3.3 节能型雷达站供电系统设备的选型方法

　　(1) UPS的稳态功率和瞬态功率

　　传统的设计方法是:依靠预留稳态功率来启动负载。如采用5倍或以上的负载稳态功耗作为UPS额定功率。虽然这样可行,但却造成UPS长期工作在低负载率(本例负载率仅20%)的高耗状态下运行。这也是传统雷达站供电系统设计上不节能的原因之一。

　　根据上述负载分析,由于负载从启动到正常运行,存在稳态和瞬态两过程,即负载功耗不是稳态恒定的,因此,应充分利用UPS的稳态功率和瞬态过载能力特性,并寻求平衡点,以满足负载需求:

　　①UPS标称功率(稳态功率)应在满足负载需求的基础上尽可能低。

　　需要指出的是雷达站为专业系统,系统建成后,基本为雷达站专用,极少有功率扩容的情况。因此,系统建设时适度预留功率即可,不宜增大预留功率储备。

　　UPS的效率与带载率(负载稳态功耗与UPS标称功率比值)成正比。带载率80%的UPS比带载率10%的UPS效率高。因此,UPS的额定功率“够用”即可,不要预留太大的功率储备,如将负载率控制在40%～80%之间,对于2kA的稳态负载,UPS额定功率可为5kVA或更低。

　　UPS的额定功率与瞬态过载能力成正比,过低的额定功率配置有利于提高负载率,却不能提供足够的瞬态过载能力,以实现动力负载的起动。所以UPS的额定功率需要在考虑瞬态过载能力的同时寻求平衡点。

　　②应充分利用UPS瞬态过载特性来启动负载,而不是依靠UPS稳态功率特性。

　　正确的做法是：充分选用UPS瞬态过载能力来启动负载，而不是预留稳态功率来启动负载。如某品牌5kVA UPS功率模块瞬态工作能力如表3所示。

　　对该5kVA模块的实测发现,该模块125%～150%负载率时的瞬态过载能力可达到 6.25～7.5kVA/min,完全可以满足雷达电动机功率为6.0kVA/<1s的起动要求。

　　由于目前市面三进三出UPS最小功率模块绝大多数为10kVA,该UPS最小模块单元为5kVA。一方面完全可以满足2kVA的稳态负载功率需求,但是依靠传统稳态选型方法,5kVA是无法满足雷达电动机6.0kVA<1s的瞬态起动需求的。同样稳态选型方法将会放弃该模块,而另外选择更大功率模块,比如10kVA功率模块。经过分析及实测表明,利用该UPS瞬态过载特性来启动负载是完全可行的。

　　(2) 选用低负载率下高效的UPS及ECO模式

　　当前市场上绝大多数UPS标称的效率指标为UPS满载效率,即《CSCG1604-2006不间断电源节能产品认证实施规则》所描述的“在额定输入电压、额定输出功率、电池断开的条件下,UPS输出端的功率与输入端的功率之比” 。

　　UPS的满载双变换在线运行效率通常都能达到90%以上。但事实上,有如下几种因素影响到UPS的实际运行效率:

　　①很少有用户将UPS工作在满载条件下。比如上述例子中,为了应对动力负载瞬态起动,必须选用至少5kVA额定功率的UPS。而2kVA的稳态负载相对于5kVA的功率模块,负载率为40%,显然UPS可能无法实现80%以上的高载高效运行;

　　②UPS除了工作在双变换模式下,也经常因为市电停电而工作在电池逆变模式下;

　　③UPS在ECO(经济模式)下也存在效率问题。

　　因此,节能型UPS在设计时需要在多个方面考虑运行效率:不仅在高负载率实现高效率,在低负载率时,也能实现在线双变换、电池逆变模式、ECO模式的高效运行。只有这样,才能保证UPS接入雷达站混合负载后有足够高的效率,以进一步优化供电系统效率。

　　由于很少有UPS提供低负载率下的效率指标,因此需要对所选择的UPS进行必要的测试。

　　某高效UPS在1kW低负载率下的实测效率指标(见表4):该UPS在额定情况下的满载效率≥92%，在1kW低负载率下，不同工作模式的实测效率可高达80%以上。而有许多UPS由于设计上的原因，负载率在20%以下时，效率已经≤50%甚至更低。

　　为了进一步提高效率,可将UPS运行在ECO 模式下:ECO模式相比双变换模式,能提高整机效率3%～10%。虽然节能幅度不大,但是在不影响电源系统及负载正常运行的前提下进行。

　　需要注意的问题是由于ECO模式在市电中断后,将由电池逆变供电,或者在市电恢复后,由电池逆变供电恢复到ECO模式,这两个动作的期间存在切换时间,对于开关电源设备,市电中断时间小于10ms不会影响设备正常运行。因此ECO模式与电池模式间的切换时间要求<10ms。

　　某款“三进三出”UPS在ECO模式切换时间如图5所示。从图中可以读出,切换时间toff≈4ms。

　　(3)选用具备输入延时启动的UPS

　　由于有的雷达站市电停电时间较长,在市电停电后,需要发电机为UPS供电的同时,也为空调供电。而空调也是典型的动力负载之一,瞬间启动的功耗是稳态功耗的数倍,为了避免发电机同时为UPS和空调带载而造成过载,需要设法将空调和UPS接入发电机的时间错开。

　　具备延时启动的UPS可实现这样的功能,该功能在市电停电后,在来电(发电机供电或市电供电)的过程中,可以设置UPS延时接入来电,因而可以与发电机的其他负载(如空调)错开起动时间,避免启动峰值叠加。

　　这样的好处体现在节能上。由于错开了瞬间启动时间,发电机的功率储备无需按照所有负载瞬间启动功率的叠加来设置,而是根据负载的稳态总功率来配置。

　　(4)选用具备优秀整流滤波技术的UPS

　　有研究表明,整流滤波器件是UPS的主要部件之一,这种非线性负载会向柴油发电机组回馈大量的以5次和7次谐波为主的高次谐波,导致发电机输出电压、频率宽幅变动,UPS因检测到过电压或过频率而触发保护,如自动关断整流器,转由旁路直接向负载供电。

　　由于UPS采用不同整流技术,其产生的谐波分量也不同,对发电机的要求也不同。传统的解决方案是通过加大发电机的输出功率来降低发电机输出阻抗,提高发电机与UPS的匹配能力。因而通常采用2.0～3.5倍于UPS额定输出功率的大功率发电机。某电源设备销售公司推荐的发电机与UPS的额定输出功率的比值如表5所示。

　　从表5看出,采用先进整流技术的UPS,将有利于降低对发电机的功率要求,提升系统节能效果。随着UPS整流滤波技术的发展,高效UPS对发电机的要求已不局限于表格中简单的比值关系,而是要根据负载大小来配置。

　　比如,某款高效UPS采用了独特的整流滤波技术,其对发电机功率的要求主要取决于负载的功耗大小,而非简单的比值关系。

　　同样,对该款UPS进行测试。案例1中的英国Wilson 14kVA(11.2kW)三相发电机,与梅兰日兰银河3000 10kVA UPS无法正常配合,但在与该款高效UPS正常配合(无论5kVA还是10kVA额定功率配置),负载正常启动并运行,UPS不存在任何告警。发电机与UPS的额定输出功率比值仅为1.1。

　　主要原因是:

　　①UPS整流滤波电路谐波较小,输入功率因数较高;

　　②整机1kW低载效率≥80%,自身功耗小。

　　③另外,负载稳态功率仅有2kVA,即使考虑到UPS自身功耗及整流充电电路的功耗(一般电池的充电电能相当于UPS容量的20%～25%左右),发电机的实际稳态负荷≤5kVA。发电机额定功率与负载稳态功耗比值为2。所以,上述英国Wilson 14kVA(11.2kW)三相发电机匹配10kVA的UPS是完全可行的,关键看UPS特性而定。

　　(5)采用冗余UPS,也应兼顾效率

　　上述表4中,有的UPS在两个5kVA模块(10kVA)及5kVA单模块下均具备80%以上的整机效率,这样的UPS采用“1+1”模块化冗余后,其系统可靠性显著增强,但整机效率仍然较高,符合节能雷达站的设计目的,因此可以采用。

　　对比很多冗余雷达站供电系统的建设,发现冗余UPS只是简单追求UPS的并联或冗余,如案例1中,采用两台低效10kVA UPS进行并联,实现额定功率为20kVA的“1+1”并机冗余。整机效率较单台UPS的效率而言是降低,而不是提高。

　　(6)发电机的选型

　　如果UPS完全满足了雷达站负载的瞬态和稳态需求,也只能说明UPS的带载能力满足需求。只有带载能力、效率都满足要求的UPS才是最佳选择。发电机的选型也是如此。

　　为使柴油机经常在经济负荷下运行,减少燃油消耗,降低发电成本,柴油机发电机组的最佳经济运行状态是在标定功率的75%～90%。若柴油发电机组在低于额定功率50%,机油消耗加大、柴油机容易结炭、增大故障率、缩短大修周期。

　　比如案例1中2kVA雷达站负载,若采用某款高效UPS,额定功率为10kVA。考虑到UPS自身功耗及整流充电电路的功耗(一般电池的充电电能相当于UPS容量的20%～25%),发电机的实际稳态负荷为2kVA(UPS负载稳态功耗)+5kVA×0.25(UPS充电)+2kVA×20%(UPS损耗,UPS效率80%)≤5kVA。

　　发电机瞬态负荷主要是雷达电动机起动瞬间的功耗(其他开关电源在雷达电动机起动进入稳态后再逐一启动),则发电机的瞬态负荷为6kVA/1s(UPS负载瞬态功耗,此时以UPS依靠瞬态过载能力来启动负载)+5kVA×0.25(UPS充电)+6kVA×20%(UPS损耗,UPS效率80%)≤9kVA。

　　①若采用一般发电机,稳态发电机具备额定功率下10%的备用过载能力(每运行12h内,允许有1h的过载运行,过载能力为10%,满足ISO3046-1的要求)发电机额定功率为负载最大瞬态负载/(0.75～0.9)。上述例子中选择10kVA,另外解释了案例1中发电机与UPS的匹配。

　　②若采用带PMG(永磁机励磁)发电机,由于PMG系统提供一个与定子输出电压波形畸变及大小无关的恒定的励磁电源,因而能提供较高的电动机起动承受能力，并对非线性负载产生的主机定子输出电压的波形畸变具有抗干扰性，可提高发电机带非线性负载能力，通常可达3倍额定电流，持续10s。

　　因此上例子中,在采用PMG发电机后,发电机额定功率可取负载稳态功耗,即5kVA。此时,发电机瞬态能力达15kVA/10s,完全满足负载瞬态8kVA/1s的启动要求。

　　3.4 节能型雷达站供电系统案例

　　最佳电源拓扑的依据是:

　　(1) 为了增强供电可靠性,应将包括三相雷达电动机在内的雷达站设备由UPS负载统一供电。

　　(2) 可能减少不必要的故障节点,不宜采用多UPS或UPS+EPS(专供雷达电动机)组成的多电源故障节点电源系统。

　　(3) 尽可能确保电源三相平衡运行。应优先采用“三进三出”电源系统:“三进三出”UPS并匹配三相输出发电机。尽力避免采用“三进单出”UPS及“变频器”。

　　4 结束语

　　虽然有的VTS雷达站通过将动力负载(雷达电动机)脱离出来单独直接供应交流的方法,但牺牲了可靠性。合理的供电系统设计应该兼顾可靠性与节能性。

　　(1)建立低负载率下的效率指标要求,以满足产品的选型、采购绝大多数UPS标称的效率为满载效率(90%或以上)的要求,有的节能产品认证规则也没有对低负载率下的效率指标提出验证要求,如《CSCG1604-2006不间断电源节能产品认证实施规则》。

　　(2)建议对选型产品进行必要的带载或仿真测试。

　　(3)建议总结前述对节能型雷达站供电系统的分析,编制有关UPS节能相关的技术规格书,以指导招标。

　　(游米儿)