CN103219795B - 一种高压大功率不间断供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压大功率不间断供电装置，包括中央控制单元，还包括高压开关柜、高压移相变压装置、不间断电源模块组、高压逆变变压器、高压计量控制柜；所述中央控制单元与所述高压开关柜、不间断电源模块组、高压计量控制柜连接，所述高压开关柜、高压移相变压装置、不间断电源模块组、高压逆变变压器、高压计量控制柜依次连接。本发明解决了工业化大生产下高压大功率关键用电场合的不间断供电的问题，为10KV高压输出、1250KVA容量的关键工业负荷提供5～15分钟以上不间断供电。

Description

一种高压大功率不间断供电装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域和工业自动化智能配电领域,特别是一种高压大功率不间断供电装置。

背景技术

现代工业化大生产如制造、化工、纺织、制药、石化等在一些关键工序、工段和过程中都对供电电源的稳定性和供电质量提出了更高要求，任何的断电或供电闪变、闪断都将可能对生产过程、产品质量造成无可挽回的损失，甚至引起较大的生产事故或人身伤害。因此，为确保生产过程的可靠性、提高供电质量，通常在上述关键领域配置双路供电回路、智能切换开关以及稳压装置等实现供电电源的稳定性。但由于开关设备属于机械执行机构，其执行必然存在动作时间、机械抖动等过程，同样可能带来后端供电设备带来供电闪断引起供电回路谐振等潜在问题。

在信息处理领域如计算机、服务器、存储设备、网络设备、通信交换机房等，由于电源故障经常导致设备的信息丢失或机器故障。为确保供电的可靠性与持续性，常为此类设备配置不间断电源设备。不间断电源是一种含有储能装置，以整流器、逆变器、充电器为主要组成部分的稳压稳频的交流电源。当市电输入正常时，将市电稳压后供应给负载使用，并向储能装置进行充电；当市电故障时，立即将储能装置的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。但是由于传统不间断电源电气拓扑结构限制，通常只能实现较低电压输出和数百KVA的容量，因此很难满足6.6KV以上工业高压大容量配电电源应用场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高压大功率不间断供电装置，解决工业化大生产下高压大功率关键用电场合的不间断供电的问题，为10KV高压输出、1250KVA容量的关键工业负荷提供5～15分钟以上不间断供电。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高压大功率不间断供电装置，包括中央控制单元，还包括高压开关柜、高压移相变压装置、不间断电源模块组、高压逆变变压器、高压计量控制柜；所述中央控制单元与所述高压开关柜、不间断电源模块组、高压计量控制柜连接，所述高压开关柜、高压移相变压装置、不间断电源模块组、高压逆变变压器、高压计量控制柜依次连接。

作为优选方案，所述高压开关柜采用综合继保装置RCS-9651C的母联备自投方案，实现两路电源自动快速切换，其主要由两路配电、三个断路器、备自投装置以及电压、电流互感器等相互连接组成。作为优选方案，所述高压移相变压装置型号为ZTSGFS(L)K-1250/10K。

作为优选方案，所述高压计量控制柜采用型号为KYN28A-12(GZS1)的户内铠装抽出式金属封闭开关柜，配合三相多功能电能表DTSD341-MA2使用。。

作为优选方案，所述不间断电源模块组由若干个低压不间断电源模块串联组成，所述低压不间断电源模块包括两个并联的开关臂和一个电容支路，所述电容支路与所述开关臂并联；所述开关臂由两个开关管串联组成。

所述高压逆变变压器由10KV高压变压器与10KV高压电容并联组成。变压器设计最低输入电压为6.3KV、原副边匝比为1.6，设计铁芯留气隙形成大约10mH左右漏感，用于输出PWM载频滤波。10KV高压电容器由3只额定电压KV/额定电容量7.9μF的电容组成，用于配合逆变变压器副边漏感进行PWM滤波。

所述不间断电源模块组由若干个低压不间断电源模块串联组成，所述低压不间断电源模块包括三相整流单元、功率滤波单元、全桥逆变单元、旁路开关、驱动模块和PWM板，所述三相整流单元、功率滤波单元、全桥逆变单元、旁路开关依次连接，所述PWM板并联接入所述三相整流单元和所述功率滤波单元之间；所述PWM板通过驱动模块驱动所述全桥逆变单元的开关器件；所述各低压不间断电源模块的全桥逆变单元串联。功率滤波单元为电容，驱动模块型号为DP1105D-V1.0，PWM板型号为DP1105C-V1.0。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明能对实际工业化大生产过程中对供电要求极为敏感的生产线、工段提供高可靠、稳定、有效的电力，最终保证相关生产线、生产设备的安全性、以及产品质量的可靠性；解决了工业化大生产下高压大功率关键用电场合的不间断供电的问题，为10KV高压输出、1250KVA容量的关键工业负荷提供5～15分钟以上不间断供电。

附图说明

图1为本发明一实施例结构框图；

图2为本发明一实施例10KV高压开关柜母联自备投母联主接线图；

图3为本发明一实施例高压不间断电源主功率单元结构示意图；

图4为本发明一实施例低压不间断电源模块串联模型图；

图5为本发明一实施例低压不间断电源模块模型图；

图6为本发明一实施例高压逆变变压器模型图；

图7为本发明一实施例中央控制单元模型图；

图8为本发明一实施例逆变控制单元结构示意图；

图9为本发明一实施例逆变控制单元FPGA功能原理设计图；

图10为本发明一实施例逆变控制单元FPGA DDS正弦信号发生设计图；

图11为本发明一实施例光纤通信曼彻斯特编码原理设计图；其中，图11（a）为自同步编码示意图；图11（b）为编码协议示意图；

图12为本发明一实施例逆变控制单元信号解码与PWM发生器设计图；

图13为本发明一实施例单相不间断电源模块输出的逆变电压示意图；

图14为本发明一实施例高压不间断供电装置逆变PWM电压波形图；

图15为本发明一实施例高压不间断供电装置逆变输出电压波形图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一实施例包括中央控制单元，还包括高压开关柜、高压移相变压装置、不间断电源模块组、高压逆变变压器、高压计量控制柜；所述中央控制单元与所述高压开关柜、不间断电源模块组、高压计量控制柜连接，所述高压开关柜、高压移相变压装置、不间断电源模块组、高压逆变变压器、高压计量控制柜依次连接。

高压开关柜采用综合继保装置RCS-9651C，实现双电源母联备自投供电方案。两进线电源供电时母联不投入，在一路电源进线停电时分断，可自动投入母联开关，让一路电源带系统的所有设备，从而实现系统供电电源冗余备份。图2给出了10KV高压开关柜母联自备投母联主接线图。正常运行时，两段母线分列运行，分段开关断开，由I母向后端负载供电；当1#进线电源故障或其它原因被断开后，分段开关自动投入实现后备电源供电。

图3给出了高压不间断供电装置逆变主功率单元结构示意图，它是全系统的主要功率变换单元，主要由高压移相变压器、不间断电源模块组、电池柜组以及中央控制单元组成。

高压移相变压器用于后端的不间断电源模块组各功率单元降压整流，具有等相位偏移功能和消除网侧谐波功能。设计采用Y，D11的接线组别，用以消除三次谐波对变压器的影响，其它设计使用参数如下：

1.额定（等值）容量：1250KVA；

2.额定输入电压：10KV三相三线制50Hz；

3.额定阻抗电压8%；

4.额定运行效率≧98.5%；

5.调压：无励磁调压，主分接±5%；

6.绕组电压：高压10KV；中压577V；低压380V；

7.绕组数：8+1组，移相8组Y/Δ接线，1组辅助电源Y/Y接线；

8.绕组相差：7.5°，每组三个绕组：+26.25°/+18.75°/+11.25°/+3.75°/-3.75°/-11.25°/-18.75°/-26.25°

9.冷却散热：干式风冷带温度自控系统；

10.绝缘耐热等级：H级，20年

11.防护等级：IP20

12.运行环境：室内，海拔≦1000米；相对湿度RH95%

如图4所示，不间断电源模块组是指由24个独立单相不间断电源模块串联而成，24个单相不间断电源模块分3组、每组8个，对应三相电源输出。图5给出了单个低压不间断电源模块原理图，它由三相整流单元、功率滤波单元、全桥逆变单元、逆变驱动单元、PWM输出与逻辑判断保护单元以及旁路单元组成。其中，三相整流单元输入为高压移相变压器的三相二次绕组，同时直流母线外接电源柜正负极；功率滤波单元作用是进行工频整流滤波、平滑直流；全桥逆变单元实现母线直流转换为工频交流PWM电压输出，其单元的每个开关管由电气隔离的逆变驱动单元控制；PWM输出与逻辑判断保护单元实现接收主控单元下发的PWM指令信号并分解为当前模块PWM信号输出，另外对整个不间断电源模块的逻辑保护点进行检测与保护控制；旁路单元为旁路切换开关，其充许当前功率在发生故障时切除当前串联回路，使整个高压不间断电源短时降额使用，为负荷排除供电危险提供时间。不间断电源模块自主控制波形输出，但各单元之间同步由中央控制单元统一协调，同时不间断电源运行过程中相关状态通过光纤以曼码通信方式主动上报中央控制单元。

电池储能柜组是由1440节12V铅酸蓄电池所组成的电池组，电池容量可根据用户要求断电后设备持续输出电量时间进行配置。电池组按每60节电池组成一个柜体，每块电池串联而成，并配备一台电池管理单元和一台充电器，每8个柜体形成一组供一相不间断电源组，最终形成三相后备供电。

图6给出了高压逆变变压器模型图，其由10KV逆变升压变压器与10KV并联电容器组成，其主要功能在于逆变单元与负荷隔离、电池供电输出时升压与PWM载波电压滤波。高压逆变变压器设计最低输入电压6.3KV、原副边匝比1.6、设计铁芯留气隙形成大约10mH左右漏感用于输出PWM载频滤波。10KV关联电容器由3只额定电压KV/额定电容量7.9μF组成，用于配合逆变变压器进行PWM滤波。

高压计量控制柜采用KYN28A-12(GZS1)户内铠装抽出式金属封闭开关柜，配合三相多功能电能表DTSD341-MA2使用，其主要由负荷控制开关、高压互感器、信号调理检测单元和电压表、电流表、电能表等组成，用于实现负荷投切控制、输出电能量计量、输出电压、电流检测等功能。

如图7所示，中央控制单元包括ARM处理器、逆变控制单元、信号检测单元，所述逆变控制单元由DSP和FPGA连接组成，所述ARM处理器与所述DSP、FPGA连接，所述DSP与所述信号检测单元连接，所述ARM处理器与所述高压开关柜、高压计量控制柜连接；所述FPGA、信号检测单元均与所述不间断电源模块组连接。ARM芯片采用LPC1768，负责系统总体控制包括人机界面、系统I/O控制以及系统远程监控。所述人机交互界面由液晶显示屏与按键组成，用于系统运行状态显示、控制与操作。所述系统I/O接口主要由隔离I/O口芯片、系统通信芯片等组成，负责对系统相关输入输出开关量进行控制，如高压开关、负荷开关的分合状态检测与控制等。所述远程监控通信由网络通信芯片KSZ8041TLI组成，用于系统接入互联网，进行远程监控。DSP芯片采用BF533负责参考信号发生、反馈控制计算、设备运行参数计算等，FPGA芯片采用XC3S400-4TQ144负责信号同步、光纤通信编码、状态收集等。所述信号检测单元由ADC芯片ADS1178与相关信号调整电路组成，完成对系统输入/输出的电压/电流信号、系统移相变压器与逆变变压器温度等相关系统运行信号进行检测。

图8为高压不间断电源的逆变控制单元功能框图，逆变控制器是中央控制单元的重要组成部份。其主要由DSP、FPGA等功能芯片组成，主要完成逆变器逆变输出算法。DSP负责实现逆变电源的输出反馈的闭环控制算法，将采集到的电源运行参数进行计算、处理，并将当前系统输出控制参数传至FPGA用于实现PWM控制波形输出。FPGA负责将当前DSP传入的3相幅值信号进行分解，分配至每相8个功率单元并形成PWM控制信号；另外，对PWM信号进行编码发送到逆变功率模块。

FPGA关于CPS-PWM控制原理程序框图，如图9所示，主要由通信模块，DDS模块、曼彻斯特编码模块等程序模块组成。FPGA实现DDS算法主要由相位累加、正弦查表与乘法器（调制比计算）三部分组成，如图10所示，图中：

1.RoundDirction信号用于逆变输出是正序还是逆序输出，对应技术方案

中是将当前相位步进值相加还是相减；

2.相加累加器由一个加减器与锁存器组成，锁存器用于消抖，图中1024常数部分对应相对步进值，控制着输出信号频率大小，实际应用中将其它设计成变量用于控制电源频率；

3.正弦表由器件的宏单元组成，数据可在MATLAB中生成，做成表文件由宏单元调用；

4.乘法器用于控制输出逆变电压大小，图中23767为16位定标数1，实际应用过程中可将设计为变量动态调整输出逆变电压大小；

FPGA完成DDS运算后得到当前逆变输出PWM脉宽信息，该信息需要通过光纤传至相应功率单元。通信编码采用曼彻斯特码（Manchester）主要为了实现以下两方面功能：

1.同步功率单元时钟信号；

2.实现主控单元与功率单元的通信，将控制/（脉宽）数据信号传输至功率单元；

曼彻斯特编码（Manchester Encoding），也叫做相位编码(PE)，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号：从低到高跳变表示"0"，从高到低跳变表示"1"，如图11（a）所示。由于跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟，因此，这种编码也称为自同步编码。在高压变频器应用中可采用图11(b)所示协议完成：

1.开始位有两个作用：①同步功率单元PWM时钟；②同步功率单元通信时钟信号；

2.CMD/DAT位用于标识当前帧是数据帧还是命令帧：0为数据帧，1为命令帧；

3.数据域为16位，若为数据帧代表16位的Q15有符号定标数，表示当前逆变输出脉宽值，若为命令帧，代表当前命令类型；

4.为了提高系统的检错／纠错能力采用循环冗余校验。循环冗余码(CRC)是在严密的代数学理论基础上建立的，它特别适合于检测和纠错错误。一则因为它有很强的检测能力，二则是因为编码器及错误检测纠错电路都很容易实现。根据CRC的编码思想，对于(16，12)码，可由x16+1确定生成多项式为G(x)=x4+1。

5.最后1位为帧信号停止位，主要作用在于：①表示当前帧信号结束；②将光纤通信物理接口还原为初始状态。

CPLD主要完成脉宽数据的接收、三角波计数、PWM比较器输出以及命令处理、状态反馈等主要功能。图12给出了逆变控制单元信号解码与PWM发生器设计图：

1.当光纤接收到上位机“开始”通信信号时，将三角波计数器清零、同时将FIFO寄存器数值按公式装载至比较寄存器CMPR1/2；

2.当前接收完毕的脉宽信号缓存至FIFO寄存器；

3.若当前接收到命令控制，则启动相应的命令控制处理；

经过上述控制过程，逆变器输出波形经过不间断电源模块串联形成图13逆变电压波形。

本发明高压大功率不间断供电装置的工作原理是：首先基于双路冗余配电原理，利用高压开关柜母联备自投实现两路电源的自动快速切换，实现系统供电保护的第一层保障。但为了彻底消除由于两路电源切换所导致的电压瞬时跌落、以及开关触点由于机械动作引起的负荷电源尖峰、毛刺，在高压开关柜电源输出后端，引入由多个单相不间断电源形成的高压逆变单元。该逆变单元通过移相变压器降压为25路低压绕组，分别供给每个低压不间断电源模块。不间断电源的电池模组独立成柜置于逆变控制单元柜后，由地沟引线接入不间断电源模块。各不间断电源的逆变输出PWM波形由中央控制单元进行信号同步，形成载波移相PWM串联形成高压输出。考虑到电池放电过程中电池电压逐步降低的因素，逆变功率单元输出电压接入逆变变压器进行升压并滤除高频载波PWM电压后，通过高压计量柜和高压负荷开关供给后端关键负荷使用。由于逆变控制单元中有电池作为储能装置向负荷提供后备电能量，因此前端两路进线电源在切换过程中产生的电压瞬变与抖动完全被隔绝在负载之外。即便是两路电源完全断电的情况下，系统仍可持续稳定输出电力供应5～15分钟以上时间，确保负荷可以在这个时间内可以安全停机，减少生产损失与提高产品质量。由此本发明能对实际工业化大生产过程中对供电要求极为敏感的生产线、工段提供高可靠、稳定、有效的电力供应方案，最终保证相关生产线、生产设备的安全性、以及产品质量的可靠性。

利用本发明方法成功设计成单台1250KVA容量、10KV电压输出高压不间断电源，其逆变输出PWM电压波形如图14所示。图中三个电压波形为三相逆变模块输出电压PWM波形层叠图。其电压波形经逆变升压变压器升压滤波后的10KV三相逆变波形如图15所示，图中三通道对应三相电压输出。图中标号M是通过对其中一相电压进行FFT分析，可见输出电压非常平滑干净。实验结果表明用本发明方法设计的高压不间断电源各项运行指标良好，并且本发明方法设计清晰、方案成熟、效果良好，便于产品设计实用化与大批量生产。

Claims (6)

1.一种高压大功率不间断供电装置，其特征在于，包括中央控制单元、高压开关柜、高压移相变压装置、不间断电源模块组、高压逆变变压器、高压计量控制柜；所述中央控制单元与所述高压开关柜、不间断电源模块组、高压计量控制柜连接，所述高压开关柜、高压移相变压装置、不间断电源模块组、高压逆变变压器、高压计量控制柜依次连接；所述不间断电源模块组由若干个低压不间断电源模块串联组成，所述低压不间断电源模块包括三相整流单元、功率滤波单元、全桥逆变单元、旁路开关、驱动模块和PWM板，所述三相整流单元、功率滤波单元、全桥逆变单元、旁路开关依次连接，所述PWM板并联接入所述三相整流单元和所述功率滤波单元之间；所述PWM板通过驱动模块驱动所述全桥逆变单元的开关器件；所述各低压不间断电源模块的全桥逆变单元串联。

2.根据权利要求1所述的高压大功率不间断供电装置，其特征在于，所述高压开关柜采用综合继保装置RCS-9651C。

3.根据权利要求1所述的高压大功率不间断供电装置，其特征在于，所述高压移相变压装置型号为ZTSGFS(L)K-1250/10K。

4.根据权利要求1所述的高压大功率不间断供电装置，其特征在于，所述高压逆变变压器最低输入电压为6.3KV、原副边匝比为1.6、铁芯留气隙形成10mH漏感。

5.根据权利要求1所述的高压大功率不间断供电装置，其特征在于，所述高压计量控制柜采用KYN28A-12(GZS1)户内铠装抽出式金属封闭开关柜。

6.根据权利要求1所述的高压大功率不间断供电装置，其特征在于，所述中央控制单元包括ARM处理器、逆变控制单元、信号检测单元组成，所述逆变控制单元由DSP和FPGA连接组成，所述ARM处理器与所述DSP、FPGA连接，所述DSP与所述信号检测单元连接，所述ARM处理器与所述高压开关柜、高压计量控制柜连接；所述FPGA、信号检测单元均与所述不间断电源模块组连接。