来控制有功流动。因直流母线通过各串联单元同时与三相电网交换功率,在电网三相平衡时交换功率为直流量,从原理上消除了链式储能拓扑中直流母线电压的二倍频波动。
3 储能系统各部分控制器设计
3.1 电池接口单元控制
以第k组电池为例,电池接口单元控制策略见图5。其中:ibkr为电池充/放电电流参考值;
3.2 隔离DC/DC单元控制
隔离单元采用图2中的双主动全桥移相结构实现,可通过Cbuf与LT之间的谐振使变流器运行于软开关状态[10],以减少装置损耗。设x相i单元直流母线注入隔离单元的电流为iLxi,则其在一个开关周期内的平均值
式中:ϕxi为移相角,在±π/2以内;ωdc为开关角频率。
在正常运行时母线电压可视为常数,在±π/2的运行区间内,
参考电流校正值ΔiLr_xi可按下式计算:
式中:KLr为比例控制器系数。
3.3 链式DC/AC控制
链式变流器的功率控制策略如图7所示。图中:udcr为直流电压参考值;Q和Qref分别为系统无功及其参考值。在锁相环准确跟踪电网相位的前提下,装置输出的有功/无功分别与dq坐标系中直/交轴电流成正比,iqr可由usdiqr=Qref开环算出,usd为系统d轴电压。KE/s为积分器的频域特性,作为定无功控制下的稳态误差校正。根据给定的i0r,idr,iqr被折算为静止坐标系下的线电流参考值iabr,ibcr,icar,用于电流控制器。系统三相平衡时,控制i0r为0可使输出各相平衡,当电网因故障等原因不平衡运行时,也可通过i0r来调节流过系统各相的功率。
电流控制器采用分相瞬时电流控制策略[13],该策略可等效为带电压前馈的PI控制器,具有三相独立控制、响应迅速、鲁棒性好等特点。链式变流器根据电压参考值uabr,ubcr,ucar,由载波移相PWM控制策略[14]生成合适的开关脉冲。
与同等容量的变压器升压型装置相比,通过链式变流器接入电网的储能系统在输出波形质量上具有较大优势。附录A图A1比较了3组H桥串联的链式储能与变压器升压型储能系统的输出电压谐波成分。链式拓扑也可在提高H桥串联数的同时采用较低容量的开关管,达到更高的开关频率。
4 电磁暂态仿真实验与分析
为检验系统拓扑与控制的有效性,本文基于EMTDC/PSCAD软件,设计了一组75 kW的链式储能系统样机。系统交流侧为三角形连接,接入网线电压700 V,50 Hz;ab,bc,ca相各串联3个单元,共3组电池与负载一起并联于直流母线上,负载以并联阻抗来表示。附录A表A1～表A3分别给出了电池接口单元、隔离单元与链式DC/AC的参数。
在稳态运行条件下,3组电池各输出100 A电流,装置向电网输出单位功率因数电流,系统运行曲线见图8。其中交流侧ab相线电流iab能准确跟踪参考值iabr,且与线电压usab同相(为视图方便,usab为实测值10%);分离的三相直流单元均产生100 Hz的波动,在单组变流器流过8.3 kW功率时,电压波动幅值约7 V。同时,由于各相单元直流侧电压波动彼此间互差π/3,在直流母线处互相抵消,因此,ubus中只存在开关频率附近的高次谐波。
稳态下,直流母线上并联的3组电池输出电流与隔离单元的电压/电流曲线分别见图9、图10。
图9中ib1,ib2,ib3为3组电池输出的电流,仿真中3组电池的接口单元采用统一控制器,因此可以通过三角载波移相的手段使电池电流纹波彼此错开π/3(如放大图所示),使各单元平波电感Lbat中的能量轮流注入直流母线,具有减小母线电压纹波的作用。
图10中uTL和uTH均为50%方波(为视图方便,电压为实测值5%),彼此间移开ϕ角度,功率由相位超前一侧流向滞后一侧;流过变压器低压侧的电流i
隔离DC/DC单元的均压控制策略效果如图11所示。在仿真时刻0.3 s前未引入均压控制,虽然电压均值uaver仍稳定在600 V,但由于累计误差等原因,各单元电压发散;在0.3 s时刻加入均压控制策略,各单元电压在0.2 s后基本相同。参考电流校正系数KLr可以用来调节均压的速度,但要考虑到单组隔离单元的最大传输功率限制。
并联于直流母线上的各组电池可独立调节充放电功率。在仿真时刻0.25 s,第2组、第3组电池由100 A放电切换为80 A充电,电池电流曲线与系统直流电压曲线见图12。由于电池电流的变化,装置与电网间的功率由75 kW变为-25 kW(输出为正),母线电压与各单元直流电压均有跌落,在20 ms后恢复稳态。
母线上负荷的增减可等效为相应功率的电池充放电变化,母线及单元直流电压具有类似于图12中的特性。系统中若并入风能、光伏等分布式发电设备,其波动的功率对链式系统的影响及平抑策略将在以后的研究中涉及。
5 结语
本文分析了传统变压器升压型储能系统及链式储能系统在接入高电压等级配电网时面临的诸多问题,并在此基础上提出了一种共用直流母线的新型链式储能系统,该系统采用若干组高频变压器代替传统的工频变压器,并通过多组电池共用直流母线的结构解决了接入网电压对电池串联数的约束及链式变流器直流侧分离带来的二倍频功率波动等问题,易于模块化,可灵活拓展,也可在直流母线上接入各种分布式电源,构成一个相对独立的分布式直流系统。基于EMTDC/PSCAD的仿真结果验证了相关控制系统的有效性。实际系统可拓展为更多链节,在更低开关频率下达到理想的输出波形质量。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
公共直流母线 第2篇
关键词：电磁搅拌,公共直流母线,Profibus-DP,应用宏
1 电磁搅拌概述
电磁搅拌技术已经成为连铸工艺上的一项成熟技术,也是现代连铸的一项重要冶金工艺。电磁搅拌具有搅拌液体金属、降低过热度、扩大等轴晶区及减轻偏析和缩孔等缺陷的作用[1]。电磁搅拌器按其安装位置可以分为结晶区电磁搅拌(MEMS)、二冷区电磁搅拌(SEMS)、末端电磁搅拌(FEMS)。由于连铸工艺对电磁搅拌的特殊要求,控制系统要能有稳定地提供低频大电流的变频电源,且输出频率和输出电流能互相调节。湖南科美达电气股份有限公司通过集成和改造并编制特殊应用软件把VACON公共直流母线产品成功应用于兴澄特钢φ900圆1机×3流连铸机上,控制系统已经成功申请专利[2](公共直流母线电磁搅拌器控制系统,专利号:ZL 200920259065.2)。
2 VACON公共直流母线系统接入SIEMENS Profibus-DP网络的软件环境
西门子S7系列PLC在国内钢铁行业应用十分普遍。VACON变频产品功能非常强大、开放,类似于一个小型PLC,符合IEC61131-3标准。NXI逆变装置接入Profibus-DP网络中。通过Profibus-DP,PLC主站能够监视NXI逆变装置的运行状态和参数,能够根据操作员的设定来改变NXI逆变装置的内部参数。从2009年5月投运以来,系统使用情况好,网络数据传输正确、稳定,零故障运行。
VACON也和其他非西门子品牌变频产品一样,不能直接接入Profibus-DP,必须通过第三方通信卡,VA-CON有2种兼容Profibus-DP的通信卡:OPT C3卡和OPT C5卡,采用OPT C5卡。将C5卡插入NXI逆变装置的E槽,并用总线电缆与Profibus-DP主站(这里为S7-315-2DP)的DP口连接,在这条电磁搅拌专用Profibus-DP网络上接入了6套NXI逆变装置(见图1)。
使用OPT C5卡需要在PLC编程软件STEP7中配置一个GSD文件,可在VACON.com.cn中下载vac29500.gsd。然后在STEP7编程软件中的HW Config下安装此GSD文件,在硬件组态中接入到ProfibusDP网络中作为从站,设置相关参数。
在STEP7中,数据类型选择、从站组态、数据地址画面分别如图2、图3、图4所示。
安装完成GSD文件后,选择需要的数据类型,配置PPO5。然后,配置Profibus-DP网络上NXI逆变装置从站地址(4-9)。
3 使用OPT C5卡的设置
(1)设置从站地址,要和PLC组态中的统一。
(2)设置数据类型,要和PLC组态中的统一。
(3)设置通信波特率,可在9.6K~12Mbps中选择,通常设置为1.5Mbps。
其他不需要设置,这也是VACON的一个特点,很多逻辑可以在编制的应用宏中直接用软件改掉,不需要外围硬件设置。
4 电磁搅拌特殊应用的软件描述
前面介绍的是硬件配置、网络环境和参数设置,这满足了系统的组态和数据传送要求。但是电磁搅拌的特殊应用是要V/F解耦,电流和频率完全单独调节,并长期低频大电流运行。编制简易流程图,如图5所示。
通过NC61131-3来编制特定的电磁搅拌应用宏。编制各传送通道、关于电流和频率单独调节后的电流PID调节界面分别如图6、图7所示。
通过NC61131-3设计完特定程序后编译。通过NCLoad下载特殊应用宏界面如图8所示。
这时NXI逆变装置已能满足电磁搅拌特殊应用软件要求。然后根据设计的程序接口地址来发送和接收对应数据,再加上配套的外围设计电路(主要是匹配的充电电路)。
5 结语
公共直流母线电磁搅拌器控制系统的特点在于多流连铸电磁搅拌器的控制系统对主电网受电是通过单独的整流柜,然后由公共直流母线给各流的电磁搅拌器逆变电源柜以直流形式供电,多流逆变柜输出驱动各对应流的电磁搅拌器。本控制系统只需一个变压器、一个输入主断路器、一组输入滤波装置、一组整流装置,可以给多流电磁搅拌器提供稳定的工作电源,极大地提高了系统的灵活性和稳定性。
参考文献
[1]张长利,陈永,沈厚发,等.大方坯结晶器电磁搅拌流场的数值模拟[A].第8届全国连铸学术会议论文集[C]
公共直流母线 第3篇
8750-65吊斗铲用于矿岩捣堆, 其工作条件非常恶劣, 经常出现过大的冲击载荷, 甚至堵转。因此, 吊斗铲对电气传动系统就有较高的要求:要求电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大, 有足够的有用功率;要求有良好的调速性能, 能四象限运行, 能快速地进行加、减速和反转, 动态响应速度快;要求系统制动性能好, 并能回收能量;要求系统运行可靠, 维修方便等。由于吊斗铲对电气传动系统的这些特殊要求, 而世界吊斗铲目前应用的电气传动系统主要还是直流传动系统, 采用晶闸管变流器-直流电动机系统 (简称晶闸管直流系统) , 但这种系统都存在直流电机的固有的缺点, 即维修工作量大、效率较低等。工作时, 逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上, 可供其它工作机构使用, 使能量得到充分利用。使用不完的制动能量, 可以通过制动电阻消耗掉, 而8750-65吊斗铲采用了AFE整流单元, 使用不完的制动能量, 可以通过AFE整流单元回馈给电网。实践证明, 8750-65吊斗铲采用SIEMENS公司的AFE整流单元交流变频调速系统和以往吊斗铲相比, 具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高等优点, 是公认的吊斗铲电气传动系统的发展方向。这一技术的产生和发展为交流调速开拓了广阔的天地, 外交流调速在电气传动行业己占绝对优势, 虽然国内直流调速还在大量使用, 但近年来凡新建的电气传动系统均采用交流调速, 其发展势头是迅速的。
2 吊斗铲直流母线预充电工作过程
吊斗铲有5条直流母线, 预充电前要求系统准备好、高速开关全部闭合、主变油泵和散热风机工作、水系统泵工作, 才能开始直流母线预充电, 5条直流母线就会从0V被升高到1250V, 然后高压柜真空接触器DPC1、DPC2、DPC3闭合, SIBAS控制系统释放AFE整流单元, 直流母线电压将会达到1800V。
2.1 吊斗铲系统准备
吊斗铲系统准备好, 具备启机条件是, PLC系统和SIBAS系统同时监测系统的准备状态正常, SIBAS系统确保没有任何驱动故障, 没有急停按钮被按下, 没有温度故障存在和没有内部SIBAS系统错误。PLC系统将从所有的7个SIBAS机架中读取这个SIBAS系统准备状态信号。为了使母线电压升高, PLC系统也监测吊斗铲其余部分的准备状态信号, 确保没有任何故障出现。如果系统准备灯不亮, HMI人机界面将激活逻辑块, 详细显示故障信息的来源, 为维修人员的维护做准备。
2.2 预充电原理及过程
吊斗铲系统准备好, 当操作者按下系统运行按钮后, PLC系统将发出一个命令, 同时接通5个预充电接触器, 这时每个独立的直流母线将在几秒钟内产生瞬间电流, 电压从0V升到1250V。SIBAS系统负责监测直流母线的预充电电压, 当预充电的电压达到规定值时, SIBAS发送一个“预充电OK”的状态信号给PLC系统。PLC系统等到所有的5个直流母线“预充电OK”信号完成后, 断开所有的预充电接触器, 这时母线电压将慢慢下降直到高压柜真空接触器DPC1、DPC2、DPC3闭合。如果在规定的时间内, PLC系统没有收到所有的“预充电OK”信号, 吊斗铲的会报预充电超实故障和启动顺序故障。如果预充电完成后, PLC系统将按照预先设定好的延时, 分别闭合三个DPC真空接触器。直流母线电压将跳升到1350V。因为没有连接负载, 所以母线电压将在这段时间内产生一定量的波动。SIBAS系统监测到预充电完成和三个DPC真空接触器关闭信号后, 先延时几微秒钟, 再将AFE整流单元释放命令发给AFE的SIBAS机架中的SIPS模块。为了阻止在启动时发生产生AFE故障, 在AFE整流被接通之前, 电压将保持为设定值, 然后母线电压将升达到1800V, 以上就是整个吊斗铲直流母线原理。
摘要：8750-65吊斗铲是世界上第一台无齿驱动吊斗铲, 电气控制也是最先进的, 采用AFE (主动前端整流单元) 整流单元的交流变频调速系统和SIBAS (西门子自动控制系统) 控制系统, 具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高等优点, 是矿山设备电气控制系统的发展方向。吊斗铲条直流母线预充电的作用是, 主要是减小母线回路中冲击电流, 防止电流过大损坏直流母线电容。根据电容的充电时间-t/RC, 如果没有充电回路即R=0, 那么充电时间为0, 相当于电容瞬间充了很大的电流, 这样在电容上会产生很大的电流可能会烧毁电容。
关键词：无齿驱动,AFE (主动前端整流单元) ,SIBAS (西门子自动控制系统) ,直流母线
参考文献
[1]王兆安, 黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.
[2]廖常初.plc基础及应用.机械工业出版社.
高压直流智能母线在数据中心的应用 第4篇
现代社会中, 信息的传递离不开电, 而在信息高速存储传递的数据中心, 电源安全可靠地运行必定是数据中心基础设施建设的重中之重。随着数据中心交流不间断电源容量的不断增加, UPS的应用也越来越广泛, 然而许多事故都与UPS系统有关, 所以使用这种系统越多, 存在的安全隐患就越多。最根本的方法就是采用高压直流供电系统取代UPS供电系统, 实践表明, 这种供配电方案比UPS系统具有更安全、更可靠、更高效的优点。随着高压直流供电系统的大量使用, 电缆的输电方式在性能、安全性、可扩展性等方面均出现短板, 寻找一种更加优化的输电方案迫在眉睫。在传统的供配电中, 交流母线的使用是安全高效的, 若把母线的概念应用到直流供电系统中, 必定可以取代电缆的输电方式, 成为直流供电系统中最具发展力的输电方式。
2 高压直流供电系统的发展趋势
2.1 应用实例已经证明其应用的可行性
高压直流系统代替交流UPS系统为使用交流的负载供电尽管在国内应用还很少, 但是国外早有多次会议对高压直流细节问题进行商讨, 其中包括电压等级的确定、接点/连接器和其他硬件的研发、安全和接地问题等。在国内, 中国电信盐城分公司的成功应用实例, 也为这项技术的更大范围推广起到了很好的示范作用。人们之所以越来越重视这项新技术的应用, 直流系统的安全可靠性就是充足的理由。
2.2 通信发展无疑需要高压直流供电系统
建设节能环保的绿色数据中心是现代数据中心建设的新方向, 选择直接使用高压直流的服务器产品, 以提高效率、降低能耗、减少机房空调系统的制冷消耗, 符合节能环保的新方向、新理念和新政策, 所以高压直流供电系统的应用是数据中心发展的必然趋势。
3 高压直流智能母线的内容
3.1 概念和性质
母线用高导电率的铜、铝制材料制成, 载流量很大而且集肤效应小;另外用金属槽作为外壳, 所以具有不燃烧, 安全可靠性高的优点。除此之外, 母线比传统的配电电缆使用寿命要长, 母线的供配电无需专门的列头柜进行配电, 减少供配电占用面积, 提高空间使用效率。
直流母线排用于解决数据中心微模块系统直流馈线问题。传统数据中心直流馈线有专门的直流列头柜用于布局各个直流分路, 这使得数据中心必须留出一定的面积给列头柜布置, 从而减少了整体空间的使用效率。利用直流母线排方案可以直接节省略直流列头柜而提高空间使用效率。
3.2 特点
采用高压直流智能母线, 具备以下非常明显的技术优势。
1) 高性能。母线采用高密度的铜排或者铝排制成, 集肤效应和电阻小, 电流密度和载流量大, 在使用的时候不需要降容。
2) 高安全可靠性。母线槽由金属封闭外壳制成, 它能够保护高压直流智能母线免受外界损伤, 母线槽的金属封闭外壳还可以作为整体接地, 这种接地非常安全可靠。
3) 线路更加优化。某些分支回路可以通过母线槽进行合并, 并且通过插接箱使之成为一个大的母线槽。这样可以优化线路, 简化电气系统, 得到较多股线低的电流值。因此整体上节约了工程的造价, 并且维护方便。
4) 扩展性好。母线由多段组成, 系统的扩展可通过增加或者改变母线段数来实现, 重新利用率高。
5) 安装简单方便。高压直流智能母线由多段母线组成, 每一段母线体积较小且重量较轻。因此, 安装时所需施工人数少且安装快速便捷。
3.3 性能比较
高压直流智能母线与传统电缆的比较见表1。
4 结束语
目前, 高压直流智能母线的研发及应用还处于初期阶段, 尽管如此, 我们应当看到高压直流智能母线在生产应用中的优势, 以及所带来的社会效益和经济效益。随着高压直流供电系统的日益普及, 电缆的使用已经不能满足性能、安全、维护等方面的需求, 高压直流智能母线的出现满足了高压直流供电系统在输电方面的要求。高压直流智能母线的日益普及是大势所趋。
总之, 高压直流智能母线作为国内IDC数据中心高压直流供电系统的一种全新应用, 仍需在未来的IDC数据中心规划设计中积极探索, 积累经验, 不断完善成熟, 为IDC数据中心的节能、能耗监控和运维做出更多贡献。
摘要：对数据中心高压直流的供配电方案进行研究, 提出一种安全高效的解决方案——高压直流智能母线供配电方案, 并同时对高压直流智能母线的概念、性质、发展前景等问题进行了阐述。
关键词：数据中心,高压直流,智能母线,高效利用
参考文献
[1]李聚聪.浅谈低压母线槽在高层建筑中的选用[J].广东科技, 2008, (200) :179-180.
[2]王平.2009.通信用高压直流供电系统应用探讨[C]//中国通信电源与防雷论坛论文集, 2009:43-45.
[3]王飞.高压直流供电技术及应用前景[J].广东建材, 2010
[4]丁聪.分布式光纤测温系统在IDC机房的应用[J].中国新通信, 2014, (4) .
公共直流母线 第5篇
在化工企业电气传动中,离心机的变频传动应用非常普遍,由于工艺和驱动设备的各种原因,再生能量的现象经常发生,在通用变频器中,对再生能量最常用的处理方式有2种:耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中,称之为动力制动状态;使之回馈到电网,则称之为回馈制动状态(又称再生制动状态)。直流共母线的原理是基于通用变频装置均采用交-直-交变频方式,当电机处于制动状态时,其制动能量反馈到直流侧。为了更好地处理反馈制动能量,人们采用了把各变频装置的直流侧连接起来的方式。当一台变频器处于制动而另一台变频器处于加速状态,能量可以互补。提出了一种通用变频器在化工企业离心机中共直流母线的方案,并阐述了其在离心机上回馈单元的进一步应用。
直流共母线有多种方式:
(1)公用一个独立的整流器。该整流单元可以是不能逆变,也可以是可逆变的。前者能量通过外接制动电阻消耗掉;后者可以充分地将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来,具有更好的节能、环保意义,缺点是价格比前者要高。
(2)大变频单元接入电网。小变频器共用大变频器的直流母线,小变频器不需接入电网,故也不需要整流模块,大变频器外接制动电阻。
(3)每个变频单元各自接入电网。每个变频单元均带有整流、逆变回路并外接制动电阻,直流母线相互连接起来。这种情形多用于各变频单元功率接近的情况。解体后还可以独立使用,互不影响。
介绍的直流共母线为第3种方式,相比前2种有很大优势:共用直流母线可以大大减少制动单元的重复配置,结构简单合理,经济可靠;共用直流母线的中间直流电压恒定,电容并联储能容量大,能减少电网的波动;各电动机工作在不同状态下,能量回馈互补,优化了系统的动态特性;各个变频器在电网中产生的不同次谐波干扰可以互相抵消,减少电网的谐波畸变率。
1 改造前变频调速系统方案
1.1 离心机控制系统
改造的离心机共12台,每台控制系统都一样。变频器为艾默生EV2000系列22kW,恒转矩型,回馈单元皆为加能的IPC-PF-1S,所有控制系统集中在一个配电室中,2台离心机共用一个GGD控制柜。系统图如图1所示。
每台变频器需要1台回馈制动单元,各自的控制系统完全独立。
1.2 刹车时制动工作分析
当离心机刹车时,电动机将处于再生发电制动状态,系统中所储存的机械能经电动机转换成电能,通过逆变器的6个续流二极管回送到变频器的直流回路中。此时的逆变器处于整流状态。如果变频器中没采取消耗能量的措施,这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升,此时电容的直流母线电压抬升,当升至680V时,制动单元开始工作,即回馈多余的电能到电网侧,此时单台变频器直流母线电压维持在680V(有的690 V)以下,变频器不至于报过电压故障。单台时变频器制动单元刹车时的电流曲线如图2所示,刹车时间为3min,测试仪器为FLUKE 43B单相电能质量分析仪,分析软件为Fluke View Power Quality Analyzer Version 3.10.1。
每次刹车时,制动单元必然工作,最大电流达2 7 A,而制动单元的额定电流为4 5 A,显然制动单元处于半载状态。
2 改造后变频调速系统方案
2.1 共直流母线的处置方法
采用共用直流母线很重要的一点就是上电时必需充分考虑到变频器的控制、传动故障、负载特性和输入主回路维护等。该方案包括3相进线(坚持同一相位)、直流母线、通用变频器组、公共制动单元或能量回馈装置和一些附属元件。选用第3种方式改造后的主电路系统图如图3所示,图3中空气开关Q1~Q4是每个变频器的进线保护装置,KM1~KM4为每台变频器的上电接触器,KMZ1~KMZ3为直流母线的并联接触器。1#、2#离心机共用一个制动单元,组成一组,3#、4#离心机共用一个制动单元,组成一组,当两组都正常时可以并接在一起。同时也基于现场操作工人的工作时序,1#、2#离心机不同时刹车,3#、4#离心机不同时刹车。正常工作时一般为2台离心机1#、3#为一组,2#、4#为一组,4台离心机一般不会同时刹车。由于实际工作现场的复杂环境往往会导致电网的动摇并发生高次谐波,也可增加电源阻抗并协助吸收附近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的电压尖峰,从而维护变频器的整流单元。每台变频器也可以使用进线电抗器来有效地防止这些因素对变频器的影响。
2.2 控制系统方案
控制线路如图4所示。4台变频器上电,每台变频器运行准备好后,设置变频器故障继电器输出端子的输出选项为“变频器运行准备好”。只有变频器上电,并且正常以后,才可以并接在一起,如任意一台有故障,直流母线接触器就不吸合。变频器故障继电器输出端子TA、TC为常开触点,上电后变频器显示“变频器运行准备好”,各变频器的TA、TC吸合,直流母线并联接触器依次吸合。否则接触器就断开。
2.3 方案特点
该方案的特点:使用一个完整的变频器,而不是单纯的整流桥加多个逆变器;不需要有分离的整流桥、充电单元、电容组和逆变器;每个变频器都可以单独从直流母线中分离进去而不影响其他系统;通过联锁接触器来控制变频器的DC共用母线的联络;联锁控制以保护挂在直流母线上的变频器的电容单元;所有挂在母线上的变频器必须使用同一个三相电源;变频器故障后快速地与D C母线断开以进一步缩小变频器故障范围。
2.4 变频器主要参数设置
运行命令通道:F0.03=1;最高操作频率:F0.05=50;加速时间1:F0.10=300;减速时间1:F0.11=300;故障继电器输出:F7.12=15;AO1输出功能:F7.26=2。
2.5 改造后的测试数据
停车时进线电压:3PH 380VAC;母线电压:530VDC;直流母线电压:650V。
当一台变频器升速时,母线电压降低,此时另一台降速,直流母线电压在540~670V波动,制动单元在此时没有开启,制动单元一般工作的DC电压为680V。测试分析如图5所示。
3 节能分析
回馈制动单元相比电阻能耗制动本身是一种节能的应用,可是要求每台变频器配用一台制动单元,而制动单元的价格和变频器价格相差不大,工作持续率却不是很高。共用直流母线变频器驱动方案减少了制动单元的重复设置,降低了工作次数,减少了对电网的干扰次数,提高了电网的电能质量,在减少设备投入、增加设备使用率、节约设备、节能方面有特别重要的意义。
参考文献
[1]艾默生网络能源有限公司.艾默生EV2000变频器中文技术手册
[2]深圳加能公司.IPC电能回馈和电阻制动单元用户手册
[3]杜金城.电气变频调速设计技术[M].北京:中国电力出版社,2002
公共直流母线 第6篇
变电站发电厂中, 直流电源是控制保护设备的工作电源, 其稳定性是至关重要的, 直接关系到电力系统的稳定。
直流系统中, 单极接地是短时允许的, 一般不会对系统造成影响, 但必须及早发现, 及早解决。如果不早发现, 或解决不及时, 一旦双极均接地, 就相当于直流母线短路, 造成控制保护设备的电源丢失, 势必会造成严重影响。因此, 对直流母线的对地绝缘电阻必须实施监视, 出现问题及时报警。
直流系统中的用电设备有容性负载、感性负载、阻性负载等, 它们对直流电阻的测量均有直接的影响。介绍一种微机控制的直流母线对地绝缘电阻自动测试装置, 可以实时准确地测量出直流母线正负极对地的绝缘电阻, 一旦绝缘电阻低到允许值, 装置即发出报警信号, 同时自动显示实时测量到的正负极对地绝缘电阻值。
1 测量原理
该装置测量原理如图1所示。
在正负极对地回路加一个固定采样电阻R0 (阻值较大) , 设母线电压 (正负极之间的电压) 为V, 负极对地电阻为RN, 正极对地电阻为RP。正负极电桥固定电阻阻值均为R0, 控制开关K控制的不平衡电阻阻值也是R0。
设开关K不合, 此时正极对地电压设为V1, 负极对地电压为V2, 正极对地合成电阻为R0//RP, 负极对地合成电阻为R0//RN-, 根据电阻分压原理得:
设开关K闭合, 此时的正极对地电压已经改变, 设正极对地电压为V3, 负极对地电压为V4。正极对地合成电阻变为1/2R0//RP, 负极对地合成电阻仍为R0//RN, 根据电阻分压原理得:
式 (1) 和式 (2) 联解可得正极对地电阻公式:
负极对地电阻公式:
式 (3) 和式 (4) 就是该装置测试正负极母线对地绝缘电阻的理论依据。
从正、负极电阻的计算公式可以看出, 在稳态下, 系统电容对接地电阻是没有影响的, 实际上在切换采样电阻后, 由于采样电阻改变导致电容的充放电的影响, 采样电阻上的电压是不稳定的, 计算机在采集正负极对地电压的过程中, 均采样延时后再测量, 以躲过电容充放电对电压采样进度的影响。
2 硬件设计
2.1 采样回路
采样回路设计如图2所示, 控制开关采用高压电子开关AQW214。
正极采样电阻包括1R3、1R4、1R5, 正极电压信号由分压电阻1R5降压后输出。负极采样电阻包括1R6、1R7、1R8, 负极电压信号由分压电阻1R6降压后输出。
采样电压的改变由高压电子开关AQW214控制。电子开关AQW214受计算机输出的控制信号KMKZ的控制, 当KMKZ信号为低电平时, 电子开关AQW导通, 其7、8脚两端的电阻几乎为0, 相当于与电子开关连接的电阻1R1、1R2与正极电阻1R3, 1R4、1R5并联。当KMKZ信号为高电平时, 电子开关AQW不导通, 其7、8脚两端的电阻为无穷大, 相当于此时的正极电阻只有电阻1R3、1R4、1R5。
1R1、1R2的阻值设计与正极采样电阻1R3、1R4一致, 使计算机可以采用式 (3) 和式 (4) 计算正、负极的对地电压。
2.2 信号放大电路
电压采样回路采样到的正负极对地电压V+/V-, 输入到如图3所示的信号放大回路, 变换后输出单片机AD能采样的信号。
2.3 控制系统
单片机采用STC12C5A60AD, 为增强型8051系列单片机, 该单片机自带4路10位AD转换器, 自带E2PROM, 因此使用起来非常方便。
单片机硬件原理如图4所示, 设计采用P10、P11作为正负极电压信号V+、V-的输入端。
大功率集成反相器N6为ULN2004, 其输出具有很强的带负载能力, 负载能力达500m A, 设计利用其输出作为显示器的位显示信号, 以及报警信号。
ULN2004的6C (第10脚) , 作为报警信号输出控制端, 当该脚为低电平时, 直接驱动继电器4K1动作。
单片机STC12C5A60AD的第34脚P05, 用于采样回路的控制信号KMKZ+输出, 以控制正负极采样电阻的变化。
单片机的P20、P21脚设计为显示器的串口数据输出端。
2.4 显示回路
显示回路如图5所示。
为了降低功耗并延长数码管的使用寿命, 数码管的每段电流应限制在5m A以内, 因此数码管的每段均串联1个1kΩ的限流电阻。
3 软件设计
软件设计流程如图6所示。
4 结语
该装置目前已经广泛应用于变电站直流屏中, 作为直流母线的绝缘电阻监视设备。
参考文献
[1]何立民.单片机应用系统设计[M].1990
[2]何柳.基于USB电源的智能风扇控制技术[J].自动化应用, 2012, (12)
公共直流母线 第7篇
电解铝直流汇流母线是电解整流室与电解车间之间连接的一段铸铝母线, 由于直流汇流母线的加工和安装质量对电解铝生产效益有着重要影响, 所以必须有合理的加工和安装技术, 以满足电解铝生产的要求。
1 施工准备
1.1 工艺流程
检查测量母线支墩→核对支墩与母线的布置情况→母线支架加工、预组装→镀锌件校直和安装、加工临时卡具、支撑架→研磨和组装分支母线→母线运至安装现场→支柱瓷瓶做耐压试验→母线安装和焊接→大电流互感器安装→母线的调试→竣工。
1.2 施工准备
对土建的要求:在直流汇流母线就位前, 铝母线地面应打好第一遍混凝土。待土建人员将基础支墩测量资料交付后, 安装专业人员立即组织有关人员检查基础支墩的中心线和标高, 检查内容如下:
(1) 基础支墩是否平整, 预埋件是否按设计到位。
(2) 支墩的纵横中心线应控制在±20mm之间。
(3) 支墩的标高应控制在±0~10mm之间, 不合格的应提醒土建部门给予修整完善。
(4) 间断性地复测基础, 特别是雨后核对基础支墩前后标高的变化情况, 确认母线基础是否有下沉现象。
(5) 核对电解车间与整流室之间的中心线关联情况, 使整流室和电解车间有效衔接。
1.3 安装过程的准备和采取技术措施
(1) 对支架按规格把标高组装完毕, 然后焊接在预埋件上。
(2) 从加工现场将母线堆放在两端的就近位置。
(3) 将支架的托架和瓷瓶装好。
(4) 用G25的圆钢作为滚杆, 用麻绳作拖拉绳, 用吊车将母线放置在铺好的槽钢上, 按照顺序, 依次放置好铝母线。
(5) 放置从刀闸到主母线的分支母线, 然后搭设脚手架, 调正安装好。
2 直流汇流母线加工技术
2.1 铝母线加工工艺流程
铝母线加工制作是铝母线安装第一道工序, 铝母线加工如何, 将影响铝母线安装, 安装情况如何在一定程度上影响焊接。铝母线加工工艺流程如图1所示。
2.1.1 铸铝母线外观检查
铸铝母线表面平正, 无夹渣、气孔、粗大铸瘤等缺陷, 其允许缺陷应符合下列规定:
(1) 垂直于母线电流方向铸造冷隔≤1.5mm, 其长度小于300mm。
(2) 平行电流方向裂纹:裂纹深度<3mm, 宽度<1mm, 当母线长度≤5000mm时, 裂纹长度<300mm;当母线长度>5000mm时, 裂纹长度小于母线长度10%, 且不能大于1200mm。
(3) 不加工表面水波纹高度不超过1.50mm, 铝母线内部应致密、均匀, 无裂纹、气孔、夹渣等缺陷。
2.1.2 验尺
铸铝母线供货尺寸及几何形状, 应符合下列规定:
(1) 铸铝母线长度允许偏差+3~10mm, 大平面对角线差≤5mm。
(2) 进出电端、端头、中间过道母线长度允许偏差±5mm, 大平面对角线差≤7mm。
(3) 铸铝母线不应有扭曲, 其平面允许偏差:当长度≤5000mm时, 每米±2mm, 全长±10mm;当母线长度>5000mm时, 每米±3mm, 全长±20mm。
(4) 高、宽允许偏差+4、-2mm。
2.1.3 铸造铝母线机械加工质量标准
(1) 铸造铝母线零件, 组焊铣平面应按图纸要求进行加工, 铣平面粗糙度应达到△6.3标准, 压接面粗糙度应达到△6.3标准。
(2) 铸造铝母线零件、组焊件钻孔时钻孔中心线应垂直, 中心线的倾斜度不得大于0.5mm, 孔中心距的误差不大于0.5mm。
(3) 经加工的零件和组焊件应分类存放, 注意保管, 防止变形和保护好机械加工面。加工面应用塑料布复盖或包裹。
(4) 用320t液压千斤顶在校直架上校直铸铝母线, 铸铝母线经校直后直线度允许偏差:安装的铝母线任意米允许偏差≤3mm, 全长≤3mm;进出电端、端头、中间过道安装的母线允许偏差≤3mm, 全长≤10mm。
经过校直的母线, 用平头机铣削母线端头平面, 其垂直度允许偏差:高、宽±2mm。
2.2 硬铝焊板剪切
硬铝焊板剪切在剪板机上进行, 一般施工单位对半硬铝焊板剪切偏差重视不够, 其实硬铝焊板加工精度如何, 对焊接有一定影响。
铝焊板规格尺寸偏差±2mm, 此误差要求是与焊缝10±2mm的要求相对应的, 板面平整度≤0.5mm, 剪切断面坡口≤0.5mm。
硬铝焊板加工工艺流程:划线→剪切→压平→打毛刺→分类堆放。
剪切前要将硬铝焊板规格、数量列表, 根据供货铝板尺寸进行优化组合, 提高原材料利用率。
2.3 软铝母线加工
每种规格软母线要有一种成型胎, 有的软母线成型后就形成坡口, 有的成型后没有坡口, 横焊要切削坡口。
软铝母线加工工艺流程:外观检查→验尺→定尺下料→成束→点焊→成型→点焊→打捆→堆放。
单片定尺下料同一种规格彼此偏差≤0.5mm, 剪切坡口不能有毛刺, 毛刺成刺后厚度会增加。
3 直流汇流母线安装技术
3.1 直流汇流母线安装
中心偏差、标高误差允许±3~5mm, 但在焊口处两根母线之间中心偏差、标高偏差≤3mm, 焊口间距偏差±2mm。因无法用固定卡具防止铝母线焊接变形, 只能通过焊接工艺防止母线变形, 即采用对称焊接方法, 如图2所示。
对焊接有软母线和硬焊板的部位, 要先焊软母线后焊硬铝焊板, 因软母线没有母线变形, 不影响其他焊口尺寸。
3.2 半自动熔化极 (MIG) 氩气保护焊接
3.2.1 铝母线焊接特点
铝母线与硬铝焊板、软母线线束 (一般厚度10mm) 截面相差悬殊, 最小10倍, 最大25倍。焊板基本上没有坡口, 都是I型焊缝, 软母线束有的有坡口, 有的没有坡口。铝母线焊接面需清除氧化膜, 硬铝焊板、软母线束焊接端头不进行氧化膜处理, 阴极反接氩弧焊对焊接面的“阴极雾化”效果可以使氧化膜清除, 使焊缝金属能很好地与母材焊接面熔合。
3.2.2 铝母线焊接主要缺陷
铝母线焊接主要缺陷:未熔合 (未熔透) 、氢气孔及热裂纹 (结晶裂纹, 铝焊接没有冷裂纹) 。
2.2.3保证铝母线焊接质量的措施
(1) 铝焊丝材质一般应高于母线一级, 或与铝母线同级, 铝焊丝表面应光滑, 无裂纹、气泡, 无毛刺及局部凹陷或折弯, 焊丝盘拉力一致, 否则影响送丝稳定性, 焊丝盘必须用塑料袋包好, 最好开口处封闭, 铝焊丝超过一年不应使用。
(2) 铝母线熔化极 (M1G) 氩气保护焊, 采用现行国家标准GB-4842一级以上氩气, 氩气纯度99.99%以上。氧含量超过0.1%焊缝表面有烟黑, 氢超过0.5%将使熔池流动性差, 氢与水份超标将产生气孔。
(3) 减少氢气孔来源;每天开始焊接前, 要空放氩气冲去氩气管水份, 尤其在潮湿环境下更加必要;在有二级以上风时, 要有防风措施。
(4) 焊缝宽度保持7~10mm, 可一遍焊接成型, 焊缝宽度要一致, 不能一头宽一道窄。
(5) 焊接过程中要盯住熔池, 观察焊接面是否“挂浆” (即焊接面是否熔化) , 若看不到“挂浆”说明焊缝金属不能很好与母材熔合。
(6) 防止热裂纹产生, 一旦有热裂纹必须修补。
(7) 焊缝表面不允许有裂纹、气孔、赘瘤及夹渣现象, 不允许起弧一段未熔, 收弧处不允许产生弧坑及弧坑裂纹。
4 结语