浅谈优化VTS清洁能源雷达站

沈高瀚

摘要：随着VTS监控范围的扩大，未来将有更多VTS雷达站建设在海岛上。传统的离网发电雷达站一般采用柴油机进行发电，其供油及维护成本高，且会破坏脆弱的海岛生态。因此，采用清洁能源发电技术进行发电是未来VTS雷达站的重要发展方向。本文以金山雷达站为例，对目前使用中的清洁能源发电储能系统提出改善方案。

关键词：清洁能源   离网发电系统   金山雷达站  供电储能系统  蓄电池

洋山VTS辖区的金山雷达站是国内较早建设使用的清洁能源雷达站，采用风电——柴油互补发电技术。肩负着创新和科研的使命，是对未来VTS雷达站建设做出的有益尝试。

本文结合当前设备指标及技术能力，针对金山雷达站的实际情况，提出对金山雷达站储能蓄电池组、风力发电机组和柴油发电机设备的改善方案。通过改变储能蓄电池组的充电方式;重组储能蓄电池组;整体更新监控及自动控制系统等手段改善金山雷达站的供电储能系统。改善后的系统将拥有更优化的系统结构，较高的使用效率，可以较好地完成既定改善任务，目的是维持供电系统的稳定性和安全性，减少供电中断的风险，保证供电安全、稳定，保障通航船舶航行安全。

1 VTS清洁能源雷达站

1.1  VTS清洁能源发电雷达站

我国VTS（船舶交通管理系统）的建设走在了世界前列，VTS中心和雷达站的数量、覆盖面为世界之最，VTS的建设和管理日益科学化、规范化。

在VTS系统中雷达站是最为核心的组成部分之一，其一般设置于高点，同时又要形成雷达站链状网络，因此众多雷达站选择设置在离网海岛上。

海岛生态环境比较脆弱，使用传统发电设备会对其造成不可逆的空气、噪声和水污染，因此，采用清洁能源发电技术进行发电是未来雷达站的重要发展方向。洋山港海事局辖区内的金山雷达站是目前建成并投入使用的最早的新能源发电雷达站。采用以风力发电为主，柴油发电机为辅的混合动力供电系统。对岛屿的环境压力较小，是对未来VTS雷达站建设做出的有益尝试。本文以金山雷达站为例，介绍清洁能源发电雷达站的实际运行情况和当前面临的技术问题;对其供电储能系统提出改善方案;分享清洁能源雷达站的建设管理经验。

1.2 VTS雷达站对发电系统的需求

VTS雷达站的负载通常由动力负载和开关电源负载组成混合负载。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%），离网发电雷达站对其供电储能设备的可用度和可靠度有更高的要求。

1.3 金山雷达站背景介绍

金山雷达站始建于2008年，位于杭州湾口北部、距陆地岸线6.2Km的金山三岛海洋生态自然保护区，因此雷达站在设计建设时，要求尽可能采用清洁能源。最终建设了以风力发电为主，柴油发电机为辅的供电系统。且因为不批准架设柴油补给管道，后续的柴油补给只能使用人力搬运。目前发电系统的短板在于风力发电设备发电功率不足和蓄电池组运行情况不佳。

金山雷达站采用的是风—油互补的离网发电系统。发电系统包括直列式风力发电机四台、柴油发电机一台、蓄电池电池组一套、UPS一台、逆变器两台、充电控制系统两套、连接电缆及配电设备一套等。主要的负载设备为雷达控制设备、雷达天线及微波装置等，负载功率为3～5 kW。

1.4  金山雷达站供电储能系统2012、2013年度运行分析

金山雷达站供电处能设备从2008年11月安装之初至2010年雷达开始安装、调试。其间蓄电池在岛上放置了两年，期间并未对蓄电池组进行有效的保养，且因为在海岛特殊环境下，对蓄电池的使用寿命有影响。

安装之初总计为96块霍克牌16OPzV2000型号蓄电池组组成DC96V、4000AH的储能阵列。

其单块电池主要参数如下：

表1.1  单块霍克牌16OPzV2000性能参数表

2012年7月，由于电池的情况恶化，所以对在用的96块电池进行了重新整合，调整出了24块不良电池，剩余72块电池主用48块，备用24块，组成DC96V，容量2000AH的储能蓄电池组。

2013年10月，因蓄电池组储能效率低下，造成柴油发电机组工作量加大，运行时间延长，经过对蓄电池组检测，重新组合了48块单体组成DC96V、2000AH电池组使用至今。

通过分析近两年来金山雷达站供电系统的运行情况，可以发现，目前造成供电系统运行风险的主要原因是蓄电池组耗损严重，风力发电设备充电效果不理想，导致柴油机运行时间延长。因此，在设计供电系统改善方案时，主要从增大发电设备的使用效率，及优化现有的供电系统结构两方面探讨洋山VTS金山雷达站供电储能系统改善方案。

2 金山雷达站供电储能系统

2.1 金山雷达站供电及储能装置现状

2.1.1发电装置现状

金山雷达站的发电装置主要包括利用绿色能源风能的风力发电机四台，单台风机额定功率1.2kW，四台风机额定功率4.8kW。风力发电设备经整流后分别以4个DC24V电压输出至对应储能蓄电池组，单台风机理论最大充电电流50A。

现有发电策略会因为风速不同四台风力发电设备的发电量不同，从而引起单组电池充电不均衡。

金山雷达站还配备一台柴油发电机组，其视在功率为24KVA。可以在储能装置电压低于低限度值89V时为系统补充电能。

2.1.2 配电装置现状

配电装置主要由两台6KVA并联冗余的三相逆变电源、一台单相5KVA的单相逆变电源、一台15KVA的UPS和一台16KVA的隔离变压器构成。endprint

三相逆变电源主要把三相稳定的电源经UPS和隔离后送给雷达机房用，实际负载在3.5kW左右。单相逆变电源单独给灯塔插座、控制回路供电。UPS作为后备在中间电源切换时做补充备用，隔离变压起到隔离电源侧的作用。

2.1.3 负载现状

金山雷达站用电负载主要在雷达机房，其总负载为3.5kW，包括雷达电机和控制器机主机电脑两台。其余控制回路的单相负载约为0.3kW。

2.2 供电储能装置现状分析

2.2.1 储能蓄电池组

现有储能蓄电池组近期输出不稳定，导致了三相逆变电源冗余切换失效锁死，从而造成供电中断。蓄电池组工作不稳定还导致柴油发电机组频繁启动引起报警，报警后需要人工复位方可恢复工作。

DC96V的整组电压不平衡，总电压不符合要求，但是个别组的电压却偏高，经测试目前已有29块电池内阻已低于下限可以判定为损坏。要改善金山雷达站的供电储能系统首先要更换储能蓄电池组。

2.2.2 风力发电设备充电策略

当前风力发电设备的充电仍按照最初设计的分组充电方式对整个储能蓄电池组进行充电，即每台风机分别为一组DC24蓄电池组充电。

分组充电会因风机运行情况和发电效率的不同，导致风力发电设备的发电量不同，而造成储能蓄电池组的单体（单组）电池充电不均衡，最终影响整组储能蓄电池组的性能和效率。

在改善方案中建议将分组充电改变为整组充电，可以避免对储能蓄电池组造成不平衡的影响。

2.2.3 设备冗余及供电安全后备

目前整个供电系统除三相逆变电源外，其余均为单台工作，这样会有因设备损坏不能及时修复造成的供电中断风险。

单台供电的设备包括：柴油发电机组（静音型24kVA）、单相逆变器（6kVA）、UPS（15kVA）这些设备恰恰是维修周期比较长的设备，一般维修周期为2～3周。

2.2.4 监控及自动控制

现有监控系统根据最初设计采用C/S架构，自动控制方面有控制反馈不到的情况出现，所以需要对整个控制软件和采集设备进行升级。

可以改善原有监控系统的C/S架构为B/S架构，让监控状态实时响应于互联网上，同时可以增加机房和储能蓄电池组间的环境监控及温度控制可以远程对设备的开关状态进行管理和手工切换以提高供电稳定性。

2.3 针对当前设备及同类设备的性能分析

2.3.1 发电设备性能特点

在理想状态下，现有储能组在满电情况下可供雷达机房用电约9个小时，9个小时后储能蓄电池组电压低于DC85V，则后备柴油发电机组自行启动。

柴油发电机组启动后空载约15s，其储能组的智能充电机启动，充电电流为DC160A ，在柴油机启动的时间内，柴油机负载分两部分，一部分是给储能组充电，柴油发电机分担负载功率15.3kW;另一部分是直接经UPS和隔离变压给雷达机房供电，分担负载功率3.8kW。柴油机慢负载时间约为2小时，之后随充电电流的逐渐减小，大约开始充电12～14小时后储能组基本饱和则柴油机停止充电，开始切换为储能组继续供电。

在一个充电周期内，充电时间的长短取决于风力发电补充的电能，最短充电时间为9小时，最长时间为14小时。

2.3.2 储能设备性能特点

1.金山雷达站的储能设备为密封铅酸蓄电池组，其性能特征如下：

放电深度（Depth of discharge DOD），在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度。放电深度的高低和蓄电电池的充电寿命有很深的关系，当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，会导致电池的使用寿命变短，在无市电情况下，UPS用电负载很小时，会导致深度放电的情况发生。金山雷达站就容易发生深度放电的情况，在储能设备的设计和使用中要特别注意，避免深度放电。

金山雷达站的储能蓄电池会时常处于充放电状态，因此合理地进行充电十分重要。用分阶段充电方式是一种比较好的方法，因为随着充电过程的进行，充电电流逐渐下降。采用这种方法，可以使充电末期的电解液沸腾的现象减弱，损失电能较少，而且能保护极板，并能防止过渡充电和水解的电力损失。

2.4 负载对供电储能系统的需求

金山雷达站的主要负载为雷达设备TERMA scanter 2001，其正常工作的用电功率约3～5kW，但雷达天线的启动电压需求较大，因此雷达设备使用电压为380V。其余支持设备均功率较低，在2kW左右。

雷达站现有蓄电池组最大充电功率为15kW，结合柴油发电机组发电功率，经计算可以配置DC96V蓄电池组的容量介于1200～2000AH。综合选型为单体电池电压2V、600AH蓄电池48串2并连接，最终实现DC96V、1200AH。

3 供电储能系统改善方案

3.1 储能配电设备改善方案

根据目前储能铅酸蓄电池新技术，替换已有的储能电池组，依旧组成两组，一组为48节。可以采用德国阳光A600系列胶体电池。其规格参数如表4.1。

表4.1  技术特性数据

3.2 风力发电设备充电改善方案

分组充电策略会因为四台风力发电设备的发电量不同引起的单体（单组）电池充电不均衡现象，改善方案将改变分别充电为整组充电，如图3.1所示：

图3.1  风力发电设备充电策略改善方案

3.3 设备冗余及供电安全后备方案

设备冗余关系到稳定性。改善方案设计通过设备的双备份来保障稳定性，其中可以并机运行的设备尽量实现并联使用，不能并机运行的设备考虑通过主控部分的控制策略调整，配合接触器及ATS开关实现设备热切换备份冗余。其方案部署如图3.2所示：endprint

如上图所描述，在条件允许的情况下考虑增加一台24kW柴油发电机组，因为主要是在应急情况下替代使用。

3. 4 监控及自动控制系统改善方案

雷达站监控软件升级。通过新增监控节点，采用B/S架构等技术手段。利用远程Web通信对系统进行远程监控管理，查看和管理整个系统和系统内各个设备的工作状况，对系统设备的工作状态进行实时跟踪和控制，完成系统设备运行参数的设定，实现遥测、遥控、遥信和遥调的功能，确保系统内各种设备的安全。

4 结 论

4.1 供电储能系统改善方案的可行性分析

本论文探讨的金山雷达站供电储能系统改善方案拥有优化的系统结构。然而，这些改善方案还存在一些不足之处，有待作出修正和完善。

1.本文在分析过程中，都是假设用电设备功率不变，三相电压是对称三相正弦波，并没有考虑雷达或其他设备发生故障导致负载变化过大的情况。

2.方案改进的风力发电机组对蓄电池组的充电方式，存在一个直流升压装置，在风力发电功率不高的情况下会产生较大损耗。也可以考虑采用由风力发电机组向DC24V电堆12V50AH充电，然后通过单相逆变器为220V负载进行供电。

4.2 结论和展望

综合考虑资金和效率限制，在未来的改善计划中倾向于改善：1.更新储能配电蓄电池组，替换下已损坏的蓄电池，重新组成48串的两组蓄电池组;2.优化风力发电设备充电方式，通过隔离对整个电池组进行整体充电;3.适当增加冗余及供电安全后备设备;4.整体更新监控及自动控制系统。

清洁能源发电技术是一个集计算机技术，空气动力学、光电学、结构力学和材料力学等综合性学科的技术，在海事有着广阔的应用前景。金山雷达站作为一个有益的尝试，对未来清洁能源发电雷达站的建设提供了很多经验和多一种模式的选择。

参考文献

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