專利名稱：高壓直流供電系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電源與不間斷電源供電技術，特別是指一種高壓直流電源和直流供電配電系統。
背景技術：
隨著金融、證券交易中心、海關、政府等單位業務的不斷推進，傳統業務與支撐傳統業務的相關用電設備的不斷萎縮，隨之帶來的是數據業務與新型相關設備的快速膨脹。而給這些設備供電的電源仍然采用傳統的交流不間斷電源系統(UPS)供電。隨著轉型業務與增值業務量的快速增長，交流UPS供電的模式在這些單位系統中安全性、可靠性和經濟性等方面的問題越來越嚴重，主要體現在以下幾方面:能耗高。由于交流UPS中采用了逆變器，蓄電池組接在逆變器前級，電源轉換環節多，這就導致效率很低。為保證設備用電的安全可靠性，目前在交流UPS電源系統中，基本上采用1+1并機冗余備份系統或2+1并機冗余備份系統，這就使得系統效率進一步降低。由于UPS是一個整體設備，考慮到后期發展規劃，機房建設初期，UPS系統建設就必須一次到位，但實際使用中業務的發展是一個漸進的過程，這就使得UPS的平均使用效率更低。綜合上述原因，交流UPS系統的平均使用效率一般只有50%。安全可靠性低。交流UPS電源系統中，就單臺設備而言，通過冗余技術可以使其UPS供電的可靠性大為提高，但就整個UPS供電系統而言，有很多不可備份的系統單點故障點，比如同步并機板、靜態開關、輸出切換開關等，這些單點故障點，都可能導致整個供電系統“停電”癱瘓。另外，蓄電池組接在逆變器前級，一旦逆變器出現故障，就能導致整個供電系統“停電”癱瘓。在線維護、擴容難度大。由于交流UPS擴容涉及到交流電的頻率、電壓、相序、相位、波形等同步的問題， 不 像直流系統中擴容只關注電壓一個參數。所以交流UPS每一次在線擴容都是一次艱巨的風險操作，甚至可能因為UPS制造商自身產品升級更新換代使得UPS擴容不可能，導致UPS設備單臺故障時無法替換。建設投資成本大。隨著業務的增長與新型相關設備的快速膨脹，按照現有的設備供電模式，每年需要建設大量的新的交流UPS系統。投資建設成本很大，尤其是涉及核心網絡、重要業務平臺、VIP客戶業務等重要場景，從保障安全角度出發，往往選用進口 UPS系統，這就使得建設成本進一步加大。我國早在20世紀90年代計算機電源全面實現了開關電源化，率先完成計算機電源更新換代。進入90年代以來開關電源已廣泛應用在各種電子、電器設備、程控交換機、通訊、電力檢測設備電源和控制設備電源之中。現在大多數設備內部都有一個開關電源，當輸入為交流電時，整流橋導通方向是交替變化的，經整流后變換成一個波動的高壓直流電，然后再經過DC/DC電路變化降壓成CPU、LED和各類電子元器件能正常工作的低壓直流電。當輸入為高壓直流電時，整流橋是單邊導通的，而且導通方向不變，此時在整流橋后端得到一個穩定的高壓直流電，在經過DC/DC電路變化降壓成CPU、LED和各類電子元器件能正常工作的低壓直流電。因此只要給開關電源輸入一個合適的直流電壓，開關電源完全能夠正常工作。我們知道當交流電為220V時，其實際峰值電壓有311V，這就要求元器件的耐壓等級都要高于峰值電壓。所以我們選擇的270V的直流電壓低于交流電工作時的最高電壓，有利于元器件的耐壓安全性和可靠性。當輸入為交流220V時，其等效直流電壓是220V (考慮功率因數時更低)。用電設備的功率恒定時，根據歐姆定律，電壓升高，電流下降。當輸入270V的直流電時，電壓升高了，電流減小為交流的0.81倍。根據熱量計算公式:Q1 =KXI2 X RX T，假設開關電源的輸入電阻R不變，開關電源的發熱量在270V直流輸入時為:Q2 = ΚΧ0.811X0.811 XRXT =
0.656Q1.其中K為熱量轉化系數，T為單位時間。由計算結果得知，開關電源長時間工作時整流二極管R不變，在直流輸入工作時產生的熱量大約是交流輸入工作時產生熱量的1/2左右。而在實際應用中，根據二極管的伏安特性，整流二極管在直流輸入時的等效電阻遠小于交流輸入時的等效電阻R。所以，開關電源在實際工作時產生的發熱量遠不到交流輸入時的 1/2。因此，對現有的開關電源，高壓直流供電在節能、提高效率及提高安全可靠性方面確實比交流供電要好。近年來，隨著科技技術的不斷發展，各種新型精密用電設備得到了廣泛應用，對于電源的安全及可靠性提出了更高的要求。隨著電源和供電技術的發展，出現了新型的高壓直流供電系統。新型高壓直流供電系統與傳統的UPS供電相比較，在安全可靠性，節能率，可維護性和建設成本等方面具有明顯的優勢，并且已經在數據中心中推廣使用高壓直流供電系統，替代傳統的UPS供電。但是隨著新型高壓直流供電系統的應用領域的不斷擴大，用電設備越來越復雜，遇到了一些新的技術問題，含有`開關電源的設備支持高壓直流供電，但是非開關電源的設備就無法使用了高壓直流供電，只能使用交流供電。所以，即使高壓直流供電有明顯的優勢，也不能應用到所有的用電場所，難以發揮高壓直流供電的優勢。同時高壓直流供電一旦出現停電故障，并且蓄電池組電力耗盡的情況下，用電設備將處于“停電”狀態。如果有其他備用電源的話，就可以通過切換裝置切快速換至備用電源恢復電力供應。鑒于上述兩方面的原因，要將高壓直流供電推廣到其他應用領域，發揮高壓直流供電的優勢，我們需要發展一種新型的高壓直流供電系統，適用于任何用電場合，滿足所有用電設備的供電要求。該高壓直流系統提供直流電的同時，又可以輸出交流電。同時高壓直流電和交流電作為互為備份的電源，進一步提高了系統供電的可靠性。
發明內容本實用新型的目的就是提供了一種新型的高壓直流供電系統。該系統可輸出直流電，又可以根據需要切換輸出交流電，可使高壓直流供電適用于大部分應用領域，具有明顯節能效果、安全可靠性高、維護簡單、投資成本低等特點。為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案:包括高壓直流電源、備用交流電源以及用于將高壓直流電源和備用交流電源互鎖切換后輸出給用電設備的交直流切換輸出單元。高壓直流電源輸出標稱電壓為240V，實際電壓為270V，工作電壓范圍為204V至292V，連續可調。進一步地，所述交直流切換單元包括直流輸入端和交流輸入端，直流輸入端與高壓直流電源輸出端相連，交流輸入端與備用交流電源輸出端相連；交直流切換輸出單元的輸出端具有一個帶互鎖功能的選擇開關，該交直流切換輸出單元在交直流雙輸入的情況下，對于開關電源設備通過切換裝置可以輸出直流電，對于非開關電源設備，可以通過切換裝置輸出交流電。同時，在高壓直流電源出現故障時，可以通過切換裝置向用電設備輸出備用交流電。進一步地，所述高壓直流電源包括交流輸入單元、整流模塊以及蓄電池組。其中:1)交流輸入單元，包括用于切換雙路交流電源輸入(市電和發電機)的手動/自動切換裝置和交流監測單元，將兩路交流電源輸入與整流模塊的輸入端相連；2)整流模塊，用于提供高壓直流電源，整流模塊的輸出端分出并聯的兩路，一路連接交直流切換輸出單元的直流輸入端，另一路連接蓄電池組；3)蓄電池組，用于在整流模塊不工作時通過交直流切換輸出單元向用電設備供電。進一步地，所述交流監測單元用于兩路輸入和交流母線的電信號的測量，還可以根據兩路輸入狀態發出輸入切換裝置的控制信號。交流監測單元包括檢測CPU、顯示界面以及用于測量三相電壓、電流和頻率的檢測電路。所述各檢測電路的輸出端均與檢測CPU的輸入相連接。測量的電壓、電流和頻率等電信號均能顯示在顯示界面，同時能發出聲光報警信號和控制信號。進一步地，整流模塊，用于將交流電整流成直流電，輸出的電壓為204V至292V連續可調。整流模塊還可以給蓄電池充電或放電；整流模塊具有均流功能，在監控系統的配合下具有休眠功能。 整流模塊包括至少一個整流單元，每個整流單元包括主電路、控制電路和輔助電源電路三部分。主電路，包括防雷單元、EMC/EMI電路、交流濾波電路、功率變換電路、整流電路、直流一直流變換電路、直流濾波輸出電路。三相交流電輸入經防雷單元與EMC/EMI電路后，進行交流濾波；然后再經功率變換電路后整流輸出；輸出到直流一直流變換電路，最后濾波輸出所需直流電。控制電路，包括輸入過欠壓保護單元、限流保護電路、輸出過壓保護電路、短路保護電路、穩壓環路、取樣電路、PFC單元、PMW控制單元。其中PMW控制單元收集輸入過欠壓保護單元、限流保護電路、輸出過壓保護電路、短路保護電路、穩壓環路的信號，匯總到功率變換電路中。穩壓環路是從取樣電路中采集信息。取樣電路、短路保護電路、輸出過壓保護電路、限流保護電路全部從主電路中的直流濾波輸出電路中采集信息。主電路中交流濾波電路的相應信息分別輸送到輸入過欠壓保護單元和PFC單元中，同時輸入過欠壓保護單元里的信息也輸送到PFC單元里。
輔助電源電路是為控制電路提供必要的電源。進一步地，所述蓄電池組包括蓄電池管理單元和至少一組蓄電池。蓄電池組作為高壓直流電源的備用電力，直接與直流母線的蓄電池組連接端相連接，用于在整流模塊無法工作時向用電設備持續供電力；蓄電池組在兩路交流輸入停電或整流模塊出現故障時，無需將直流電逆變成交流電，直接向電設備持續提供電力。蓄電池管理單元包括處理器、電壓測量電路和溫度檢測電路，處理器輸入端分別與電壓測量電路、溫度檢測電路的輸出端相連，實時采集每組蓄電池的電壓和溫度。進一步地，備用交流電源，作為高壓直流供電系統的備用電源，向用電設備輸出交流電。該備用交流電源可以是市電或UPS，其輸出端與交直流切換單元的輸入端相連。備用交流電源還包括用于測量備用交流電源輸入狀態的交流監測單元，。交流監測單元包括檢測CPU、交流電壓測量電路和交流電流測量電路，交流電壓測量電路及交流電流測量電路的輸出端均與檢測CPU輸入端相連。交直流切換輸出單元還包括通斷交流輸入的交流斷路器、通斷直流輸入的直流斷路器、通斷輸出的微型斷路器以及監測交流直流切換輸出單元工作狀態的配電檢測單元，微型斷路器具有機械互鎖裝置；配電檢測單元包括電壓測量電路、電流測量電路和絕緣檢測電路。電壓測量電路的測量端、電流測量電路的測量端均與交直流切換輸出單元的輸出端相連；交直流切換輸出單元的輸出端設有漏電流傳感器，所述絕緣檢測電路的檢測端與交直流切換輸出單元輸出端中的漏電流傳感器輸出端相連。絕緣檢測電路還包括一個絕緣檢測處理器,漏電流傳感器為一個軟磁鐵芯，絕緣檢測處理器輸入端與 漏電流傳感器的輸出端相連，在交直流切換輸出單兀輸出端任何一極發生接地故障時，及時將產生的絕緣信息傳送到監控系統。進一步地，本系統還包括監控系統，監控系統分別與交流監測單元、整流模塊、蓄電池管理單元、備用交流監測單元以及配電檢測單元通訊連接，讀取和下傳高壓直流供電系統所有的工作數據信息和控制命令。監控系統包括顯示模塊和系統運行管理單元，系統運行管理單元輸出端與顯示模塊輸入端相連。顯示模塊用于顯示系統所有的數據信息，同時獲取用戶對系統操作的輸入。本實用新型的最明顯的特征是:本實用新型提供一種高壓直流電源和備用交流電源雙輸入，輸出高壓直流電，又可通過交直流切換輸出單元輸出交流電，可使本高壓直流供電系統適用于大部分的應用領域。同時該系統中的高壓直流電源和備用交流電源具有互為備份的作用。當直流電源出現故障而停電時，可以通過交直流切換單元快速切換至備用交流電，繼續向設備供電。用戶也不需要對現有用電設備進行任何改造，即可使用直流供電，大大提高供電的安全可靠性，同時減少能耗。
圖1為本實用新型供電系統的原理圖；圖2為本實用新型供電系統的整體結構框圖；圖3為本實用新型供電系統中交流輸入單元原理圖；圖4為本實用新型供電系統中整流模塊結構框圖；圖5為本實用新型供電系統中交直流切換輸出單元原理圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。參照圖1，本實用新型提供一種高壓直流供電系統，包括高壓直流電源、備用交流電源以及用于將高壓直流電源和備用交流電源互鎖切換后輸出給用電設備的交直流切換輸出單元。高壓直流電源輸出標稱電壓為240V，實際電壓為270V，工作電壓范圍為204V至292V，連續可調。參照圖5，交直流切換單元包括直流輸入端和交流輸入端，直流輸入端與高壓直流電源輸出端相連，交流輸入端與備用交流電源輸出端相連；交直流切換輸出單元的輸出端具有一個帶互鎖功能的選擇開關，該交直流切換輸出單元在交直流雙輸入的情況下，對于開關電源設備通過切換裝置可以輸出直流電，對于非開關電源設備，可以通過切換裝置輸出交流電。同時，在高壓直流電源出現故障時，可以通過切換裝置向用電設備輸出備用交流電。 參照圖2，高壓直流電源包括交流輸入單元、整流模塊以及蓄電池組。其中:1)交流輸入單元，包括用于切換雙路交流電源輸入(市電和發電機)的手動/自動切換裝置(QA1、QA2)和交流監測單元，將兩路交流電源輸入與整流模塊的輸入端相連；2)整流模塊，用于提供高壓直流電源，整流模塊的輸出端分出并聯的兩路，一路連接交直流切換輸出單元的直流輸入端，另一路連接蓄電池組；3)蓄電池組，用于在整流模塊不工作時通過交直流切換輸出單元向用電設備供電。參照圖3，交流監測單元用于兩路輸入和交流母線的電信號的測量，還可以根據兩路輸入狀態發出輸入切換裝置的控制信號。交流監測單元包括檢測CPU、顯示界面以及用于測量三相電壓、電流和頻率的檢測電路。所述各檢測電路的輸出端均與檢測CPU的輸入相連接。測量的電壓、電流和頻率等電信號均能顯示在顯示界面，同時能發出聲光報警信號和控制信號。交流監測單元還包括避雷器FVl、通斷避雷器的微斷路器QFVl以及通斷各個整流單元的微斷路器QPRl、QPR2…….QPRN。參照圖4，整流模塊，用于將交流電整流成直流電，輸出的電壓為204V至292V連續可調。整流模塊還可以給蓄電池充電或放電；整流模塊具有均流功能，在監控系統的配合下具有休眠功能。整流模塊包括至少一個整流單元，每個整流單元包括主電路、控制電路和輔助電源電路三部分。主電路，包括防雷單元、EMC/EMI電路、交流濾波電路、功率變換電路、整流電路、直流一直流變換電路、直流濾波輸出電路。三相交流電輸入經防雷單元與EMC/EMI電路后，進行交流濾波；然后再經功率變換電路后整流輸出；輸出到直流一直流變換電路，最后濾波輸出所需直流電。控制電路，包括輸入過欠壓保護單元、限流保護電路、輸出過壓保護電路、短路保護電路、穩壓環路、取樣電路、PFC單元、PMW控制單元。其中PMW控制單元收集輸入過欠壓保護單元、限流保護電路、輸出過壓保護電路、短路保護電路、穩壓環路的信號，匯總到功率變換電路中。穩壓環路是從取樣電路中采集信息。取樣電路、短路保護電路、輸出過壓保護電路、限流保護電路全部從主電路中的直流濾波輸出電路中采集信息。主電路中交流濾波電路的相應信息分別輸送到輸入過欠壓保護單元和PFC單元中，同時輸入過欠壓保護單元里的信息也輸送到PFC單元里。輔助電源電路是為控制電路提供必要的電源。從圖2中可以看出，蓄電池組包括蓄電池管理單元和至少一組蓄電池。蓄電池組作為高壓直流電源的備用電力，直接與直流母線的蓄電池組連接端相連接，用于在整流模塊無法工作時向用電設備持續供電力；蓄電池組在兩路交流輸入停電或整流模塊出現故障時，無需將直流電逆變成交流電，直接向電設備持續提供電力。蓄電池管理單元包括處理器、電壓測量電路和溫度檢測電路，處理器輸入端分別與電壓測量電路、溫度檢測電路的輸出端相連，實時采集每組蓄電池的電壓和溫度。備用交流電源，作為高壓直流供電系統的備用電源，向用電設備輸出交流電。該備用交流電源可以是市電或UPS，其輸出端與交直流切換單元的輸入端相連。備用交流電源還包括用于測量備用交流電源輸入狀態的交流監測單元，。交流監測單元包括檢測CPU、交流電壓測量電路和交流電流測量電路，交流電壓測量電路及交流電流測量電路的輸出端均與檢測CPU輸入端相連。交直流切換輸出單元還包括通斷交流輸入的交流斷路器、通斷直流輸入的直流斷路器、通斷輸出的微型斷路器 以及監測交流直流切換輸出單元工作狀態的配電檢測單元，微型斷路器具有機械互鎖裝置；配電檢測單元包括電壓測量電路、電流測量電路和絕緣檢測電路。電壓測量電路的測量端、電流測量電路的測量端均與交直流切換輸出單元的輸出端相連；交直流切換輸出單元的輸出端設有漏電流傳感器，所述絕緣檢測電路的檢測端與交直流切換輸出單元輸出端中的漏電流傳感器輸出端相連。絕緣檢測電路還包括一個絕緣檢測處理器,漏電流傳感器為一個軟磁鐵芯，絕緣檢測處理器輸入端與漏電流傳感器的輸出端相連，在交直流切換輸出單兀輸出端任何一極發生接地故障時，及時將產生的絕緣信息傳送到監控系統。從圖2中還可以看出，本實施例中，該供電系統還包括監控系統，監控系統分別與交流監測單元、整流模塊、蓄電池管理單元、備用交流監測單元以及配電檢測單元通訊連接，讀取和下傳高壓直流供電系統所有的工作數據信息和控制命令。監控系統包括顯示模塊和系統運行管理單元，系統運行管理單元輸出端與顯示模塊輸入端相連。顯示模塊用于顯示系統所有的數據信息，同時獲取用戶對系統操作的輸入。
權利要求1.高壓直流供電系統，其特征在于:包括高壓直流電源、備用交流電源以及用于將高壓直流電源和備用交流電源互鎖切換后輸出給用電設備的交直流切換輸出單元。
2.根據權利要求1所述的高壓直流供電系統，其特征在于:所述交直流切換單元包括直流輸入端和交流輸入端，直流輸入端與高壓直流電源輸出端相連，交流輸入端與備用交流電源輸出端相連；交直流切換輸出單元的輸出端具有一個帶互鎖功能的選擇開關。
3.根據權利要求1所述的高壓直流供電系統，其特征在于:所述高壓直流電源包括交流輸入單元、整流模塊以及蓄電池組；其中:1)交流輸入單元，包括用于切換雙路交流電源輸入的手動/自動切換裝置和交流監測單元，將兩路交流電源輸入與整流模塊的輸入端相連；2)整流模塊，用于提供高壓直流電源，整流模塊的輸出端分出并聯的兩路，一路連接交直流切換輸出單元的直流輸入端，另一路連接蓄電池組；3)蓄電池組，用于在整流模塊不工作時通過交直流切換輸出單元向用電設備供電。
4.根據權利要求1所述的高壓直流供電系統，其特征在于:還包括交流監測單元，所述交流監測單元包括檢測CPU、顯示界面以及用于測量三相電壓、電流和頻率的檢測電路；所述各檢測電路的輸出端均與檢測CPU的輸入相連接。
5.根據權利要求3所述的高壓直流供電系統，其特征在于:所述整流模塊包括至少一個整流單元，每個整流單元包括主電路、控制電路和輔助電源電路三部分；主電路，包括防雷單元、EMC/EMI電路、交流濾波電路、功率變換電路、整流電路、直流一直流變換電路、直流濾波輸出電路；三相交流電輸入經防雷單元與EMC/EMI電路后，進行交流濾波；然后再經功率變換電路后整流輸出；輸出到直流一直流變換電路，最后濾波輸出所需直流電；控制電路，包括輸入過欠壓保護單元、限流保護電路、輸出過壓保護電路、短路保護電路、穩壓環路、取樣電路、PFC單元、PMW控制單元；其中PMW控制單元收集輸入過欠壓保護單元、限流保護電路、輸出過壓保護電路、短路保護電路、穩壓環路的信號，匯總到功率變換電路中；穩壓環路是從取樣電路中采集信息； 取樣電路、短路保護電路、輸出過壓保護電路、限流保護電路全部從主電路中的直流濾波輸出電路中采集信息；主電路中交流濾波電路的相應信息分別輸送到輸入過欠壓保護單元和PFC單元中，同時輸入過欠壓保護單元里的信息也輸送到PFC單元里；輔助電源電路是為控制電路提供必要的電源。
6.根據權利要求3所述的高壓直流供電系統，其特征在于:所述蓄電池組包括蓄電池管理單元和至少一組蓄電池；蓄電池管理單元包括處理器、電壓測量電路和溫度檢測電路，處理器輸入端分別與電壓測量電路、溫度檢測電路的輸出端相連。
7.根據權利要求1所述的高壓直流供電系統，其特征在于:所述備用交流電源還包括用于測量備用交流電源輸入狀態的交流監測單元，交流監測單元包括檢測CPU、交流電壓測量電路和交流電流測量電路，交流電壓測量電路及交流電流測量電路的輸出端均與檢測CPU輸入端相連。
8.根據權利要求1所述的高壓直流供電系統，其特征在于:所述交直流切換輸出單元還包括通斷交流輸入的交流斷路器、通斷直流輸入的直流斷路器、通斷輸出的微型斷路器以及監測交流直流切換輸出單元工作狀態的配電檢測單元，微型斷路器具有機械互鎖裝置；配電檢測單元包括電壓測量電路、電流測量電路和絕緣檢測電路。
9.根據權利要求8所述的高壓直流供電系統，其特征在于:所述電壓測量電路的測量端、電流測量電路的測量端均與交直流切換輸出單元的輸出端相連；交直流切換輸出單元的輸出端設有漏電流傳感器，所述絕緣檢測電路的檢測端與交直流切換輸出單元輸出端中的漏電流傳感器輸出端相連；絕緣檢測電路還包括一個絕緣檢測處理器，漏電流傳感器為一個軟磁鐵芯，絕緣檢測處理器輸入端與漏電流傳感器的輸出端相連，在交直流切換輸出單元輸出端任何一極發生接地故障時，及時將產生的絕緣信息傳送到監控系統。
10.根據權利要求1所述的高壓直流供電系統，其特征在于:還包括監控系統，監控系統分別與交流監測單元、整流模塊、蓄電池管理單元、備用交流監測單元以及配電檢測單元通訊連接；監控系統包括顯示模塊和系統運行管理單元，系統運行管理單元輸出端與顯示模塊輸入端 相連。
專利摘要本實用新型提供了一種新型的高壓直流供電系統，該系統可輸出直流電，又可以根據需要切換輸出交流電，可使高壓直流供電適用于大部分應用領域，具有明顯節能效果、安全可靠性高、維護簡單、投資成本低等特點，其包括高壓直流電源、備用交流電源以及用于將高壓直流電源和備用交流電源互鎖切換后輸出給用電設備的交直流切換輸出單元。本實用新型的有益效果高壓直流電源和備用交流電源雙輸入，輸出高壓直流電，又可通過交直流切換輸出單元輸出交流電，同時該系統中的高壓直流電源和備用交流電源具有互為備份的作用。
文檔編號H02M1/10GK203104085SQ20132000710
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月6日 優先權日2013年1月6日
發明者沈亞斌 申請人:浙江中碳科技有限公司