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dcbank系统几种技术线路的比较

DC-BANK系统几种技术线路的比较

随着变频技术的逐渐成熟和广泛的应用，变频器由于电网电压骤降而引起的变频器低电压保护跳闸问题越来越突出，连续生产型企业中该问题尤为突出，这就急需一种可靠的备用电源来保证一些重要负荷的变频器在电网瞬时或短时波动时不跳闸停机。

DC-BANK系统就是在充分考虑了变频器自身特点后设计的一种后备式直流不间断电源系统。

DC-BANK技术发展到今天，主切换回路上RTM（电力衔接模块）可分为3种不同的技术线路，分别为晶闸管、BOOST和GCplus技术。

下面就DC-BANK这几种技术线路做一些比较，具体如下：

技术规范

晶闸管技术

BOOST技术

GCPULS技术

系统组成

系统由储能单元、充电器、RTC-101压差控制电子开关、DGPS母线接地保护器、监控单元、执行单元和监测软件等组成。

系统由储能电源、充电器、直流升压模块、监控单元等组成。

系统由储能电源、充电器、GCPULS隔离稳压模块、执行单元、监控单元等组成。

核心技术

直流压差控制开关模块

单向晶闸管在直流电源中的应用已经很广泛，它的驱动电路已经为大家所熟知。

有很多单向晶闸管驱动电路都是通过对负载侧的直流电压进行A/D采样后，经PLC的CPU比较处理，当负载侧电压达到设定值时，再输出一个控制信号电压，加在晶闸管的门极G和阴极K之间，通过这个电压来达到触发晶闸管导通的目的。

这种电路复杂，元件繁多，在控制晶闸管导通过程中增加了延时（2ms以上），因为A/D转换和CPU处理,都需要时间，而且因为电路复杂，增加了故障率，这种控制电路不但需要提供外部电源供电，而且在对晶闸管的门极加控制电压时还要进行隔离，否则因为晶闸管的回路电压过高，会损坏控制电路。

故在这种应用中急需要一种可靠、快速的直流压差控制电子开关。

RTC-101压差控制电子开关

额定电流：

DC25A-1200A

额定电压：

DC10V-1000V

峰值因素：

>5

开关压降：

0.7V

导通时间：

<500uS

压差设置档位：

6

压差设置：

DC3V-168V

工作温度：

－10～50℃

BOOST升压模块

直流升压模块采用大功率器件IGBT组成的直流升压电路DC-Boost，单台输出功率大，电压稳定可根据现场电网电压及变频器类型可调。

控制变频器在晃电或停电时由交流供电转为直流供电的瞬时转换。

RTM转换控制器的使用可以有效避免电池组放电的软特性，避免随着电池组放电时间的增加而向变频器输出的电压降低，从而避免了单纯电池组支撑时VF控制方式变频器的输出功率下降和矢量控制变频器的过电流问题，也杜绝了电池组支撑时使用的静态开关切换造成的变频器直流母线大电流冲击。

在相同支撑时间的需求下，和RTM模块配合的蓄电池容量比不用RTM模块的电池组容量下降，减少了使用维保中的更换成本。

具体参数请参阅附件

GCplus15 RTM模块

 RTM转换控制器（PowerRide-thruModule）是DC-BANK的核心模块，是用于市电中断时切换直流电源到变频器以使变频器持续运转的电力衔接模块，根据不同的支撑时间需要可选配不同容量的电池组，在转换时不得使负载电源产生任何中断或干扰负载运作，并能向变频器提供稳定的直流电压。

  RTM切换原因包括电源中断，电压降，欠相，或测试。

GCplus15特点

Ø   高压直流电经二级体隔离后，经全桥PWM电路转换为高频交流，再经高频变压器隔离稳压后整流隔离输出。

Ø   控制部分负责PWM信号产生及控制，保证输出稳定，同时对电源模块各部分进行保护，提供开关量和模拟量控制接口。

Ø   监控完成模块参数设置、电源工作参数及状态的检测和显示、电源工作参数校准,完成电源和主监控器之间的通讯。

Ø    采用高频软开关技术，使得电源转换效率大大提高，满载输出时效率最高可达95%。

Ø    均流控制实现各模块并机时输出自主均流，使各模块并机工作时均分负载。

Ø    监控采用单片机控制，实现模块输出电压、电流采集；实现开关机、输出电压、输出限流控制；实现电源参数设置和参数校准；RS485通讯功能。

GCplus15主要技术指标

l      直流输入

直流额定电压：

513V

电压变化范围：

513V±20%

2     直流输出

输出额定值：

15A/500V

电压调节范围：

450V-540V

输出限流范围：

10%-105%×额定电流

稳压精度：

≤0.5%

稳流精度：

≤0.5%

纹波系数：

≤0.1%

转换效率：

≥95%（满负荷输出）

动态响应：

在20%负载跃变到80%负载时恢复时间≤200цS，超调≤±2%

可闻噪声：

≤55dB

工作环境温度：

-5℃--+45℃

3   绝缘

       绝缘电阻：

直流部分、系统部分与地之间相互施加500V/50HZ的交流电压，绝缘电阻>2MΩ。

       绝缘强度：

交流部分与直流部分和机壳间，直流部分与机壳间施加50HZ的2KV的交流电压，一分钟无击穿，无闪络。

4     控制功能

         遥控：

开/关机

         遥调：

输出电压、输出限流均连续可调

         遥测：

输出电压、输出电流

         遥信：

开/关机状态、故障类型

5   结构外型

        电源模块尺寸（高X宽）：

201.8×210（面板尺寸），201.5×203×332（箱体尺寸）

        电源模块重量：

14.5Kg

原理图

见附件图1

见附件图2

见附件图3

优点

通过RTC－101直流压差控制电子开关控制晶闸管投切，具有切换速度快，无需外部供电、线路简单，故障率低等特点。

价格实惠，后备式支撑方式安全性高。

100%确保变频器在电压骤降时能安全平稳工作。

每一个回路由单独的控制及执行单元组成，相互独立，互不干扰。

输出电压稳定，可根据负载需要调节。

动态响应，转换时间短。

支持带电热插拔技术，方便维修

 N+1冗余技术，单个模块故障时自动退出，减少故障损失；

母线式模组技术，方便扩容；

主动均流，平均分配电流值，减少模块故障；

隔离稳压技术，停机后无低压直流输出，保护电池组和变频器过流及短路保护，防止母线接地及短路时故障扩大；

高低压进线均可稳压输出，适应大幅度母线电压变化；

快速动态响应时间短，可进行变频器直流母线纹波系数补偿。

缺点

负载为小功率变频时只能设计成共用电池组的方式才能降低成本。

放电时容易形成变频器之间的环流，直流纹波增大，相互之间会有干扰，需增加直流有源滤波器才能去除纹波。

放电时容易形成变频器之间的环流，直流纹波增大，相互之间会有干扰。

储能单元与负载之间不能隔离，停机后有低压直流输出，电池组和变频器容易过流及短路保护，母线接地及短路时故障扩大。

投资成本较大。

一体化设计，维修不方便。

虽然是最完美的解决方案，但投资成本高。

安全性

采用直流接地保护技术，晶闸管与直流隔离单元冗余隔离，确保蓄电池与变频器直流母线完全隔离，

系统预留变频器运行状态干节点、接触器连锁干节点、FMCS跳车连锁干节点等，大大提高了系统安全性。

必须是一组电池对应一台变频器才是最安全的方式。

必须是一组电池对应一台变频器才是最安全的方式。

一组电池可对应多台变频器，相互不干扰

N+1冗余设计，任何一个模块故障不影响系统正常工作。

XX文库-让每个人平等地提升自我停机后无低压直流输出，保护电池组和变频器过流及短路保护，防止母线接地及短路时故障扩大。

系统预留变频器运行状态干节点、接触器连锁干节点、FMCS跳车连锁干节点等，进一步提高系统安全性。

图1

图2

图3

注：

目前国内晶闸技术线路DC-BANK分两种，一种是通过PLC控制技术控制晶闸管触发电路的导通，另一种是功率扩展型直流压差控制技术。

主要区别在于控制晶闸管的导通速度不一样，通过PLC控制必然是毫秒级别的技术，而功率扩展型直流压差控制技术是微秒级控制技术。

目前功率扩展型直流压差控制技术DC-BANK系统在晶圆代工厂有较为广泛的应用。

以某煤化工企业进料泵DC-BANK系统设计为例，两种技术线路的DC-BANK系统均衡比较如下表：

规范要求

标书技术方案

GC系列DC－BANK

规范一　系统说明

1.1一般说明

DC-BANK共有四个系统组成，1）蓄电池组系统的储能元件。

2）自动化智能充电及电池组管理系统。

3）系统测控。

4）系统配电。

系统由储能单元、充电器、RTC-101压差控制电子开关、Gcplus15RTM切换控制单元（稳压选件）、DGPS母线接地保护器、监控单元、执行单元和监测软件等组成。

增加的DGPS母线接地保护器可在电缆接地故障或漏电流产生时有效保护变频器持续运行，增加系统安全性

1.2储能单元

系统储能元件选用国内合资企业性价比较高的品牌，理论使用寿命10年，质保2年。

以确保系统使用年费的低支出。

满足要求，系统储能元件选用国内合资企业性价比较高的品牌－双登蓄电池，理论使用寿命15年，厂家质保3年。

1.3充电系统设计

选用高频充电模块，N+1冗余设计，保证在有个别充电器损坏情况下不会影响系统正常性能。

当电池组放电后，在恢复交流供电时，系统自动转入充电模式。

浮充均充电压在HMI上可选。

充电机：

选用知名公司产品（必须甲方确认）。

输入电压为380VAC±15%，输出（浮充电压）:

544V，480V-560V可调，输出电流17A,四组冗余并联。

满足要求，选用DC600V高频充电模块，N+1冗余设计，保证在有个别充电器损坏情况下不会影响系统正常性能。

当电池组放电后，在恢复交流供电时，系统自动转入充电模式。

浮充均充电压在触摸屏上可选。

充电机输入电压为380VAC±15%，输出（浮充电压）:

500V-600V可调，输出电流5A,多组冗余并联。

1.4系统可靠度及维护性

本系统有完善的测量和控制设计，测量项目有市电电压，直流母线电压，充电电流，放电电流，生产线精确到秒的闪落和停电记录（50条滚动查询）电力恢复记录（50条滚动查询）。

SW开关内的被保护VVVF电压检测，当超过设定的保护阈值时SW即时导通。

高速光电电压监测继电器监测市电电压，一旦出现低于设定阈值电压，即时发出SW导通指令。

人机界面采用液晶触摸屏（HMI）全中文显示。

系统留有通讯接口供上位电脑数据采集。

满足要求，本系统有完善的测量和控制设计，测量项目有市电电压，直流母线电压，充电电流，放电电流，生产线精确到秒的闪落和停电记录（50条滚动查询）电力恢复记录（50条滚动查询）。

系统通过RTC－101直流压差控制电子开关控制晶闸管投切，具有切换速度快，无需外部供电、线路简单，故障率低等特点，人机界面采用液晶触摸屏（HMI）全中文显示。

系统留有通讯接口供上位电脑数据采集。

1.5系统运行技术条件及适用环境

1甲方提供1路主电源回路

380VAC/3P+N+PE100A

2柜体防护等级IP20

3甲方提供被保护变频器运行状态干接点

4电池组室环境20－25度

5实际使用环境海拔1200米

外壳防护等级IP42

系统预留变频器运行状态干节点、接触器连锁干节点、DCS或ESD跳车连锁干节点

可操作环境：

0℃~50℃，0~95%湿度，海拔1500公尺

1.6运转噪音

运行噪音，待机时小于65分贝，运转时小于75分贝

规范二　系统构成及系统运作

2.1直流回路系统构成

由于系统为直流电源，电池组的断路电流较大，为保证直流系统与VVVFDCBUS的准确快速投入切除，每个配电回路选有直流空气开关QF，静态电子开关SW，接触器MF。

以空开QF做回路过流，短路保护、接触器MF做VVVF起动投用及停止切除操作、静态电子开关SW做闪落投切。

当被保护的VVVF需修理维护时，只要切断空开QF、VVVF交流供电回路即可与系统脱离而可安全进行维护操作。

满足要求，每个配电回路选有直流空气开关QF，直流压差控制电子开关，接触器MF，DGPS母线接地保护器和隔离刀闸。

不仅有效投切，同时在母线接地或漏电流故障时，保护变频器安全，隔离DC-BANK和变频器，增加系统的安全性。

2.2系统运作

系统运行时数个高频充电器并行向电池组实现浮充维护，测控系统处以运行状态并在HMI上动态显示各参数和系统状态。

当被保护的VVVF投用时应先手动合上直流空开QF，VVVF正常起动后向DC-BANK发出运行正常的回讯，系统测控接受后即时合上MF直流接触器，这时系统的SW，光电高速电压继电器同时运行，发生闪落、停电时SW导通，VVVF由市电转入DC-BANK供电。

当市电恢复供电时，测控系统会及时接受到光电高速继电器来电信号，在延时数秒后撤去SW导通指令、SW亦会自动检测到VVVF上DC电压的恢复状态，当二者同时出现时，SW退出导通。

单向晶闸管在直流电源中的应用已经很广泛，它的驱动电路已经为大家所熟知。

有很多单向晶闸管驱动电路都是通过对负载侧的直流电压进行A/D采样后，经PLC的CPU比较处理，当负载侧电压达到设定值时，再输出一个控制信号电压，加在晶闸管的门极G和阴极K之间，通过这个电压来达到触发晶闸管导通的目的。

这种电路复杂，元件繁多，在控制晶闸管导通过程中增加了延时（2ms以上），因为A/D转换和CPU处理,都需要时间，而且因为电路复杂，增加了故障率，这种控制电路不但需要提供外部电源供电，而且在对晶闸管的门极加控制电压时还要进行隔离，否则因为晶闸管的回路电压过高，会损坏控制电路。

故在这种应用中急需要一种可靠、快速的直流压差控制电子开关。

RTC-101压差控制电子开关

额定电流：

DC25A-1200A

额定电压：

DC10V-1000V

峰值因素：

>5

开关压降：

0.7V

导通时间：

<500uS

压差设置档位：

6

压差设置：

DC3V-168V

工作温度：

－10～50℃

规范三　系统电器规范

3.1系统容量

当系统遭遇较长停电时间，电池组的电压会随放电过程而下降并超出VVVF保护电压值时，VVVF低电压保护性停机，同时撤出VVVF正常运行回讯，DC-BANK自动撤除该回路的支撑。

由于VVVF的保护电压均高于电池组放电的终了电压，因此，电池组是安全的。

满足要求,且增加了系统最大工作时间设定，有效保护蓄电池。

因为不同变频器的低压保护值不同，且变频器运行方式不同，在矢量控制方式下，直流母线电压过低会造成变频器过流运行，严重时损坏变频器和电机。

所以，我公司产品设计上严禁蓄电池低压运行。

3.2系统输入

本系统输入电源主要为充电机对电池组的充电电压：

三相四线AC380V　50HZ

3.3系统输出

未作要求，只是确保变频器不跳闸停机

为保障系统输出时，德士古气化炉的稳定运行，煤浆泵和氧泵的直流输出电压都和交流运行时接近，输出电压：

DC513～480V,可调整.

规范四　供电说明

5.1内部供电说明

正常条件下系统的测控系统有三路独立的电源，一路有交流市电供电，按设计其在绝大多的时间里系统有它供电，另二路由DC-BANK母线电压经DC/DC模块供应，按设计在绝大多数的时间里它处于零负荷状态，有很高的可靠性。

满足功能要求，同时具有以下优点：

1、巧妙通过RTC-101压差控制电子开关抑制蓄电池放电，并在电压波动时快速投切，简化控制电路，无需供电，增加了系统的可靠性。

2、通过SIS子系统中央控制单元的软件，区分市电中断和变频器故障，杜绝市电波动引起的停机，又在变频器故障或收到相关ESD保护信号和手动停机信号时快速撤出直流电源。

3、控制、监测单元故障以及输入、输出端子悬空断线等，执行单元都会回到安全状态－－断开，提高系统的可靠性。

4、系统的投入条件包括电源中断，电压降，欠相，或测试。

5.2辅助供电说明

甲方负责对变频器前端的交流接触器及其他辅助电机进行保护，以确保在电网电压波动或瞬间失压、短时停电时交流接触器等能维持正常工作，确保本系统无论是在交－直－交的状态均能可靠转换：

1、交流接触器线圈增装抗晃电模块，具体时间由甲方确定。

2、其他辅助电机也作上述处理，防止由于这些辅助电机的停机造成对高压煤浆泵的连锁停机。

DC-BANK系统电池的直流母线输出电压完全满足变频器在晃电或失电时正常运行要求，避免氧煤比变化和负荷波动。

我方系统内提供不间断之交流220V电源，自带静态旁路，有完善的自检和故障报警，可对变频柜内的辅助电源进行供电，不需额外增加成本。

1、交流接触器线圈由DC-BANK供电，因为即使增加抗晃电模块也无法保障5分钟运行。

2、变频器内部风机220V由DC-BANK供电，否则变频器会因过热保护或损坏。

3、所有连锁控制的信号DC24V供电由DC-BANK供电，如变频器运行信号、ESD跳车信号、接触器辅助信号等

规范五　蓄电池规格

6.1电池配置

选用知名公司蓄电池（必须甲方确认）150AH12VX40节串连，五组电池组并联使用，每组蓄电池用一个电池柜，有独立的直流空气开关作分断与短路保护。

针对高压煤浆泵和氧泵的负载特性和设计参数，我方做以下设计：

1、每台高压煤浆泵配置单台DC-BANK,蓄电池容量200Ah，电池个数为43只，充电电压DC593.4V,这样可确保高压煤浆泵直流支撑时的电压接近513V,避免煤浆流量波动和下降。

2、每两台氧泵（一用一备或并机运行）配置单台DC-BANK,蓄电池容量150Ah×2，单组电池个数为41只，这样可确保氧泵直流支撑时的电压接近513V,避免氧流量波动。

所有上述设计都是为了避免多组蓄电池组并联运行，因为电池组超过4组以上的并联会导致灾难性后果，也是各电池厂家严格禁止的做法：

A、电池组充电困难，5组电池并联因为电池组的实际内阻不均，必然会导致至少一组电池充不满，无法达到想要的电池容量要求。

使用时间越长，这种问题就越突出。

B、在4组以上电池并联放电时，内阻大的电池也相当于一个负载，必然会存在内阻小的电池组向内阻大的电池组放电问题，导致内部环流增大，降低变频器侧放电电压，减少支撑时间，增加电池发热，降低电池使用寿命，甚至导致整个系统瘫痪。

规范六　其他

7.1直流端子确认和技术配合

1、高压煤浆泵原配套的ABB变频器需增加直流母线由乙方联系，因增加直流母线产生的费用由乙方负责。

2、对高压煤浆泵原配套的ABB变频器进行改造需ABB变频器厂家技术人员配合由乙方联系，因ABB变频器厂家技术人员配合产生的费用由乙方负责。

我方已同ABB和AB技术人员确认，并获得技术支持，携手解决变频器直流母线端子问题，并由厂家提供直流支撑的技术支持。

7.2验收方法：

在工艺电动机、变频器工作正常的情况下，切断三相交流输入电源，系统自动切换成直流供电，保证受保护的工艺设备变频器及电机不间断运行在合同规定的时间内。

其中，变频器显示的频率保持恒定，没有任何变化。

然后送上三相交流电源，受保护的变频器及电机继续运行于交流电源工作状态，充电机给蓄电池充电，完成一次电源失电切换过程。

触摸屏显示并记录停电及恢复供电的时刻。

验收方法中，提到的变频器显示的频率保持恒定，并不能确保变频器所带电机的实际输出功率没有改变，因为变频器在VF控制模式和转矩控制模式下，直流母线电压下降虽不会造成变频器频率下降，但会造成实际输出功率下降。

实际验收应以气化工艺控制室DCS显示的实际煤浆流量和氧流量为标准。