本文針對普通光伏供電系統(tǒng)的不足,研究華為混合供電系統(tǒng)的諸多領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢,總結(jié)該系統(tǒng)在實現(xiàn)無市電海島雷達站零碳綠色供電的設(shè)計辦法和實踐成果,望對類似光伏發(fā)電為主的供電系統(tǒng)提供新建、改造等實用參考價值。

01背景
　　
　　雷達站供電子系統(tǒng)是VTS(船舶交通服務(wù))系統(tǒng)的重要組成,其為雷達天線馬達、雷達收發(fā)機、VHF收發(fā)機等不間斷運行的VTS設(shè)備供電[1]。
　　
　　2016年珠海荷包雷達站在柴油發(fā)電機組及UPS(不間斷電源)組成的“柴電+UPS”系統(tǒng)基礎(chǔ)上,新增普通光伏發(fā)電設(shè)備,組成“柴電+普通光伏+UPS”系統(tǒng),該系統(tǒng)較“柴電”系統(tǒng)大幅節(jié)能降耗[2],但也存在光伏鉛酸儲能電池組損耗大、主機可靠性差、效率低、故障率高等原因而導(dǎo)致的維護費用和維護工作量大幅增加,未能實現(xiàn)長期低成本的零碳(零二氧化碳排放)供電要求。
　　
　　2020年底,荷包雷達站部署“華為混合供電”系統(tǒng),該系統(tǒng)以極簡、高效、智能和長期低成本等優(yōu)勢,解決了歷往電源系統(tǒng)的不足或缺陷,實現(xiàn)了無市電海島雷達站的零碳供電目標(biāo)。
　　
　　本文匯總普通光伏系統(tǒng)的經(jīng)驗教訓(xùn),研究和總結(jié)華為混合供電系統(tǒng)的實踐辦法。

02“柴電+普通光伏+UPS”供電系統(tǒng)
　　
　　光伏發(fā)電為主,柴油發(fā)電為輔的“柴電+普通光伏+UPS”供電系統(tǒng)存在如下不足或缺陷:
　　
　?、俟夥鼉δ茔U酸電池組損耗大、壽命短。該電池組標(biāo)稱“質(zhì)保5年光伏專用”,但實際運行3年期間,出現(xiàn)多個電池單體高內(nèi)阻而造成儲能容量顯著降低,柴油發(fā)電機組運行時間明顯增加;
　　
　?、诠夥鳈C環(huán)境適應(yīng)性和可靠性差。運行期間,光伏發(fā)電板DC/DC件全部故障并返修;當(dāng)儲能電池組頻繁充、放交替時,主機將自動中斷輸出,直至人工重啟方可恢復(fù);
　　
　　③光伏主機缺乏“光-柴聯(lián)動”功能。通過采用外置電壓比較器比較電池組電壓和預(yù)設(shè)門限,實現(xiàn)了簡單的油機啟、停功能。但由于鉛酸電池組長期處于深循環(huán)工作狀態(tài),電池內(nèi)阻增加快,電壓波動大,極易造成比較器對柴油發(fā)電機組的頻繁無效啟、停;
　　
　　④光伏主機不具備多能源同時接入能力。光伏電和柴電的接入必須“二選一”,造成切換期間輸出中斷,因此須配置UPS避免供電中斷;
　　
　?、莨夥鳈C不具備網(wǎng)管功能。所采用的第三方外置網(wǎng)管模塊只可“監(jiān)”而不可“控”,無法提供對主機的遠程控制能力;
　　
　?、尴到y(tǒng)供電節(jié)點多,自損大,綜合效率低。光伏主機10%負載率時,實測平均效率87.4%,UPS10%負載率時實測平均效率為86.5%,二者綜合效率僅為75.6%。
　　
　　經(jīng)3年的運行統(tǒng)計,該系統(tǒng)較“柴電+UPS”系統(tǒng),可實現(xiàn)年均節(jié)省66.7%的柴油消耗(圖12)和減少碳排放16噸(圖13),節(jié)能降耗可觀。但3年運行期間,因光伏主機可靠性等原因造成的供電中斷故障合計高達15次。此外,依據(jù)3年實際運行費用推算,“柴電+普通光伏+UPS”系統(tǒng)較“柴電+UPS”系統(tǒng),10年TCO增加13.3%。
　　
　　可見,對無市電海島雷達站的節(jié)能供電系統(tǒng)建設(shè),僅僅依靠簡單地增加光伏發(fā)電設(shè)備,是不足以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠碳零供電目標(biāo)的,可靠、高效新能源產(chǎn)品的選型和配套設(shè)計不可或缺。

03華為混合供電供電系統(tǒng)
　　
　　針對“柴電+普通光伏+UPS”系統(tǒng)的不足,新系統(tǒng)設(shè)計的基本原則是:減少供電節(jié)點,采用高可靠、高效模塊化供電系統(tǒng),提高能源利用率和供電效率,實現(xiàn)長期高效低成本的零碳供電目標(biāo)。具體技術(shù)關(guān)鍵點是:在確保感性負載瞬態(tài)啟動的前提下,盡可能減少逆變器配置數(shù)量,降低采購成本和減少損耗;實現(xiàn)智能化“光-柴互補”聯(lián)動控制和可“監(jiān)”可“控”智能網(wǎng)管功能。
　　
　　經(jīng)廣泛比選,華為混合供電系統(tǒng)符合甚至超越雷達站供電系統(tǒng)的改進目標(biāo)。該采用基于48V直流母線的高效高密度模塊化系統(tǒng)設(shè)計,可提供N+1備份,提高系統(tǒng)配置靈活度和冗余能力。由于本身就具備UPS的基本特點,可以省略后端UPS,減少供電節(jié)點,降低供電系統(tǒng)購置和維護成本,提升供電可靠性。
　　
　　該系統(tǒng)支持太陽能、市電、柴電等多種能源同時接入和調(diào)度,支持多制式交流和直流輸出。該系統(tǒng)在效能上超越Y(jié)D/T2321-2011、YD/T777-2006及YD/T1095-2018等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求,高度契合雷達站可靠、高效供電的基本原
則要求。該系統(tǒng)MTBF指標(biāo)高達500000h,工作環(huán)境要求寬泛:運行溫度-40～+75℃;相對濕度5%-95%(無冷凝),非常適合無市電無空調(diào)的海島機房工作環(huán)境。
　　
　　荷包雷達站電源系統(tǒng)優(yōu)化項目(以下簡稱“項目”)利舊室外光伏組件,采用華為混合供電系統(tǒng)作為電源系統(tǒng)的核心,配置鋰電池組,代替原普通光伏主機、UPS及鉛酸電池組。保留雙柴油發(fā)電機組中的單機作為緊急備電使用。所有負載均保持不變。

1 ? 系統(tǒng)拓撲
　　

　　新電源子系統(tǒng)系統(tǒng)拓撲如圖2所示。其中,華為混合供電系統(tǒng)原理圖如圖3所示。
　　

2 ? 系統(tǒng)設(shè)計
　　
　?、偬柲苣K配置
　　
　　新系統(tǒng)利舊原有83塊光伏組件,可提供24.1kW最大發(fā)電功率,平均日發(fā)電量74.6kWh[2],為雷達站日平均功耗的2倍以上,余量充裕。雷達站的不間斷用電VTS設(shè)備的最大穩(wěn)態(tài)功耗為1.2kW,輔助設(shè)備根據(jù)需要偶爾使用。
　　
　　華為S4875G1太陽能模塊(太陽能充電模塊)將太陽能板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為48V直流電,并具有MPPT(最大功率點追蹤)功能,其轉(zhuǎn)換效率高達>98%(50%至100%負載率)[3],超越Y(jié)D/T2321-2011標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于太陽能控制器在輸出電壓48V,輸出功率≥1500W時,效率≥92%[4]的技術(shù)要求,能大幅提高能源利用率。
　　
　　項目配套8塊華為S4875G14kW高效太陽能模塊,組成最大32kW的光伏充電模組,可以覆蓋光伏板組件24.1kW的最大發(fā)電功率。
　　
　　根據(jù)配置要求,每個模塊最多接入3串4并合計12塊光伏單板,因此將83塊光伏板件由原有的3組改造成8組。
　　
　　②儲能鋰電池組配置
　　
　　華為ESM-48100B1鋰電池模塊為3U/5kWh的功率密度,循環(huán)壽命特性為:3500次(0.5C,85%DOD,35℃)[3];而某知名品牌的NP系列鉛酸電池循環(huán)壽命特性:可循環(huán)約350次(0.17C,85%DOD,25℃),可見,作為儲能蓄電,鋰電池組循環(huán)壽命優(yōu)勢顯而易見,非常適合邊遠海島站點儲能選用。而且,未來三年鋰電池價格將再下降30%,預(yù)計2022年與鉛酸電池的絕對成本基本持平[5]。當(dāng)前,鋰電池組雖初次投資成本較高,但其10年TCO卻較鉛酸電池組更經(jīng)濟,更少維護,是長期可靠性和經(jīng)濟性兼具的優(yōu)選儲能方案。
　　
　　根據(jù)荷包雷達站所在區(qū)域特點和維護經(jīng)驗,儲能系統(tǒng)若滿足至少連續(xù)3日完全無光照條件下的不間斷供電要求,即可總體上確保雷達站全年供電無中斷。本項目以此為前提設(shè)計系統(tǒng)儲能。
　　
　　華為系統(tǒng)鋰電池組的計算公式如下:
　　
　　式中:Pavg(平均功耗)=1.3kW(略大于1.2kWVTS設(shè)備);T(備電時間)=72h(3天);Vb(電池電壓)=48V;Kc(老化系數(shù))=0.85;η(逆變器效率)=90%;DOD(放電深度)=99%。
　　
　　ESM-48100B1磷酸鐵鋰儲能模塊標(biāo)稱100Ah/48V。經(jīng)計算,CA=2574.8Ah,即需配置26組,組成123.6kWh總儲能容量。
　　
　?、勰孀兡K配置
　　
　　華為I23002G1高效逆變器模塊單個功率2kVA。逆變器峰值效率≥94%[3],超越Y(jié)D/T777-2006標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于額定輸出效率大于80%[6]的技術(shù)要求;結(jié)合太陽能模塊效率,整機效率也超越更為嚴格的YD/T1095-2018標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于在線式UPS10kVA<額定輸出容量<100kVA效率≥90%[7]的技術(shù)要求。
　　
　　根據(jù)雷達站雷達天線馬達和抽水泵兩大感性負載瞬態(tài)功耗特點,本項目初步配置了9個2kVA逆變模塊組合成18kVA逆變功率模組。
　　
　　在配置6個2kVA逆變模塊時,即可完全滿足帶三相1P雷達天線馬達8.3kW/<1.8s(圖4)或6.6kW/<3.0s(圖5)的瞬態(tài)啟動及所有負載穩(wěn)態(tài)工作要求。此時,逆變模組剩余3個模塊作為備用,可提高系統(tǒng)冗余和可靠度。
　　
　　在優(yōu)先保障VTS設(shè)備供電的基礎(chǔ)上,逆變模組配置仍需滿足4kW三相抽水水泵在其他負載均穩(wěn)態(tài)工作的前提下的瞬態(tài)啟動要求,而且要充分利用逆變器的瞬時過載能力,以盡可能減少逆變器的配置數(shù)量。本項目中水泵瞬態(tài)啟動功耗高達41.6Kw/≤150ms(圖6),而依據(jù)逆變器標(biāo)稱的最大過載能力指標(biāo)(150%<負載量≤200%,>1.0s[3])是無法直接確認逆變模組配置正確性的。因而,9*2kVA的逆變模組配置經(jīng)現(xiàn)場實測確認可成功帶載水泵后才予以確認。
　　
　　④“光-柴互補”策略實現(xiàn)
　　
　　針對原業(yè)界“光-柴互補”策略普遍存在的智能度、可靠度差的缺失,華為混合供電系統(tǒng)提供“電池SOC觸發(fā)+AI節(jié)油”的智能“光-柴互補”策略,實現(xiàn)原理為:第一步,AI自學(xué)習(xí)最近天氣狀態(tài),預(yù)測下一天的太陽能獲取時間;第二步,基于電池SOC和太陽能收獲時間進行AI優(yōu)化,控制油機啟停,最大限度地利用光伏能,減少電池電量耗和油機運行時間。該策略原理如圖7所示。
　　
　　該策略還對柴電進行了優(yōu)化利用,原理是:柴電優(yōu)先保障負載,剩余功率充電。該優(yōu)化避免配置大功率柴油發(fā)電機組的盲目性,可使用現(xiàn)有小功率油機,保護已有投資,提高負載率,達到經(jīng)濟和節(jié)能目的。本項目實現(xiàn)辦法是:軟件上,通過登錄本地監(jiān)控設(shè)置頁面,預(yù)設(shè)電池SOC觸發(fā)條件為20%和啟動AI節(jié)油策略,并將柴電利用率設(shè)置至80%(即14.5kW×0.8=11.6kW,屬于油機高效負載率區(qū)間);硬件上,配置GIM油機擴展板,由板載干接點觸發(fā)油機啟停。
　　
　?、菡髂K配置
　　
　　本項目將已有的雙柴油發(fā)電機組的單臺接入供電系統(tǒng),以供應(yīng)急之需是有必要的。
　　
　　為將11.6kW的三相交流柴電整流至48V直流,并考慮三相平衡,整流模塊按3的數(shù)倍配置。華為R4875G1整流模塊額定功率4kW,實際配置6塊,合計24kW。本項目中,每個模塊工作負載率約48.3%,對照整流模塊負載率-效率曲線,該整流模組工作效率為97%[3]。
　　
　?、薇O(jiān)控、網(wǎng)管實現(xiàn)華為混合供電系統(tǒng)支持GPRS/3G/4G/IP等組網(wǎng)方式。對多能源站點的管理,可購置服務(wù)器版NetEco網(wǎng)管系統(tǒng)。
　　
　　本項目僅就一個雷達站電源系統(tǒng)進行管理,暫無需配置服務(wù)器版網(wǎng)管,而是利用監(jiān)控模塊的內(nèi)置本地監(jiān)控功能,實現(xiàn)對華為混合供電系統(tǒng)的全面管理,維護人員可直接在監(jiān)控模塊面板或通過PC以Web方式操作所有監(jiān)控功能。對于后者,本項目還利用VTS局域網(wǎng)擴展本地監(jiān)控至VTS中心。
　　
　　此外,本項目還利用油機擴展板內(nèi)置的4G組鏈接Internet,與華為NetEco云服務(wù)器互聯(lián),實現(xiàn)了Web云網(wǎng)管的設(shè)備監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析功能。
　　
　　
　　無論本地監(jiān)控還是云網(wǎng)管,可管理對象不僅包含市電、油機和各功能模塊,還包括溫感、門禁、IP攝像等環(huán)境監(jiān)控設(shè)備,實現(xiàn)電源設(shè)備和機房環(huán)境監(jiān)控設(shè)備的管理集成,提供統(tǒng)一管理平臺上的遠程運維能力,減少維護人員訪問站點次數(shù),降低運維成本。因此,該系統(tǒng)可監(jiān)可控的綜合網(wǎng)管能力,已超越普通電源系統(tǒng)的網(wǎng)管定義范疇。

3 ? 新系統(tǒng)能效
　　
　　本文重點對影響系統(tǒng)效能的太陽能模塊、逆變模塊、鋰電池儲能能力進行驗證,數(shù)據(jù)來源于監(jiān)控數(shù)據(jù)。統(tǒng)計期間為自系統(tǒng)建成運行后的持續(xù)70天,即2020年11月9日至2021年1月19日。統(tǒng)計期間雷達站處于弱光照冬季,具備能效評估的代表性。
　　
　　比對前提:所有供電系統(tǒng)按10年使用壽命測算;“柴電+UPS”和“柴電+普通光伏+UPS”系統(tǒng)采用雙柴油發(fā)電機組,鉛酸電池組每2年更換;每升柴油綜合發(fā)電成本約11.9元(按2012-2016年統(tǒng)計,包含柴油發(fā)電機組維護、電池組更換、油品運輸?shù)确謹傎M用[2]);華為混合供電系統(tǒng)配置單柴油發(fā)電機組,鋰電池組使用壽命10年。
　　
　　由圖14可看出,“柴電+普通光伏+UPS”系統(tǒng)雖然整體較“柴電+UPS”系統(tǒng)節(jié)油60%以上,但其鉛酸電池組的維護開銷較大,是10年TCO最貴的系統(tǒng)。而華為混合供電系統(tǒng),10年TCO僅為“柴電+普通光伏+UPS”系統(tǒng)的66%或“柴電+
　　
　　UPS”系統(tǒng)的75%,按當(dāng)前運行趨勢推測,已具備全年供電零碳排放能力,是經(jīng)濟性和環(huán)保性兼具的高效節(jié)能供電系統(tǒng)。

04思考和建議
　　
　?、倮孟到y(tǒng)高效優(yōu)點,充分存儲或利用光伏能新系統(tǒng)雖然配置了和舊系統(tǒng)基本一致的電池儲能容量,但由于系統(tǒng)效率較高,后備時間大幅增強,如前所述,實際系統(tǒng)后備時間高達3.6天以上。雖然如此,經(jīng)數(shù)據(jù)分析,系統(tǒng)儲能或光伏能利用率仍有提升空間。
　　
　　11月25日～26日儲能系統(tǒng)24h充放電和容量曲線。圖中，電池滿充(SOC=100%)時段約5h，即12:40-17:35。在該時段,由于無法進一步儲能,光伏能沒有得到充分利用?；诖?可以預(yù)見日后在光照充裕的夏季，利用滿充時段開啟空調(diào)，充分利用光伏能；或者增加鋰電儲能容量，提升后備時間。
　　
　?、陂_發(fā)高壓直流母線系統(tǒng),減少工程布線量,提高系統(tǒng)效能
　　
　　本項目中采用48V母線結(jié)構(gòu),光伏組件采用了最多3串的組合,存在較多的光伏組件分組。雖然較多的分組能減少局部光照遮擋對發(fā)電的不利影響,從而可提高光伏能利用率,但對于野外開闊無遮擋的雷達站場景,較多的分組方式并非必要,而且,多分組相應(yīng)配套的電纜、配電成本以及工程量均相應(yīng)增加。若采用高壓母線,則允許較多的光伏板件串聯(lián),可降低實施成本和工程難度,縮短工期,甚至較高電壓的直流母線系統(tǒng)在220V交流輸出場合,逆變效率還可進一步提升。因此,高壓直流母線的高效電源系統(tǒng)值得期待。
　　
　?、弁晟菩袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn),引導(dǎo)節(jié)能產(chǎn)品升級、創(chuàng)新一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)明顯滯后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。比如YD/T777-2006要求逆變設(shè)備整機額定輸出效率大于80%[6],顯然相對現(xiàn)今普遍效率90%以上的節(jié)能產(chǎn)品來說,該要求已嚴重滯后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展了,應(yīng)予以及時完善。
　　
　　又比如,YD/T1095-2018對在線式UPS提出了30%阻性負載時,效率≥90%(Ⅰ類)[7]的技術(shù)要求。而事實上,含有感性負載的綜合性負載,其瞬態(tài)功耗往往是穩(wěn)態(tài)功耗的10倍以上,而為了應(yīng)對這些感性負載的瞬態(tài)啟動,逆變模組需要配置較大功率,換言之,負載穩(wěn)態(tài)工作期間,逆變器負載率往往不足10%。本文雷達站就是這樣的應(yīng)用場景。此時,逆變器10%負載率下的效率才能準(zhǔn)確體現(xiàn)供電系統(tǒng)的長期運行效率。因此,建議將10%負載率對應(yīng)的效率予以標(biāo)準(zhǔn)化要求。
　　
　　另外,為減少逆變器功率配置的盲目性,本文談及了利用逆變器過載能力應(yīng)對感性負載的瞬態(tài)啟動。而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)沒有對逆變器毫秒級別的過載能力提出性能要求,故產(chǎn)品也沒有相應(yīng)的性能指標(biāo)供用戶做應(yīng)用參考,本項目只能耗費人力針對感性負載進行瞬態(tài)過載能力的專項測試,以驗證配置的正確性。因此,從促進節(jié)能產(chǎn)品推廣應(yīng)用的角度出發(fā),建議在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中增加毫秒級過載能力指標(biāo),比如250ms、500ms等級的過載能力指標(biāo)等。
　　
　　④建立和完善節(jié)能減排制度和評價機制,鼓勵節(jié)能減排應(yīng)用。
　　
　　企業(yè)基于節(jié)能減排相關(guān)法規(guī)及自身經(jīng)濟效益的要求,通常自覺建立包括節(jié)能供電在內(nèi)的諸多節(jié)能減排制度和措施。
　　
　　但在海事系統(tǒng)規(guī)?；睦走_站建設(shè)過程中,體制內(nèi)的節(jié)能減排實踐,更多時候是管理者的自發(fā)探索,并非受到節(jié)能減排制度或評價機制的硬性約束。當(dāng)前,政府部門對工程項目的績效評估,更多的是停留在預(yù)算完成率上,而相關(guān)節(jié)能減排管理制度、評價機制仍未系統(tǒng)性建立,人員創(chuàng)造的節(jié)能減排效益也就未能依據(jù)制度予以考核或評價,這些都不利于節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣。
　　
　　節(jié)能減排、綠色發(fā)展不僅是企業(yè)行為,更應(yīng)該是包含政府在內(nèi)的全社會的共同實踐。因此,體制內(nèi)節(jié)能減排制度和評價機制的建立和完善任重而道遠。

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