沈高瀚

摘要：隨著VTS監(jiān)控范圍的擴大，未來將有更多VTS雷達站建設(shè)在海島上。傳統(tǒng)的離網(wǎng)發(fā)電雷達站一般采用柴油機進行發(fā)電，其供油及維護成本高，且會破壞脆弱的海島生態(tài)。因此，采用清潔能源發(fā)電技術(shù)進行發(fā)電是未來VTS雷達站的重要發(fā)展方向。本文以金山雷達站為例，對目前使用中的清潔能源發(fā)電儲能系統(tǒng)提出改善方案。

關(guān)鍵詞：清潔能源 ? 離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) ? 金山雷達站 ?供電儲能系統(tǒng) ?蓄電池

洋山VTS轄區(qū)的金山雷達站是國內(nèi)較早建設(shè)使用的清潔能源雷達站，采用風電——柴油互補發(fā)電技術(shù)。肩負著創(chuàng)新和科研的使命，是對未來VTS雷達站建設(shè)做出的有益嘗試。

本文結(jié)合當前設(shè)備指標及技術(shù)能力，針對金山雷達站的實際情況，提出對金山雷達站儲能蓄電池組、風力發(fā)電機組和柴油發(fā)電機設(shè)備的改善方案。通過改變儲能蓄電池組的充電方式;重組儲能蓄電池組;整體更新監(jiān)控及自動控制系統(tǒng)等手段改善金山雷達站的供電儲能系統(tǒng)。改善后的系統(tǒng)將擁有更優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，較高的使用效率，可以較好地完成既定改善任務(wù)，目的是維持供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，減少供電中斷的風險，保證供電安全、穩(wěn)定，保障通航船舶航行安全。

1 VTS清潔能源雷達站

1.1 ?VTS清潔能源發(fā)電雷達站

我國VTS（船舶交通管理系統(tǒng)）的建設(shè)走在了世界前列，VTS中心和雷達站的數(shù)量、覆蓋面為世界之最，VTS的建設(shè)和管理日益科學化、規(guī)范化。

在VTS系統(tǒng)中雷達站是最為核心的組成部分之一，其一般設(shè)置于高點，同時又要形成雷達站鏈狀網(wǎng)絡(luò)，因此眾多雷達站選擇設(shè)置在離網(wǎng)海島上。

海島生態(tài)環(huán)境比較脆弱，使用傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備會對其造成不可逆的空氣、噪聲和水污染，因此，采用清潔能源發(fā)電技術(shù)進行發(fā)電是未來雷達站的重要發(fā)展方向。洋山港海事局轄區(qū)內(nèi)的金山雷達站是目前建成并投入使用的最早的新能源發(fā)電雷達站。采用以風力發(fā)電為主，柴油發(fā)電機為輔的混合動力供電系統(tǒng)。對島嶼的環(huán)境壓力較小，是對未來VTS雷達站建設(shè)做出的有益嘗試。本文以金山雷達站為例，介紹清潔能源發(fā)電雷達站的實際運行情況和當前面臨的技術(shù)問題;對其供電儲能系統(tǒng)提出改善方案;分享清潔能源雷達站的建設(shè)管理經(jīng)驗。

1.2 VTS雷達站對發(fā)電系統(tǒng)的需求

VTS雷達站的負載通常由動力負載和開關(guān)電源負載組成混合負載。動力負載為雷達天線馬達;開關(guān)電源負載為：雷達、微波、甚高頻收發(fā)機、以及雷達信號處理器、AIS（船舶自動識別系統(tǒng)）等開關(guān)電源設(shè)備。為了保障雷達站設(shè)備可用率負荷要求（≤5年使用年限的VTS系統(tǒng)設(shè)備，一級可用率要求≥99.9%），離網(wǎng)發(fā)電雷達站對其供電儲能設(shè)備的可用度和可靠度有更高的要求。

1.3 金山雷達站背景介紹

金山雷達站始建于2008年，位于杭州灣口北部、距陸地岸線6.2Km的金山三島海洋生態(tài)自然保護區(qū)，因此雷達站在設(shè)計建設(shè)時，要求盡可能采用清潔能源。最終建設(shè)了以風力發(fā)電為主，柴油發(fā)電機為輔的供電系統(tǒng)。且因為不批準架設(shè)柴油補給管道，后續(xù)的柴油補給只能使用人力搬運。目前發(fā)電系統(tǒng)的短板在于風力發(fā)電設(shè)備發(fā)電功率不足和蓄電池組運行情況不佳。

金山雷達站采用的是風—油互補的離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)包括直列式風力發(fā)電機四臺、柴油發(fā)電機一臺、蓄電池電池組一套、UPS一臺、逆變器兩臺、充電控制系統(tǒng)兩套、連接電纜及配電設(shè)備一套等。主要的負載設(shè)備為雷達控制設(shè)備、雷達天線及微波裝置等，負載功率為3～5 kW。

1.4 ?金山雷達站供電儲能系統(tǒng)2012、2013年度運行分析

金山雷達站供電處能設(shè)備從2008年11月安裝之初至2010年雷達開始安裝、調(diào)試。其間蓄電池在島上放置了兩年，期間并未對蓄電池組進行有效的保養(yǎng)，且因為在海島特殊環(huán)境下，對蓄電池的使用壽命有影響。

安裝之初總計為96塊霍克牌16OPzV2000型號蓄電池組組成DC96V、4000AH的儲能陣列。

其單塊電池主要參數(shù)如下：

表1.1 ?單塊霍克牌16OPzV2000性能參數(shù)表

2012年7月，由于電池的情況惡化，所以對在用的96塊電池進行了重新整合，調(diào)整出了24塊不良電池，剩余72塊電池主用48塊，備用24塊，組成DC96V，容量2000AH的儲能蓄電池組。

2013年10月，因蓄電池組儲能效率低下，造成柴油發(fā)電機組工作量加大，運行時間延長，經(jīng)過對蓄電池組檢測，重新組合了48塊單體組成DC96V、2000AH電池組使用至今。

通過分析近兩年來金山雷達站供電系統(tǒng)的運行情況，可以發(fā)現(xiàn)，目前造成供電系統(tǒng)運行風險的主要原因是蓄電池組耗損嚴重，風力發(fā)電設(shè)備充電效果不理想，導(dǎo)致柴油機運行時間延長。因此，在設(shè)計供電系統(tǒng)改善方案時，主要從增大發(fā)電設(shè)備的使用效率，及優(yōu)化現(xiàn)有的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩方面探討洋山VTS金山雷達站供電儲能系統(tǒng)改善方案。

2 金山雷達站供電儲能系統(tǒng)

2.1 金山雷達站供電及儲能裝置現(xiàn)狀

2.1.1發(fā)電裝置現(xiàn)狀

金山雷達站的發(fā)電裝置主要包括利用綠色能源風能的風力發(fā)電機四臺，單臺風機額定功率1.2kW，四臺風機額定功率4.8kW。風力發(fā)電設(shè)備經(jīng)整流后分別以4個DC24V電壓輸出至對應(yīng)儲能蓄電池組，單臺風機理論最大充電電流50A。

現(xiàn)有發(fā)電策略會因為風速不同四臺風力發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量不同，從而引起單組電池充電不均衡。

金山雷達站還配備一臺柴油發(fā)電機組，其視在功率為24KVA?？梢栽趦δ苎b置電壓低于低限度值89V時為系統(tǒng)補充電能。

2.1.2 配電裝置現(xiàn)狀

配電裝置主要由兩臺6KVA并聯(lián)冗余的三相逆變電源、一臺單相5KVA的單相逆變電源、一臺15KVA的UPS和一臺16KVA的隔離變壓器構(gòu)成。endprint

三相逆變電源主要把三相穩(wěn)定的電源經(jīng)UPS和隔離后送給雷達機房用，實際負載在3.5kW左右。單相逆變電源單獨給燈塔插座、控制回路供電。UPS作為后備在中間電源切換時做補充備用，隔離變壓起到隔離電源側(cè)的作用。

2.1.3 負載現(xiàn)狀

金山雷達站用電負載主要在雷達機房，其總負載為3.5kW，包括雷達電機和控制器機主機電腦兩臺。其余控制回路的單相負載約為0.3kW。

2.2 供電儲能裝置現(xiàn)狀分析

2.2.1 儲能蓄電池組

現(xiàn)有儲能蓄電池組近期輸出不穩(wěn)定，導(dǎo)致了三相逆變電源冗余切換失效鎖死，從而造成供電中斷。蓄電池組工作不穩(wěn)定還導(dǎo)致柴油發(fā)電機組頻繁啟動引起報警，報警后需要人工復(fù)位方可恢復(fù)工作。

DC96V的整組電壓不平衡，總電壓不符合要求，但是個別組的電壓卻偏高，經(jīng)測試目前已有29塊電池內(nèi)阻已低于下限可以判定為損壞。要改善金山雷達站的供電儲能系統(tǒng)首先要更換儲能蓄電池組。

2.2.2 風力發(fā)電設(shè)備充電策略

當前風力發(fā)電設(shè)備的充電仍按照最初設(shè)計的分組充電方式對整個儲能蓄電池組進行充電，即每臺風機分別為一組DC24蓄電池組充電。

分組充電會因風機運行情況和發(fā)電效率的不同，導(dǎo)致風力發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量不同，而造成儲能蓄電池組的單體（單組）電池充電不均衡，最終影響整組儲能蓄電池組的性能和效率。

在改善方案中建議將分組充電改變?yōu)檎M充電，可以避免對儲能蓄電池組造成不平衡的影響。

2.2.3 設(shè)備冗余及供電安全后備

目前整個供電系統(tǒng)除三相逆變電源外，其余均為單臺工作，這樣會有因設(shè)備損壞不能及時修復(fù)造成的供電中斷風險。

單臺供電的設(shè)備包括：柴油發(fā)電機組（靜音型24kVA）、單相逆變器（6kVA）、UPS（15kVA）這些設(shè)備恰恰是維修周期比較長的設(shè)備，一般維修周期為2～3周。

2.2.4 監(jiān)控及自動控制

現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)最初設(shè)計采用C/S架構(gòu)，自動控制方面有控制反饋不到的情況出現(xiàn)，所以需要對整個控制軟件和采集設(shè)備進行升級。

可以改善原有監(jiān)控系統(tǒng)的C/S架構(gòu)為B/S架構(gòu)，讓監(jiān)控狀態(tài)實時響應(yīng)于互聯(lián)網(wǎng)上，同時可以增加機房和儲能蓄電池組間的環(huán)境監(jiān)控及溫度控制可以遠程對設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)進行管理和手工切換以提高供電穩(wěn)定性。

2.3 針對當前設(shè)備及同類設(shè)備的性能分析

2.3.1 發(fā)電設(shè)備性能特點

在理想狀態(tài)下，現(xiàn)有儲能組在滿電情況下可供雷達機房用電約9個小時，9個小時后儲能蓄電池組電壓低于DC85V，則后備柴油發(fā)電機組自行啟動。

柴油發(fā)電機組啟動后空載約15s，其儲能組的智能充電機啟動，充電電流為DC160A ，在柴油機啟動的時間內(nèi)，柴油機負載分兩部分，一部分是給儲能組充電，柴油發(fā)電機分擔負載功率15.3kW;另一部分是直接經(jīng)UPS和隔離變壓給雷達機房供電，分擔負載功率3.8kW。柴油機慢負載時間約為2小時，之后隨充電電流的逐漸減小，大約開始充電12～14小時后儲能組基本飽和則柴油機停止充電，開始切換為儲能組繼續(xù)供電。

在一個充電周期內(nèi)，充電時間的長短取決于風力發(fā)電補充的電能，最短充電時間為9小時，最長時間為14小時。

2.3.2 儲能設(shè)備性能特點

1.金山雷達站的儲能設(shè)備為密封鉛酸蓄電池組，其性能特征如下：

放電深度（Depth of discharge DOD），在電池使用過程中，電池放出的容量占其額定容量的百分比稱為放電深度。放電深度的高低和蓄電電池的充電壽命有很深的關(guān)系，當二次電池的放電深度越深，其充電壽命就越短，會導(dǎo)致電池的使用壽命變短，在無市電情況下，UPS用電負載很小時，會導(dǎo)致深度放電的情況發(fā)生。金山雷達站就容易發(fā)生深度放電的情況，在儲能設(shè)備的設(shè)計和使用中要特別注意，避免深度放電。

金山雷達站的儲能蓄電池會時常處于充放電狀態(tài)，因此合理地進行充電十分重要。用分階段充電方式是一種比較好的方法，因為隨著充電過程的進行，充電電流逐漸下降。采用這種方法，可以使充電末期的電解液沸騰的現(xiàn)象減弱，損失電能較少，而且能保護極板，并能防止過渡充電和水解的電力損失。

2.4 負載對供電儲能系統(tǒng)的需求

金山雷達站的主要負載為雷達設(shè)備TERMA scanter 2001，其正常工作的用電功率約3～5kW，但雷達天線的啟動電壓需求較大，因此雷達設(shè)備使用電壓為380V。其余支持設(shè)備均功率較低，在2kW左右。

雷達站現(xiàn)有蓄電池組最大充電功率為15kW，結(jié)合柴油發(fā)電機組發(fā)電功率，經(jīng)計算可以配置DC96V蓄電池組的容量介于1200～2000AH。綜合選型為單體電池電壓2V、600AH蓄電池48串2并連接，最終實現(xiàn)DC96V、1200AH。

3 供電儲能系統(tǒng)改善方案

3.1 儲能配電設(shè)備改善方案

根據(jù)目前儲能鉛酸蓄電池新技術(shù)，替換已有的儲能電池組，依舊組成兩組，一組為48節(jié)?？梢圆捎玫聡柟釧600系列膠體電池。其規(guī)格參數(shù)如表4.1。

表4.1 ?技術(shù)特性數(shù)據(jù)

3.2 風力發(fā)電設(shè)備充電改善方案

分組充電策略會因為四臺風力發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量不同引起的單體（單組）電池充電不均衡現(xiàn)象，改善方案將改變分別充電為整組充電，如圖3.1所示：

圖3.1 ?風力發(fā)電設(shè)備充電策略改善方案

3.3 設(shè)備冗余及供電安全后備方案

設(shè)備冗余關(guān)系到穩(wěn)定性。改善方案設(shè)計通過設(shè)備的雙備份來保障穩(wěn)定性，其中可以并機運行的設(shè)備盡量實現(xiàn)并聯(lián)使用，不能并機運行的設(shè)備考慮通過主控部分的控制策略調(diào)整，配合接觸器及ATS開關(guān)實現(xiàn)設(shè)備熱切換備份冗余。其方案部署如圖3.2所示：endprint

如上圖所描述，在條件允許的情況下考慮增加一臺24kW柴油發(fā)電機組，因為主要是在應(yīng)急情況下替代使用。

3. 4 監(jiān)控及自動控制系統(tǒng)改善方案

雷達站監(jiān)控軟件升級。通過新增監(jiān)控節(jié)點，采用B/S架構(gòu)等技術(shù)手段。利用遠程Web通信對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控管理，查看和管理整個系統(tǒng)和系統(tǒng)內(nèi)各個設(shè)備的工作狀況，對系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)進行實時跟蹤和控制，完成系統(tǒng)設(shè)備運行參數(shù)的設(shè)定，實現(xiàn)遙測、遙控、遙信和遙調(diào)的功能，確保系統(tǒng)內(nèi)各種設(shè)備的安全。

4 結(jié) 論

4.1 供電儲能系統(tǒng)改善方案的可行性分析

本論文探討的金山雷達站供電儲能系統(tǒng)改善方案擁有優(yōu)化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。然而，這些改善方案還存在一些不足之處，有待作出修正和完善。

1.本文在分析過程中，都是假設(shè)用電設(shè)備功率不變，三相電壓是對稱三相正弦波，并沒有考慮雷達或其他設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致負載變化過大的情況。

2.方案改進的風力發(fā)電機組對蓄電池組的充電方式，存在一個直流升壓裝置，在風力發(fā)電功率不高的情況下會產(chǎn)生較大損耗。也可以考慮采用由風力發(fā)電機組向DC24V電堆12V50AH充電，然后通過單相逆變器為220V負載進行供電。

4.2 結(jié)論和展望

綜合考慮資金和效率限制，在未來的改善計劃中傾向于改善：1.更新儲能配電蓄電池組，替換下已損壞的蓄電池，重新組成48串的兩組蓄電池組;2.優(yōu)化風力發(fā)電設(shè)備充電方式，通過隔離對整個電池組進行整體充電;3.適當增加冗余及供電安全后備設(shè)備;4.整體更新監(jiān)控及自動控制系統(tǒng)。

清潔能源發(fā)電技術(shù)是一個集計算機技術(shù)，空氣動力學、光電學、結(jié)構(gòu)力學和材料力學等綜合性學科的技術(shù)，在海事有著廣闊的應(yīng)用前景。金山雷達站作為一個有益的嘗試，對未來清潔能源發(fā)電雷達站的建設(shè)提供了很多經(jīng)驗和多一種模式的選擇。

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