华为混合供电系统实现零碳高效海岛雷达站供电系统

    本文针对普通光伏供电系统的不足,研究华为混合供电系统的诸多领先技术优势,总结该系统在实现无市电海岛雷达站零碳绿色供电的设计办法和实践成果,望对类似光伏发电为主的供电系统提供新建、改造等实用参考价值。

01背景
　　
　　雷达站供电子系统是VTS(船舶交通服务)系统的重要组成,其为雷达天线马达、雷达收发机、VHF收发机等不间断运行的VTS设备供电[1]。
　　
　　2016年珠海荷包雷达站在柴油发电机组及UPS(不间断电源)组成的“柴电+UPS”系统基础上,新增普通光伏发电设备,组成“柴电+普通光伏+UPS”系统,该系统较“柴电”系统大幅节能降耗[2],但也存在光伏铅酸储能电池组损耗大、主机可靠性差、效率低、故障率高等原因而导致的维护费用和维护工作量大幅增加,未能实现长期低成本的零碳(零二氧化碳排放)供电要求。
　　
　　2020年底,荷包雷达站部署“华为混合供电”系统,该系统以极简、高效、智能和长期低成本等优势,解决了历往电源系统的不足或缺陷,实现了无市电海岛雷达站的零碳供电目标。
　　
　　本文汇总普通光伏系统的经验教训,研究和总结华为混合供电系统的实践办法。

02“柴电+普通光伏+UPS”供电系统
　　
　　光伏发电为主,柴油发电为辅的“柴电+普通光伏+UPS”供电系统存在如下不足或缺陷:
　　
　　①光伏储能铅酸电池组损耗大、寿命短。该电池组标称“质保5年光伏专用”,但实际运行3年期间,出现多个电池单体高内阻而造成储能容量显著降低,柴油发电机组运行时间明显增加;
　　
　　②光伏主机环境适应性和可靠性差。运行期间,光伏发电板DC/DC件全部故障并返修;当储能电池组频繁充、放交替时,主机将自动中断输出,直至人工重启方可恢复;
　　
　　③光伏主机缺乏“光-柴联动”功能。通过采用外置电压比较器比较电池组电压和预设门限,实现了简单的油机启、停功能。但由于铅酸电池组长期处于深循环工作状态,电池内阻增加快,电压波动大,极易造成比较器对柴油发电机组的频繁无效启、停;
　　
　　④光伏主机不具备多能源同时接入能力。光伏电和柴电的接入必须“二选一”,造成切换期间输出中断,因此须配置UPS避免供电中断;
　　
　　⑤光伏主机不具备网管功能。所采用的第三方外置网管模块只可“监”而不可“控”,无法提供对主机的远程控制能力;
　　
　　⑥系统供电节点多,自损大,综合效率低。光伏主机10%负载率时,实测平均效率87.4%,UPS10%负载率时实测平均效率为86.5%,二者综合效率仅为75.6%。
　　
　　经3年的运行统计,该系统较“柴电+UPS”系统,可实现年均节省66.7%的柴油消耗(图12)和减少碳排放16吨(图13),节能降耗可观。但3年运行期间,因光伏主机可靠性等原因造成的供电中断故障合计高达15次。此外,依据3年实际运行费用推算,“柴电+普通光伏+UPS”系统较“柴电+UPS”系统,10年TCO增加13.3%。
　　
　　可见,对无市电海岛雷达站的节能供电系统建设,仅仅依靠简单地增加光伏发电设备,是不足以实现稳定可靠碳零供电目标的,可靠、高效新能源产品的选型和配套设计不可或缺。

03华为混合供电供电系统
　　
　　针对“柴电+普通光伏+UPS”系统的不足,新系统设计的基本原则是:减少供电节点,采用高可靠、高效模块化供电系统,提高能源利用率和供电效率,实现长期高效低成本的零碳供电目标。具体技术关键点是:在确保感性负载瞬态启动的前提下,尽可能减少逆变器配置数量,降低采购成本和减少损耗;实现智能化“光-柴互补”联动控制和可“监”可“控”智能网管功能。
　　
　　经广泛比选,华为混合供电系统符合甚至超越雷达站供电系统的改进目标。该采用基于48V直流母线的高效高密度模块化系统设计,可提供N+1备份,提高系统配置灵活度和冗余能力。由于本身就具备UPS的基本特点,可以省略后端UPS,减少供电节点,降低供电系统购置和维护成本,提升供电可靠性。
　　
　　该系统支持太阳能、市电、柴电等多种能源同时接入和调度,支持多制式交流和直流输出。该系统在效能上超越YD/T2321-2011、YD/T777-2006及YD/T1095-2018等行业标准技术要求,高度契合雷达站可靠、高效供电的基本原
则要求。该系统MTBF指标高达500000h,工作环境要求宽泛:运行温度-40～+75℃;相对湿度5%-95%(无冷凝),非常适合无市电无空调的海岛机房工作环境。
　　
　　荷包雷达站电源系统优化项目(以下简称“项目”)利旧室外光伏组件,采用华为混合供电系统作为电源系统的核心,配置锂电池组,代替原普通光伏主机、UPS及铅酸电池组。保留双柴油发电机组中的单机作为紧急备电使用。所有负载均保持不变。

1 ✦ 系统拓扑
　　

　　新电源子系统系统拓扑如图2所示。其中,华为混合供电系统原理图如图3所示。
　　

2 ✦ 系统设计
　　
　　①太阳能模块配置
　　
　　新系统利旧原有83块光伏组件,可提供24.1kW最大发电功率,平均日发电量74.6kWh[2],为雷达站日平均功耗的2倍以上,余量充裕。雷达站的不间断用电VTS设备的最大稳态功耗为1.2kW,辅助设备根据需要偶尔使用。
　　
　　华为S4875G1太阳能模块(太阳能充电模块)将太阳能板产生的直流电转换为48V直流电,并具有MPPT(最大功率点追踪)功能,其转换效率高达>98%(50%至100%负载率)[3],超越YD/T2321-2011标准中关于太阳能控制器在输出电压48V,输出功率≥1500W时,效率≥92%[4]的技术要求,能大幅提高能源利用率。
　　
　　项目配套8块华为S4875G14kW高效太阳能模块,组成最大32kW的光伏充电模组,可以覆盖光伏板组件24.1kW的最大发电功率。
　　
　　根据配置要求,每个模块最多接入3串4并合计12块光伏单板,因此将83块光伏板件由原有的3组改造成8组。
　　
　　②储能锂电池组配置
　　
　　华为ESM-48100B1锂电池模块为3U/5kWh的功率密度,循环寿命特性为:3500次(0.5C,85%DOD,35℃)[3];而某知名品牌的NP系列铅酸电池循环寿命特性:可循环约350次(0.17C,85%DOD,25℃),可见,作为储能蓄电,锂电池组循环寿命优势显而易见,非常适合边远海岛站点储能选用。而且,未来三年锂电池价格将再下降30%,预计2022年与铅酸电池的绝对成本基本持平[5]。当前,锂电池组虽初次投资成本较高,但其10年TCO却较铅酸电池组更经济,更少维护,是长期可靠性和经济性兼具的优选储能方案。
　　
　　根据荷包雷达站所在区域特点和维护经验,储能系统若满足至少连续3日完全无光照条件下的不间断供电要求,即可总体上确保雷达站全年供电无中断。本项目以此为前提设计系统储能。
　　
　　华为系统锂电池组的计算公式如下:
　　
　　式中:Pavg(平均功耗)=1.3kW(略大于1.2kWVTS设备);T(备电时间)=72h(3天);Vb(电池电压)=48V;Kc(老化系数)=0.85;η(逆变器效率)=90%;DOD(放电深度)=99%。
　　
　　ESM-48100B1磷酸铁锂储能模块标称100Ah/48V。经计算,CA=2574.8Ah,即需配置26组,组成123.6kWh总储能容量。
　　
　　③逆变模块配置
　　
　　华为I23002G1高效逆变器模块单个功率2kVA。逆变器峰值效率≥94%[3],超越YD/T777-2006标准中关于额定输出效率大于80%[6]的技术要求;结合太阳能模块效率,整机效率也超越更为严格的YD/T1095-2018标准中关于在线式UPS10kVA<额定输出容量<100kVA效率≥90%[7]的技术要求。
　　
　　根据雷达站雷达天线马达和抽水泵两大感性负载瞬态功耗特点,本项目初步配置了9个2kVA逆变模块组合成18kVA逆变功率模组。
　　
　　在配置6个2kVA逆变模块时,即可完全满足带三相1P雷达天线马达8.3kW/<1.8s(图4)或6.6kW/<3.0s(图5)的瞬态启动及所有负载稳态工作要求。此时,逆变模组剩余3个模块作为备用,可提高系统冗余和可靠度。
　　
　　在优先保障VTS设备供电的基础上,逆变模组配置仍需满足4kW三相抽水水泵在其他负载均稳态工作的前提下的瞬态启动要求,而且要充分利用逆变器的瞬时过载能力,以尽可能减少逆变器的配置数量。本项目中水泵瞬态启动功耗高达41.6Kw/≤150ms(图6),而依据逆变器标称的最大过载能力指标(150%<负载量≤200%,>1.0s[3])是无法直接确认逆变模组配置正确性的。因而,9*2kVA的逆变模组配置经现场实测确认可成功带载水泵后才予以确认。
　　
　　④“光-柴互补”策略实现
　　
　　针对原业界“光-柴互补”策略普遍存在的智能度、可靠度差的缺失,华为混合供电系统提供“电池SOC触发+AI节油”的智能“光-柴互补”策略,实现原理为:第一步,AI自学习最近天气状态,预测下一天的太阳能获取时间;第二步,基于电池SOC和太阳能收获时间进行AI优化,控制油机启停,最大限度地利用光伏能,减少电池电量耗和油机运行时间。该策略原理如图7所示。
　　
　　该策略还对柴电进行了优化利用,原理是:柴电优先保障负载,剩余功率充电。该优化避免配置大功率柴油发电机组的盲目性,可使用现有小功率油机,保护已有投资,提高负载率,达到经济和节能目的。本项目实现办法是:软件上,通过登录本地监控设置页面,预设电池SOC触发条件为20%和启动AI节油策略,并将柴电利用率设置至80%(即14.5kW×0.8=11.6kW,属于油机高效负载率区间);硬件上,配置GIM油机扩展板,由板载干接点触发油机启停。
　　
　　⑤整流模块配置
　　
　　本项目将已有的双柴油发电机组的单台接入供电系统,以供应急之需是有必要的。
　　
　　为将11.6kW的三相交流柴电整流至48V直流,并考虑三相平衡,整流模块按3的数倍配置。华为R4875G1整流模块额定功率4kW,实际配置6块,合计24kW。本项目中,每个模块工作负载率约48.3%,对照整流模块负载率-效率曲线,该整流模组工作效率为97%[3]。
　　
　　⑥监控、网管实现华为混合供电系统支持GPRS/3G/4G/IP等组网方式。对多能源站点的管理,可购置服务器版NetEco网管系统。
　　
　　本项目仅就一个雷达站电源系统进行管理,暂无需配置服务器版网管,而是利用监控模块的内置本地监控功能,实现对华为混合供电系统的全面管理,维护人员可直接在监控模块面板或通过PC以Web方式操作所有监控功能。对于后者,本项目还利用VTS局域网扩展本地监控至VTS中心。
　　
　　此外,本项目还利用油机扩展板内置的4G组链接Internet,与华为NetEco云服务器互联,实现了Web云网管的设备监控和数据分析功能。
　　
　　
　　无论本地监控还是云网管,可管理对象不仅包含市电、油机和各功能模块,还包括温感、门禁、IP摄像等环境监控设备,实现电源设备和机房环境监控设备的管理集成,提供统一管理平台上的远程运维能力,减少维护人员访问站点次数,降低运维成本。因此,该系统可监可控的综合网管能力,已超越普通电源系统的网管定义范畴。

3 ✦ 新系统能效
　　
　　本文重点对影响系统效能的太阳能模块、逆变模块、锂电池储能能力进行验证,数据来源于监控数据。统计期间为自系统建成运行后的持续70天,即2020年11月9日至2021年1月19日。统计期间雷达站处于弱光照冬季,具备能效评估的代表性。
　　
　　比对前提:所有供电系统按10年使用寿命测算;“柴电+UPS”和“柴电+普通光伏+UPS”系统采用双柴油发电机组,铅酸电池组每2年更换;每升柴油综合发电成本约11.9元(按2012-2016年统计,包含柴油发电机组维护、电池组更换、油品运输等分摊费用[2]);华为混合供电系统配置单柴油发电机组,锂电池组使用寿命10年。
　　
　　由图14可看出,“柴电+普通光伏+UPS”系统虽然整体较“柴电+UPS”系统节油60%以上,但其铅酸电池组的维护开销较大,是10年TCO最贵的系统。而华为混合供电系统,10年TCO仅为“柴电+普通光伏+UPS”系统的66%或“柴电+
　　
　　UPS”系统的75%,按当前运行趋势推测,已具备全年供电零碳排放能力,是经济性和环保性兼具的高效节能供电系统。

04思考和建议
　　
　　①利用系统高效优点,充分存储或利用光伏能新系统虽然配置了和旧系统基本一致的电池储能容量,但由于系统效率较高,后备时间大幅增强,如前所述,实际系统后备时间高达3.6天以上。虽然如此,经数据分析,系统储能或光伏能利用率仍有提升空间。
　　
　　11月25日～26日储能系统24h充放电和容量曲线。图中，电池满充(SOC=100%)时段约5h，即12:40-17:35。在该时段,由于无法进一步储能,光伏能没有得到充分利用。基于此,可以预见日后在光照充裕的夏季，利用满充时段开启空调，充分利用光伏能；或者增加锂电储能容量，提升后备时间。
　　
　　②开发高压直流母线系统,减少工程布线量,提高系统效能
　　
　　本项目中采用48V母线结构,光伏组件采用了最多3串的组合,存在较多的光伏组件分组。虽然较多的分组能减少局部光照遮挡对发电的不利影响,从而可提高光伏能利用率,但对于野外开阔无遮挡的雷达站场景,较多的分组方式并非必要,而且,多分组相应配套的电缆、配电成本以及工程量均相应增加。若采用高压母线,则允许较多的光伏板件串联,可降低实施成本和工程难度,缩短工期,甚至较高电压的直流母线系统在220V交流输出场合,逆变效率还可进一步提升。因此,高压直流母线的高效电源系统值得期待。
　　
　　③完善行业标准,引导节能产品升级、创新一些行业标准,已经明显滞后于产业的发展。比如YD/T777-2006要求逆变设备整机额定输出效率大于80%[6],显然相对现今普遍效率90%以上的节能产品来说,该要求已严重滞后于产业的发展了,应予以及时完善。
　　
　　又比如,YD/T1095-2018对在线式UPS提出了30%阻性负载时,效率≥90%(Ⅰ类)[7]的技术要求。而事实上,含有感性负载的综合性负载,其瞬态功耗往往是稳态功耗的10倍以上,而为了应对这些感性负载的瞬态启动,逆变模组需要配置较大功率,换言之,负载稳态工作期间,逆变器负载率往往不足10%。本文雷达站就是这样的应用场景。此时,逆变器10%负载率下的效率才能准确体现供电系统的长期运行效率。因此,建议将10%负载率对应的效率予以标准化要求。
　　
　　另外,为减少逆变器功率配置的盲目性,本文谈及了利用逆变器过载能力应对感性负载的瞬态启动。而现有标准没有对逆变器毫秒级别的过载能力提出性能要求,故产品也没有相应的性能指标供用户做应用参考,本项目只能耗费人力针对感性负载进行瞬态过载能力的专项测试,以验证配置的正确性。因此,从促进节能产品推广应用的角度出发,建议在相关标准中增加毫秒级过载能力指标,比如250ms、500ms等级的过载能力指标等。
　　
　　④建立和完善节能减排制度和评价机制,鼓励节能减排应用。
　　
　　企业基于节能减排相关法规及自身经济效益的要求,通常自觉建立包括节能供电在内的诸多节能减排制度和措施。
　　
　　但在海事系统规模化的雷达站建设过程中,体制内的节能减排实践,更多时候是管理者的自发探索,并非受到节能减排制度或评价机制的硬性约束。当前,政府部门对工程项目的绩效评估,更多的是停留在预算完成率上,而相关节能减排管理制度、评价机制仍未系统性建立,人员创造的节能减排效益也就未能依据制度予以考核或评价,这些都不利于节能系统的应用和推广。
　　
　　节能减排、绿色发展不仅是企业行为,更应该是包含政府在内的全社会的共同实践。因此,体制内节能减排制度和评价机制的建立和完善任重而道远。

华为混合供电系统，有解决方案，有现货，可以联系我们4006866839.