| 摘要：针对传统VTS雷达站电源子系统普遍侧重系统可靠性，忽略节能性，系统运行高耗能的现状，分析其原因，并通过对节能型电源产品的深入研究和测试，提出可靠性与节能性兼顾的VTS雷达站电源子系统的设计与设备选型方法。该方法已在实际项目中得到采用，望对节能型VTS电源子系统设计、采购及改造提供参考价值。 |
4.节能UPS的配套发电机的功率配比
非线性负载投入、运行过程中，电压、电流的关系是经常变化的，会向柴油发电机或电网反射以5次和7次谐波为主的高次谐波。UPS是典型的非线性负载之一。其谐波可能导致使发电机输出电压、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[6]。本文案例1中的UPS与发电机无法配合即属于这种情形。
（1）传统UPS与配套发电机的功率配比
传统UPS与配套发电机组的匹配方法，是根据UPS的整流技术，采用UPS额定输出功率的2.0～5.0倍，作为所匹配发电机组的常备功率。即通过加大发电机组的输出功率来降低发电机输出阻抗，提高发电机组与UPS的匹配能力，进而规避UPS产生的谐波干扰。比如案例1中，采用25kVA的发电机组组代替14kVA的发电机组，实现正常匹配。表5为某电源设备销售公司推荐的发电机组与UPS的功率配比值表。
表5：发电机与UPS的功率配比值[3]
注：Sg表示发电机组的常备功率（kVA），Su表示UPS的额定输出功率（kVA）。
（2）节能型UPS与配套发电机的功率配比
表5同时说明，不同整流技术的UPS，对发电机组的常备功率要求是显著不同的。随着UPS技术不断进步，输入谐波更低，整机运行效率更高的UPS已经推出。某款节能型UPS采用独特的整流滤波技术，功率因数接近于1，输入电流谐波≤5%，UPS相对于电网而言接近于阻性负载。该节能型UPS的配套发电机的功率配置，已不是UPS额定功率的简单倍数关系，而应根据UPS及其负载的功耗大小换算得出。
如上述节能型UPS在10kVA配置，80%负载率时，若标配2kVA充电模块。UPS的总输入功耗是：8kVA（UPS负荷，80%负载率）+0.9kVA（UPS损耗，效率90%）+2kVA（UPS充电）=11kVA；此时，可选择额定输出功率为14~15kVA的发电机组即可满足UPS及发电机同时工作在80%负载率下的配套需求（发电机组经济负荷在下文具体论述）。该UPS产品手册推荐的发电机与UPS的功率配比值低至1.5。可见，节能型UPS对配套发电机组功率要求明显低于传统UPS，是整个节能型电源子系统的关键。
我们对该款UPS经行了匹配测试。案例1中的英国Wilson14kVA(11.2KW)三相发电机与梅兰日兰银河300010kVAUPS无法正常配合，但能与该款高效UPS正常配合（UPS配置双5kVA模块），发电机组与UPS的功率配比值仅为1.4；雷达站混合负载能正常启动、运行，UPS不存在任何告警。
通常厂家推荐的功率配比值是保证UPS在接近满载工况条件下的保守值。实际应用中，由于雷达站UPS的负载功耗通常仅为2kVA，大多数情况下UPS为低负载率或轻载运行。此时，发电机组的功率配置还可以进一步降低，以实现节能降耗，降低采购成本。
5.发电机组的节能选型与应用
发电机组由柴油机及发电机组成。柴油机的最佳经济运行负荷/功率是额定输出功率的75%-90%[7]；通常柴油机与发电机的功率匹配关系1.1:1.0。因此柴油机组的经济负荷/功率是68%~81%的常备功率。
此外，发电机组的功率配置还要考虑其瞬态过载能力足以保证其负载的正常启动。在选用节能型UPS的基础上，发电机组的选型与节能应用技巧有如下几点：
（1）利用经济负荷要求配置发电机组的常备功率
珠海VTS荷包雷达站，建设在独立海岛上，地理位置偏远，站点到达、维护困难；采用某款节能型UPS，配置2个5kVA模块组成1+1模块冗余系统，UPS总功耗=2kVA（UPS负荷）+0.4kVA（UPS损耗，效率80%）+4kVA（UPS充电，双充电模块）=6.4kVA。为使配套发电机组在经济负荷区间运行，有如下两种发电机组的配套方案：
方案1.若该站日后设置成有人值守站。该站一台1.1kVA定频空调及2路1kVA其他用电设备与UPS一并接入发电机。此时发电机组总负荷=UPS总功耗+1.1kVA（空调）+2kVA（2路其他用电设备）=9.5kVA；发电机组常备功率配置为14~15kVA时，发电机组负荷为63~68%，接近或处于经济负荷区间。
方案2.若该站为无人值守站点，电源子系统只需满足2kVA混合负载的启动、运行即可。此时，此时发电机组总负荷=UPS总功耗=6.4kVA。发电机组常备功率配置为8~10kVA时，发电机组负荷为64~80%，接近或处于经济负荷区间。
当然，由于产品设计的原因，不同品牌、型号的UPS的输入谐波特性是有显著差异的。为稳妥起见，建议对发电机与UPS的匹配方案进行测试、验证。
（2）采用”间隔”启动方法，避免负载启动浪涌叠加
常备功率大的发电机组，其备用功率也相应较大。为了提高负载率，使发电机组运行于经济区间，发电机组的常备功率又不应储备过大，因此备用功率的储备也是有限的。由于发电机组可能接入多个动力负载，如空调等。此时，若将发电机的所有负载并接在一个开关上同时启动，则瞬态启动浪涌的叠加可能造成发电机因过载而无法正常启动负载。
此时，应对发电机负载设置独立开关，采取“间隔”启动，即顺序、间隔数秒启动负载的方法，避免负载启动浪涌叠加。启动顺序的设置原则是：重要负载先启动，如UPS；次要负载后启动，如空调等；瞬态启动功耗大的负载先启动，功耗小的负载后启动；任何时候，只允许启动一个负载。
需要注意的是，采用“间隔”启动法之前，应测试负载的瞬态和稳态功耗，并通过计算，确保发电机的备用过载功率始终大于任意负载启动的瞬态功耗加上已完成启动的负载的稳态总功耗。
对无人值守的机房，“间隔”启动的自动执行可通过配置延时继电器完成。
（3）优先采用PMG发电机组
解决负载启动瞬态功耗过大造成发电机组可能无法正常带载的问题，除了采用“间隔”启动法处理，还可采用带PMG（永磁自励磁）的发电机组来解决。
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300%的额定电流，持续10s[8]。而普通自励磁发电机的备用功率（过载能力）仅具备110%的额定输出功率（ISO3046-1标准要求），要提高发电机的瞬态过载能力必须通过增加发电机的额定输出功率。
可见，PMG发电机非常适合瞬态过载功耗较大，但稳态功耗较低的雷达站应用。比如，14kVAPMG发电机组，具备42kVA/10s的瞬态过载能力，可以完全满足节能型10kVAUPS、一台1P空调及2kVA的用电设备的同时启动要求。
对雷达站应用而言，在同等备用功率下，PMG发电机组较传统发电机组的采购成本基本持平甚至还要低些；同等额定输出功率下，PMG发电机组较传统发电机组具备更高的备用功率。应优先采用PMG发电机组。
6.节能型电源子系统拓扑
节能型电源子系统拓扑的选择，应根据的负荷大小、可靠度要求等实际情况而定。可考虑如下几种方案：
方案1.对负荷较小，市电供应可靠度较高的雷达站，可采用图7所示的单模块UPS电源子系统拓扑。
方案2.对负荷较小，市电供应可靠度较差的雷达站，可采用图8所示的UPS模块冗余电源子系统拓扑。
方案3.对于负符较大；市电可靠性差；地理位置偏远的雷达站，可采用图9所示的大负荷、UPS模块冗余电源子系统拓扑。
图10：大负荷、UPS模块冗余电源子系统拓扑
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