节能型VTS雷达站的电源子系统设计与设备选型方法

一，背景

雷达站电源子系统是VTS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。

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）、柴油发电机及市电联合组成多路电源保障系统。

由于VTS雷达雷达站常建在沿海/水的相对地理高位，市电供应往往稳定性较差，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！这些雷达站不仅投资成本高，而且长期运行能耗、成本也非常可观。

随着“建设资源节约型、环境友好型国家”的理念深入人心，怎样建设节能型VTS雷达站已经成为VTS建设、维护人员理应科学思考的命题。本文通过对雷达站负载的分析，研究、测试节能型UPS、发电机特性，总结得出的满足雷达站混合负载特点的节能型电源子系统的设计方法和设备选型方法。该方法最后还通过了测试验证，证明可行，并已在珠海VTS项目中得到采用。

二，经典高耗能电源子系统案例分析

我们以如下典型案例，说明现有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。

案例1

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三相雷达马达及雷达收发机等单相开关电源设备

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

表2：该站实测UPS负载率与效率

该雷达站的能耗测试与实际应用结果分析：

该站UPS配置功率10kVA。UPS整体效率极低：负载率14%时，效率仅有57%（W），与UPS说明书宣称的90%以上的满载效率相去甚远。

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。该站电源子系统综合造价较高，运行效率仍旧较低，没有解决高能耗问题。

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分析

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——对负载特点缺乏科学、深入研究

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。

有的工程师能简单地了解到，UPS加入雷达马达负载后，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科学测量及分析，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