节能型VTS雷达站电源子系统的设计与设备选型方法-2015原作者最新版

（7）电源子系统的总体拓扑设计，应统 筹考虑站点的市电供应可靠度、维护难易度 等实际因素，决定是否采用冗余配置。
2. 雷达站负载分析
雷达天线马达纳入 UPS 供电后，与开关 电源设备组成了感性和容性混合负载。由于 感性动力负载对电源的需求特性与普通开关 负载显著不同，需要对雷达天线马达负载进 行测试，以获得其启动过程的瞬态特性和正 常运行的稳态特性，进而界定 UPS 的带载设 备，支持 UPS 选型。
为了保障雷达站设备可用率负荷要求 （≤5 年使用年限的 VTS 系统设备，一级可用 率要求≥99.9%[1]），雷达站通常由 UPS（不间 断电源）、柴油发电机及市电组成多路电源保 障系统。
由于 VTS 雷达雷达站通常建在沿海/水 的相对地理高位，市电供应稳定性普遍较差， 因而 UPS 和发电机便成为 VTS 雷达站电源子 系统的关键组成设备。长期以来，雷达站电 源子系统的设计和设备选型，都不同程度地 存在着侧重系统可靠性，而忽略节能性的现 象。比如，总稳态功耗为 2kVA 的混合负载， 往往被配置了 10kVA 甚至 20kVA 的 UPS，为 之匹配的发电组的常备功率被配置成 20kVA 甚至 30kVA 或以上！这些雷达站不仅建设成 本高，而且长期运行能耗、维护成本也非常 可观。
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表 2：该站实测 UPS 负载率与效率
伏安
测试对象
瓦（W） （VA）
UPS 输入
1933
2765
UPS 输出
1103
1734
UPS 负载率
14%
17%
UPS 效率
57%
63%
该功率 10kVA。UPS
整体效率极低：负载率 14%时，效率仅有 57%
（4）UPS 应能具备优良的输入特性，以 减少对电网的污染，降低对所匹配发电机的 容量要求，实现 UPS 与发电机的高效匹配和 节能运行。因而，UPS 应在多个技术指标方 面满足：
输入功因应能足够高，比如 0.99。 UPS 输入电流谐波足够低，比如小于
5%。 UPS 对所配套发电机的容量要求尽
二. 经典高耗能电源子系统案例分析
我们以如下典型案例，说明传统雷达站 电源子系统普遍存在的，在能源利用率方面 的问题和不足。
一. 背景
1. 案例 1
雷达站电源子系统是 VTS 系统（Vessel Traffic System 船舶交通管理系统）的重要组 成子系统。该系统负载通常由动力负载和开 关电源负载组成混合负载。其中，动力负载 为雷达天线马达；开关电源负载为：雷达、 微波、甚高频收发机、以及雷达信号处理器、 AIS（船舶自动识别系统）等开关电源设备。
（W），与 UPS 说明书宣称的 90%以上的满 载效率相去甚远。
（2）该站 UPS 的输入谐波特性不佳。当
雷达站发电机代替市电供电后，UPS 经常提 示 “逆变器内部故障”告警，并自动转直流
逆变输出，发电机无法向 UPS 正常供电。而
采用常备功率为 25kVA 或更大功率的发电机 来匹配该 UPS 时，则可正常匹配。该站电源
总之，传统雷达站电源子系统在节能应用 方面的缺失，存在技术、认识、管理上多方 面原因。本文重点在技术方面深入论述及提 供 VTS 雷达站电源子系统的节能应用。
四. 节能型雷达站电源子系统设计与设 备选型方法
节能型雷达站电源子系统的设计应实现 系统可靠性 与节能性兼顾。电源子系统的节 能性、可靠性以及经济性是相辅相成、辩证 统一的。优秀的节能型电源产品，往往设计 更趋合理，系统功耗更低，可靠性也更高， 其长期运行成本相应较低。因此，由节能型 产品组成的电源子系统之综合经济性也更 优。
可能低。比如 UPS 在接近满载工况条件下， 配套发电机与 UPS 的额定输出功率比值应低 至 1:1.2～1:2.0 之间。
（5） 为确保电源子系统三相平衡运行， 减少故障节点。应优先采用三相电源子系统： 采用“三进三出”的 UPS 并匹配三相输出发 电机。
（6）配套发电机组的功率储备除了能 满足与节能 UPS 的正常匹配外，还应尽可能 使机组工作在经济负荷区间。
可见，雷达天线马达是个稳态功耗较低， 而瞬态功耗较高（约达到稳态的 7 倍），启 动时间较长（长达 2~3s）的动力负载。
（2） 开关电源设备
开关电源设备属于弱感性负载，额定功 耗较低（实测表明，微波收发机最大稳态功 耗为 273VA，仅为雷达天线马达的 814VA 的 1/3）。而且现代开关电源设备，普遍采用“软 启动”电路，防止浪涌电流的形成，实现开 机全过程无瞬态冲击电流。如图 5 为某款台 式 PC 开关电源的实测启动电流波形：
子系统综合造价较高，运行效率仍旧较低，
是典型的高耗能电源系统。
2. 案例 2
有的雷达站为了追求可靠性，采用了图 2 所示的冗余 UPS 电源子系统。但由于对 UPS 及发电机的节能选型缺乏考虑，简单地采用 了高能耗电源产品，所设计的冗余 UPS 电源 子系统，不仅增加了配套发电机及 UPS 的一 次性采购成本，而且由于冗余并机后的能耗 增加，长期运行、维护成本更高。
图 2： UPS 冗余电源子系统拓扑
三. 高耗能雷达站电源子系统的成因
多年来，高耗能电源子系统在不少雷达 站的得到应用，其原因是是多方面的：
1. 产品原因——早期缺乏节能型 UPS
早期，市场上小功率（5kVA 或以下）单 相输出和大功率（10kVA 或以上）三相输出 的 UPS 较多，小功率三相输出的 UPS 教少； 侧重接入 IT 开关电源负载的 UPS 较多，能
有的工程师能简单地了解到，UPS 加入 雷达天线马达负载后，负载的开机瞬间启动 冲击电流可能数倍于负载的稳态电流。但具 体到启动瞬态电流和常态电流之比到底多 大，启动过程持续时间到底多长等关键技术 细节缺乏严谨的测量及分析，因而对如何选 择节能型 UPS 或发电机无从下手。不得已只 能照搬传统经验或听信厂家的 推荐，容易落 入电源供货商的“行业陷阱”。
3. 行业陷阱——利润率与功率成正比
通常，电源产品（如 UPS、发电机等） 的利润率是与产品的额定输出功率成正比 的。销售人员往往尽其所能去推销大功率、 高利润机器；；电源子系统的推荐方案均力求 按利润最大化来考虑。如配置就高不就低； 能用大功率不用小功率；电池能上长延时不 上短延时等。有的供货商甚至将上述经验形 成技术文档，使电源子系统各设备间的匹配 简单化、教条化（比如将 UPS 的额定输出功 率按 5 倍于负载稳态功耗配置；发电机额定 输出功率 2~5 倍于 UPS 额定输出功率配置）， 向买家施加“技术影响”。
（1） 雷达天线马达
某 VTS 集成商提供两种类型的 1P 雷达天 线马达，即直接启动或带缓启动器的三相雷 达天线马达。这两种马达的启动过程电流截 图如图 3、图 4。
图 3 中，单相瞬态峰值电流为 12.5A（三 相总有效值功率 6.0kVA/<2s）；单相稳态峰值 电流为 1.83A（三相总有效值功率 0.85kVA）。
图 1 为某雷达站电源子系统拓扑。该雷 达站配置如下：
UPS 型号：法国梅兰日兰银河 3000，三 进三出 10kVA UPS，输出功率因素 0.8
发电机组型号：英国 Wilson，常备功率 （12 小时可连续运行的功率）14kVA(11.2KW) 三相发电机
负载类型：某品牌 1P 三相雷达天线马 达及雷达收发机等单相开关电源设备
要实现节能电源系统的应用，首先要针对 节能型产品及其应用提出需求目标，即节能 型系统设计和产品选型目标，进而支持产品 的前期筛选、招标技术规格书编制和实际招 标工作。
1. 设计、选型目标
针对 VTS 雷达站的节能型电源子系统的 设计、选型目标如下：
（1）雷达站通常要求 24h 不间断可靠运 行，应将雷达天线马达纳入 UPS 统一供电， 增强系统可用度和可靠性。
带混合负载的 UPS 较少。且早期 UPS 在设计 上大多侧重系统可靠性，节能特性并不突出 或者不是主要卖点。由于这些市场的原因， 可供 VTS 雷达站配套的节能型 UPS 极少，用 户不可避免选择了高耗能 UPS 产品。
2. 专业知识——对负载特点缺乏认识
一些 VTS 工程师对雷达站负载及电源子 系统的节能设计缺乏深入了解和研究，习惯 照搬传统经验或听信厂家销售人员的推荐。 比如，采用 5 倍于负载的稳态功耗作为的 UPS 的额定输出功率。雷达站负载稳态功耗 2kVA，就配置 10kVA 的 UPS。至于 UPS 匹 配的发电机，不是在深入了解 UPS 及发电机 特性的基础上进行合理、节能选型，而是根 据厂家的所谓经验公式，简单采用 2~5 倍于 UPS 额定功率的大功率发电机组。
节能型 VTS 雷达站电源子系统的设计与
设备选型方法
陈江彦 （珠海海事局 519015）
内容提要：针对传统 VTS 雷达站电源子系统 普遍侧重系统可靠性、忽略节能性、系统运 行高耗能的现状，分析其原因，并通过对节 能型电源产品的深入研究和测试，提出可靠 性与节能性兼顾的 VTS 雷达站电源子系统的 设计与设备选型方法。该方法已在实际项目 中得到采用，望对 VTS 电源子系统或其它与 UPS、发电机有关的电源系统的节能设计、 选型及改造提供实用参考价值。
（2）由 于 雷 达 站 混 合 负 载 通 常 仅 为 2kVA，UPS 应能在较低的负载率下具备较高 的综合运行效率。比如，在 1KW 纯阻性仿真 负载下，UPS 双转换模式下效率≥80%，ECO 模式下效率≥90%。
（3）由于雷达天线马达是感性动力负 载，瞬态启动电流较大，UPS 的瞬态过载能 力应能足以应对雷大马达的瞬态启动，而不 是依靠加大 UPS 额定输出功率储备来满足启 动要求。
图 1： 某雷达站电源子系统拓扑
该站负荷及节能性测试结果如表 1、表 2
所示。
表 1：该站实测 UPS 负载的稳态功耗
伏安
测试对象
瓦（W） （VA）
雷达天线马达