CN105406738B - 用于机房供电的高压整流系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于机房供电的高压整流系统，包括：第一和第二移相降压变压器、第一至第四整流柜；第一和第二移相降压变压器接收初始高压三相交流电并且对其进行降压处理；第一移相降压变压器使初始高压三相交流电后移第一预定相位以便将得到的第一相移降压交流电压传递给第一整流柜，使初始高压三相交流电前移第二预定相位以将得到的第二相移降压交流电压传递给第二整流柜；第二移相降压变压器使初始高压三相交流电前移第三预定相位以将得到的第三相移降压交流电压传递给第三整流柜，使初始高压三相交流电前移第四预定相位以将得到的第四相移降压交流电压传递给第四整流柜；而且，第一至第四整流柜分别将第一至第四相移降压交流电压进行整流以便负载提供直流电。

Description

用于机房供电的高压整流系统
技术领域
本发明涉及计算机技术以及电源技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于机房供电的高压整流系统。
背景技术
当前数据中心在中国快速发展，为减小数据中心供电系统的电能变换环节，提高能量利用率，许多数据中心项目开始尝试使用直流电源系统为IT设备供电，即220V市电通过直流电源系统整流稳压后，向IT设备供电。但是目前的直流电源系统大多采用两级变换模式，结构复杂，效率不高，不能较好地体现出直流供电系统的优势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种用于机房供电的高压整流系统，采用可控硅整流与移相降压变压器相结合的工作模式，通过合理选择主要运行参数，在满足直流供电需求的同时，具有结构紧凑，可靠性高，效率高等优点。
为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种用于机房供电的高压整流系统，包括：第一移相降压变压器、第二移相降压变压器、第一整流柜、第二整流柜、第三整流柜和第四整流柜；其中所述第一移相降压变压器和所述第二移相降压变压器接收初始高压三相交流电并且对初始高压三相交流电进行降压处理；而且，所述第一移相降压变压器使得初始高压三相交流电后移第一预定相位以便将得到的第一相移降压交流电压传递给第一整流柜，而且使得初始高压三相交流电前移第二预定相位以便将得到的第二相移降压交流电压传递给第二整流柜；所述第二移相降压变压器使得初始高压三相交流电前移第三预定相位以便将得到的第三相移降压交流电压传递给第三整流柜，而且使得初始高压三相交流电前移第四预定相位以便将得到的第四相移降压交流电压传递给第四整流柜；而且，第一整流柜、第二整流柜、第三整流柜和第四整流柜分别将第一相移降压交流电压、第二相移降压交流电压、第三相移降压交流电压和第四相移降压交流电压进行整流以便向机房供电系统中各自的负载提供直流电。
优选地，所述第一移相降压变压器使得初始高压三相交流电后移7.5度，使得初始高压三相交流电前移22.5度；所述第二移相降压变压器使得初始高压三相交流电前移7.5度，使得初始高压三相交流电前移37.5度。
优选地，初始高压三相交流电是10kV三相交流电，所述第一移相降压变压器11和所述第二移相降压变压器12是10kV/240V移相降压变压器；所述直流电的电压大小为320V。
优选地，所述第一整流柜、所述第二整流柜、所述第三整流柜和所述第四整流柜均由并联的四个整流抽屉组成。
优选地，所述高压整流系统中的每个整流抽屉均具有三相可控硅整流结构，而且分别包括：第一可控硅、第二可控硅、第三可控硅、第四可控硅、第五可控硅、第六可控硅、电感、第一电容器、第二电容器和第三电容器；其中，第一可控硅的输入端连接第二可控硅的输出端并且连接引入输入的三相交流电的第一相线；第三可控硅的输入端连接第四可控硅的输出端并且连接引入输入的三相交流电的第二相线；第五可控硅的输入端连接第六可控硅的输出端并且连接引入输入的三相交流电的第三相线；第一可控硅、第三可控硅和第五可控硅的输出端均连接至电感的第一端，第二可控硅、第四可控硅和第六可控硅的输入端均连接至并联的第一电容器、第二电容器和第三电容器的一端，并联的第一电容器、第二电容器和第三电容器的另一端电感的第二端。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的用于机房供电的高压整流系统的总体框图。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的用于机房供电的高压整流系统的整流柜的结构图。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的用于机房供电的高压整流系统的整流抽屉的结构图。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的用于机房供电的高压整流系统的总体框图。
如图1所示，根据本发明优选实施例的用于机房供电的高压整流系统包括：第一移相降压变压器11、第二移相降压变压器12、第一整流柜21、第二整流柜22、第三整流柜23和第四整流柜24。
所述第一移相降压变压器11和所述第二移相降压变压器12接收初始高压三相交流电并且对初始高压三相交流电进行降压处理；而且，所述第一移相降压变压器11使得初始高压三相交流电后移第一预定相位以便将得到的第一相移降压交流电压传递给第一整流柜21，而且使得初始高压三相交流电前移第二预定相位以便将得到的第二相移降压交流电压传递给第二整流柜22；所述第二移相降压变压器12使得初始高压三相交流电前移第三预定相位以便将得到的第三相移降压交流电压传递给第三整流柜23，而且使得初始高压三相交流电前移第四预定相位以便将得到的第四相移降压交流电压传递给第四整流柜24。
而且，第一整流柜21、第二整流柜22、第三整流柜23和第四整流柜24分别将第一相移降压交流电压、第二相移降压交流电压、第三相移降压交流电压和第四相移降压交流电压进行整流以便向机房供电系统中各自的负载31、32、33、34提供直流电。
例如如图1所示，所述第一移相降压变压器使得初始高压三相交流电后移7.5度，使得初始高压三相交流电前移22.5度；所述第二移相降压变压器使得初始高压三相交流电前移7.5度，使得初始高压三相交流电前移37.5度。
例如，初始高压三相交流电是10kV三相交流电。所述第一移相降压变压器11和所述第二移相降压变压器12是10kV/240V移相降压变压器。例如，直流电的电压大小为320V。
10kV三相交流电源经过定制的移相降压变压器的移相、降压处理，输出三相240V交流电作为高压整流柜输入，高压整流柜通过工频整流，输出额定320V直流电，供负载运行。
整流设备的功能是将交流电转化为直流电，整流设备的输入电源来自公共电网，输入电源的电压参数由公共电网决定，理想情况下是标准的正弦波形，而电流参数则由整流设备的类型决定。根据国家关于公共电网电能质量的相关规范，大功率整流设备的输入电流参数需满足一定的要求，否则会造成公共电网电压质量的畸变，影响供电系统的稳定性。一般而言，规范要求整流设备的输入侧电流的波形尽量为正弦波形，并与输入电压波形的相位差尽量小。
典型的三相可控硅整流器的输入电流波形畸变严重，无法满足规范要求。为了改善电流波形，本发明提出了移相变压器+可控硅整流器的整流结构，使用移相变压器将输入的电压波形前移或者后移一定的相位。4台整流柜的输入电压波形的相位各不相同，导致输入电流波形的相位也不同。通过合理设计变压器的移相关系，使得4路输入电流在移相变压器的原边叠加而成的总输入电流波形基本消除的畸变，达到规范的要求。
移相角的选取与波形质量的改善程度、绕组利用率有关。图1中，两台变压器的四个输出绕组相位相互差15°，分别对应的四台整流柜的输入电流畸变严重，不符合电网规范。但是在10kV母线处，四个输入电流经过叠加后的波形正弦度较好。此外，若移相角越大，会导致变压器绕组利用率降低。因此，在保证电流波形指标的基础上，移相角应尽量小。在本发明的具体示例中，选取移相变压器的副边相对于原边的移相角依次为后移7.5度，前移22.5度，前移7.5度，前移37.5度。
图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的用于机房供电的高压整流系统的整流柜的结构图。第一整流柜21、第二整流柜22、第三整流柜23和第四整流柜24均可具有图2所示的结构。
具体地，如图2所示，根据本发明优选实施例的用于机房供电的高压整流系统的整流柜包括：并联的第一整流抽屉101、第二整流抽屉201、第三整流抽屉301和第四整流抽屉401。
也就是说，单台整流柜由四台整流抽屉构成，四台整流柜输入与输出均处于并联状态。已知交流三相240V电源自移相变压器输出，通过配电开关配入整流柜。然后该三相电在整流柜内再分为四路完全相同的交流三相240V电源，分别输入第一整流抽屉101、第二整流抽屉201、第三整流抽屉301和第四整流抽屉401。第一整流抽屉101、第二整流抽屉201、第三整流抽屉301和第四整流抽屉401同时进行整流变换，输出直流电，经过并联后向后级设备供电。其中优选地，整流抽屉在结构上设计成可在线插拔式，若单个整流抽屉故障，可在整流柜内其他整流抽屉继续运行的情况下更换该故障抽屉，利于设备的检修与维护。
图3示意性地示出了根据本发明优选实施例的用于机房供电的高压整流系统的整流抽屉的结构图。根据本发明优选实施例的用于机房供电的高压整流系统的整流抽屉都可以采用下述结构。
如图3示所示，根据本发明优选实施例的用于机房供电的高压整流系统的整流抽屉具有三相可控硅整流结构，而且包括：第一可控硅D1、第二可控硅D2、第三可控硅D3、第四可控硅D4、第五可控硅D5、第六可控硅D6、电感Lo、第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3；其中，第一可控硅D1的输入端连接第二可控硅D2的输出端并且连接引入输入的三相交流电的第一相线A；第三可控硅D3的输入端连接第四可控硅D4的输出端并且连接引入输入的三相交流电的第二相线B；第五可控硅D5的输入端连接第六可控硅D6的输出端并且连接引入输入的三相交流电的第三相线C；第一可控硅D1、第三可控硅D3和第五可控硅D5的输出端均连接至电感Lo的第一端，第二可控硅D2、第四可控硅D4和第六可控硅D6的输入端均连接至并联的第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3的一端，并联的第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3的另一端电感Lo的第二端。
具体地，输入三相240V交流电，是指三个在相位上互差120°，线电压有效值均为例如240V的正弦交流电。图3中三个相线A、B、C。则有：
其中，uAB表示相线A、B之间随时间t变化的电压(简称为AB线电压)；uBC表示相线B、C之间随时间t变化的电压；uCA表示相线C、A之间随时间t变化的电压。
三相整流电路中，由于三个相电压通过六只可控硅而相互发生作用，所以每相不能按照该相电压波形流出电流。在任何时刻，电流从电位最高的节点流出，而从电位最低的节点流入。在某时刻，若AB线电压幅值相对于其他两个线电压最大，则控制可控硅D1和D4导通，网侧电源通过电感L0向C1至C3以及负载供电；下一时刻，若AC线电压幅值最大，则控制可控硅D1和D6导通，网侧电源通过电感Lo向C1至C3以及负载供电；依此类推，依据交流电压幅值的变化以控制相应可控硅的导通，从而实现整流功能，一个电源周期中一共包含6组导通组合，分别为D1D4导通，D1D6导通，D3D6导通，D3D2导通，D5D2导通，D5D4导通。各个组合期间，对应的线电压依次向电容和负载供电。电感Lo用于平滑输出电流。
整流抽屉采用三相可控硅整流模式，而整流柜由四台整流抽屉并联构成(每个整流柜都包括四台整流抽屉)。例如，单台整流柜交流输入的额定电压为240V，输出的额定电压为320V，最大输出功率200kW。
由可控硅整流的原理可知，整流柜输入侧电流波形为典型的5次谐波波形，谐波含量超过国家标准。而10kV母线电流由第一至第四整流柜的电流变换到原边，再叠加而成。降压移相变压器通过图1所示的移相变换，使得10kV母线处4个电流波形的相角、幅值各自错开一定值，最终叠加而成一个正弦包络曲线。正常运行时，10kV母线电流谐波可控制在7％以内，符合国家标准。
总之，与目前已知的数据中心机房直流供电系统相比，根据本发明优选实施例的用于机房供电的高压整流系统至少具有以下优点：
(1)电能变换仅包括可控硅整流一个环节，使得整流系统结构更加简单，相同输出功率下工作效率更高，可达到98％以上，同时实现谐波治理功能；
(2)高压整流柜采用可控硅整流模式，性能可靠，过载能力强，故障率低；
(3)全部功能部件均能在线更换，便于维护。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种用于机房供电的高压整流系统，其特征在于包括：第一移相降压变压器、第二移相降压变压器、第一整流柜、第二整流柜、第三整流柜和第四整流柜；其中所述第一移相降压变压器和所述第二移相降压变压器接收初始高压三相交流电并且对初始高压三相交流电进行降压处理；而且，所述第一移相降压变压器使得初始高压三相交流电后移第一预定相位以便将得到的第一相移降压交流电压传递给第一整流柜，而且使得初始高压三相交流电前移第二预定相位以便将得到的第二相移降压交流电压传递给第二整流柜；所述第二移相降压变压器使得初始高压三相交流电前移第三预定相位以便将得到的第三相移降压交流电压传递给第三整流柜，而且使得初始高压三相交流电前移第四预定相位以便将得到的第四相移降压交流电压传递给第四整流柜；而且，第一整流柜、第二整流柜、第三整流柜和第四整流柜分别将第一相移降压交流电压、第二相移降压交流电压、第三相移降压交流电压和第四相移降压交流电压进行整流以便向机房供电系统中各自的负载提供直流电；所述第一移相降压变压器使得初始高压三相交流电后移7.5度，使得初始高压三相交流电前移22.5度；所述第二移相降压变压器使得初始高压三相交流电前移7.5度，使得初始高压三相交流电前移37.5度；初始高压三相交流电是10kV三相交流电，所述第一移相降压变压器和所述第二移相降压变压器是10kV/240V移相降压变压器；所述直流电的电压大小为320V；所述第一整流柜、所述第二整流柜、所述第三整流柜和所述第四整流柜均由并联的四个整流抽屉组成；
其中，所述高压整流系统中的每个整流抽屉均具有三相可控硅整流结构，而且分别包括：第一可控硅、第二可控硅、第三可控硅、第四可控硅、第五可控硅、第六可控硅、电感、第一电容器、第二电容器和第三电容器；其中，第一可控硅的输入端连接第二可控硅的输出端并且连接引入输入的三相交流电的第一相线；第三可控硅的输入端连接第四可控硅的输出端并且连接引入输入的三相交流电的第二相线；第五可控硅的输入端连接第六可控硅的输出端并且连接引入输入的三相交流电的第三相线；第一可控硅、第三可控硅和第五可控硅的输出端均连接至电感的第一端，第二可控硅、第四可控硅和第六可控硅的输入端均连接至并联的第一电容器、第二电容器和第三电容器的一端，并联的第一电容器、第二电容器和第三电容器的另一端连接电感的第二端。
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