本文針對普通光伏供電系統的不足,研究華為混合供電系統的諸多領先技術優勢,總結該系統在實現無市電海島雷達站零碳綠色供電的設計辦法和實踐成果,望對類似光伏發電為主的供電系統提供新建、改造等實用參考價值。

01背景
　　
　　雷達站供電子系統是VTS(船舶交通服務)系統的重要組成,其為雷達天線馬達、雷達收發機、VHF收發機等不間斷運行的VTS設備供電[1]。
　　
　　2016年珠海荷包雷達站在柴油發電機組及UPS(不間斷電源)組成的“柴電+UPS”系統基礎上,新增普通光伏發電設備,組成“柴電+普通光伏+UPS”系統,該系統較“柴電”系統大幅節能降耗[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致的維護費用和維護工作量大幅增加,未能實現長期低成本的零碳(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,該系統以極簡、高效、智能和長期低成本等優勢,解決了歷往電源系統的不足或缺陷,實現了無市電海島雷達站的零碳供電目標。
　　
　　本文匯總普通光伏系統的經驗教訓,研究和總結華為混合供電系統的實踐辦法。

02“柴電+普通光伏+UPS”供電系統
　　
　　光伏發電為主,柴油發電為輔的“柴電+普通光伏+UPS”供電系統存在如下不足或缺陷:
　　
　　①光伏儲能鉛酸電池組損耗大、壽命短。該電池組標稱“質保5年光伏專用”,但實際運行3年期間,出現多個電池單體高內阻而造成儲能容量顯著降低,柴油發電機組運行時間明顯增加;
　　
　　②光伏主機環境適應性和可靠性差。運行期間,光伏發電板DC/DC件全部故障并返修;當儲能電池組頻繁充、放交替時,主機將自動中斷輸出,直至人工重啟方可恢復;
　　
　　③光伏主機缺乏“光-柴聯動”功能。通過采用外置電壓比較器比較電池組電壓和預設門限,實現了簡單的油機啟、停功能。但由于鉛酸電池組長期處于深循環工作狀態,電池內阻增加快,電壓波動大,極易造成比較器對柴油發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;
　　
　　⑤光伏主機不具備網管功能。所采用的第三方外置網管模塊只可“監”而不可“控”,無法提供對主機的遠程控制能力;
　　
　　⑥系統供電節點多,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3年的運行統計,該系統較“柴電+UPS”系統,可實現年均節省66.7%的柴油消耗(圖12)和減少碳排放16噸(圖13),節能降耗可觀。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3年實際運行費用推算,“柴電+普通光伏+UPS”系統較“柴電+UPS”系統,10年TCO增加13.3%。
　　
　　可見,對無市電海島雷達站的節能供電系統建設,僅僅依靠簡單地增加光伏發電設備,是不足以實現穩定可靠碳零供電目標的,可靠、高效新能源產品的選型和配套設計不可或缺。

03華為混合供電供電系統
　　
　　針對“柴電+普通光伏+UPS”系統的不足,新系統設計的基本原則是:減少供電節點,采用高可靠、高效模塊化供電系統,提高能源利用率和供電效率,實現長期高效低成本的零碳供電目標。具體技術關鍵點是:在確保感性負載瞬態啟動的前提下,盡可能減少逆變器配置數量,降低采購成本和減少損耗;實現智能化“光-柴互補”聯動控制和可“監”可“控”智能網管功能。
　　
　　經廣泛比選,華為混合供電系統符合甚至超越雷達站供電系統的改進目標。該采用基于48V直流母線的高效高密度模塊化系統設計,可提供N+1備份,提高系統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,減少供電節點,降低供電系統購置和維護成本,提升供電可靠性。
　　
　　該系統支持太陽能、市電、柴電等多種能源同時接入和調度,支持多制式交流和直流輸出。該系統在效能上超越YD/T2321-2011、YD/T777-2006及YD/T1095-2018等行業標準技術要求,高度契合雷達站可靠、高效供電的基本原
則要求。該系統MTBF指標高達500000h,工作環境要求寬泛: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的海島機房工作環境。
　　
　　荷包雷達站電源系統優化項目(以下簡稱“項目”)利舊室外光伏組件,采用華為混合供電系統作為電源系統的核心,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 ? 系統拓撲
　　

　　新電源子系統系統拓撲如圖2所示。其中,華為混合供電系統原理圖如圖3所示。
　　

2 ? 系統設計
　　
　　①太陽能模塊配置
　　
　　新系統利舊原有83塊光伏組件,可提供24.1kW最大發電功率,平均日發電量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設備的最大穩態功耗為1.2kW,輔助設備根據需要偶爾使用。
　　
　　華為S4875G1太陽能模塊(太陽能充電模塊)將太陽能板產生的直流電轉換為48V直流電,并具有MPPT(最大功率點追蹤)功能,其轉換效率高達>98%(50%至100%負載率)[3],超越YD/T2321-2011標準中關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的最大發電功率。
　　
　　根據配置要求,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系列鉛酸電池循環壽命特性:可循環約350次(0.17C,85%DOD,25℃),可見,作為儲能蓄電,鋰電池組循環壽命優勢顯而易見,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%,預計2022年與鉛酸電池的絕對成本基本持平[5]。當前,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濟,更少維護,是長期可靠性和經濟性兼具的優選儲能方案。
　　
　　根據荷包雷達站所在區域特點和維護經驗,儲能系統若滿足至少連續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計系統儲能。
　　
　　華為系統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設備);T(備電時間)=72h(3天);Vb(電池電壓)=48V;Kc(老化系數)=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稱100Ah/48V。經計算,CA=2574.8Ah,即需配置26組,組成123.6kWh總儲能容量。
　　
　　③逆變模塊配置
　　
　　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YD/T777-2006標準中關于額定輸出效率大于80%[6]的技術要求;結合太陽能模塊效率,整機效率也超越更為嚴格的YD/T1095-2018標準中關于在線式UPS10kVA<額定輸出容量<100kVA效率≥90%[7]的技術要求。
　　
　　根據雷達站雷達天線馬達和抽水泵兩大感性負載瞬態功耗特點,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)的瞬態啟動及所有負載穩態工作要求。此時,逆變模組剩余3個模塊作為備用,可提高系統冗余和可靠度。
　　
　　在優先保障VTS設備供電的基礎上,逆變模組配置仍需滿足4kW三相抽水水泵在其他負載均穩態工作的前提下的瞬態啟動要求,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量。本項目中水泵瞬態啟動功耗高達41.6Kw/≤150ms(圖6),而依據逆變器標稱的最大過載能力指標(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的逆變模組配置經現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
　　
　　針對原業界“光-柴互補”策略普遍存在的智能度、可靠度差的缺失,華為混合供電系統提供“電池SOC觸發+AI節油”的智能“光-柴互補”策略,實現原理為:第一步,AI自學習最近天氣狀態,預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化利用,原理是:柴電優先保障負載,剩余功率充電。該優化避免配置大功率柴油發電機組的盲目性,可使用現有小功率油機,保護已有投資,提高負載率,達到經濟和節能目的。本項目實現辦法是:軟件上,通過登錄本地監控設置頁面,預設電池SOC觸發條件為20%和啟動AI節油策略,并將柴電利用率設置至80%(即14.5kW×0.8=11.6kW,屬于油機高效負載率區間);硬件上,配置GIM油機擴展板,由板載干接點觸發油機啟停。
　　
　　⑤整流模塊配置
　　
　　本項目將已有的雙柴油發電機組的單臺接入供電系統,以供應急之需是有必要的。
　　
　　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]。
　　
　　⑥監控、網管實現華為混合供電系統支持GPRS/3G/4G/IP等組網方式。對多能源站點的管理,可購置服務器版NetEco網管系統。
　　
　　本項目僅就一個雷達站電源系統進行管理,暫無需配置服務器版網管,而是利用監控模塊的內置本地監控功能,實現對華為混合供電系統的全面管理,維護人員可直接在監控模塊面板或通過PC以Web方式操作所有監控功能。對于后者,本項目還利用VTS局域網擴展本地監控至VTS中心。
　　
　　此外,本項目還利用油機擴展板內置的4G組鏈接Internet,與華為NetEco云服務器互聯,實現了Web云網管的設備監控和數據分析功能。
　　
　　
　　無論本地監控還是云網管,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攝像等環境監控設備,實現電源設備和機房環境監控設備的管理集成,提供統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,降低運維成本。因此,該系統可監可控的綜合網管能力,已超越普通電源系統的網管定義范疇。

3 ? 新系統能效
　　
　　本文重點對影響系統效能的太陽能模塊、逆變模塊、鋰電池儲能能力進行驗證,數據來源于監控數據。統計期間為自系統建成運行后的持續70天,即2020年11月9日至2021年1月19日。統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:所有供電系統按10年使用壽命測算;“柴電+UPS”和“柴電+普通光伏+UPS”系統采用雙柴油發電機組,鉛酸電池組每2年更換;每升柴油綜合發電成本約11.9元(按2012-2016年統計,包含柴油發電機組維護、電池組更換、油品運輸等分攤費用[2]);華為混合供電系統配置單柴油發電機組,鋰電池組使用壽命10年。
　　
　　由圖14可看出,“柴電+普通光伏+UPS”系統雖然整體較“柴電+UPS”系統節油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。而華為混合供電系統,10年TCO僅為“柴電+普通光伏+UPS”系統的66%或“柴電+
　　
　　UPS”系統的75%,按當前運行趨勢推測,已具備全年供電零碳排放能力,是經濟性和環保性兼具的高效節能供電系統。

04思考和建議
　　
　　①利用系統高效優點,充分存儲或利用光伏能新系統雖然配置了和舊系統基本一致的電池儲能容量,但由于系統效率較高,后備時間大幅增強,如前所述,實際系統后備時間高達3.6天以上。雖然如此,經數據分析,系統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。基于此,可以預見日后在光照充裕的夏季，利用滿充時段開啟空調，充分利用光伏能；或者增加鋰電儲能容量，提升后備時間。
　　
　　②開發高壓直流母線系統,減少工程布線量,提高系統效能
　　
　　本項目中采用48V母線結構,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,多分組相應配套的電纜、配電成本以及工程量均相應增加。若采用高壓母線,則允許較多的光伏板件串聯,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值得期待。
　　
　　③完善行業標準,引導節能產品升級、創新一些行業標準,已經明顯滯后于產業的發展。比如YD/T777-2006要求逆變設備整機額定輸出效率大于80%[6],顯然相對現今普遍效率90%以上的節能產品來說,該要求已嚴重滯后于產業的發展了,應予以及時完善。
　　
　　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]的技術要求。而事實上,含有感性負載的綜合性負載,其瞬態功耗往往是穩態功耗的10倍以上,而為了應對這些感性負載的瞬態啟動,逆變模組需要配置較大功率,換言之,負載穩態工作期間,逆變器負載率往往不足10%。本文雷達站就是這樣的應用場景。此時,逆變器10%負載率下的效率才能準確體現供電系統的長期運行效率。因此,建議將10%負載率對應的效率予以標準化要求。
　　
　　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對感性負載的瞬態啟動。而現有標準沒有對逆變器毫秒級別的過載能力提出性能要求,故產品也沒有相應的性能指標供用戶做應用參考,本項目只能耗費人力針對感性負載進行瞬態過載能力的專項測試,以驗證配置的正確性。因此,從促進節能產品推廣應用的角度出發,建議在相關標準中增加毫秒級過載能力指標,比如250ms、500ms等級的過載能力指標等。
　　
　　④建立和完善節能減排制度和評價機制,鼓勵節能減排應用。
　　
　　企業基于節能減排相關法規及自身經濟效益的要求,通常自覺建立包括節能供電在內的諸多節能減排制度和措施。
　　
　　但在海事系統規模化的雷達站建設過程中,體制內的節能減排實踐,更多時候是管理者的自發探索,并非受到節能減排制度或評價機制的硬性約束。當前,政府部門對工程項目的績效評估,更多的是停留在預算完成率上,而相關節能減排管理制度、評價機制仍未系統性建立,人員創造的節能減排效益也就未能依據制度予以考核或評價,這些都不利于節能系統的應用和推廣。
　　
　　節能減排、綠色發展不僅是企業行為,更應該是包含政府在內的全社會的共同實踐。因此,體制內節能減排制度和評價機制的建立和完善任重而道遠。

華為混合供電系統，有解決方案，有現貨，可以聯系我們4006866839.