磁懸浮飛輪儲能技術(shù)UPS及連續供電

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/177567.htm

1前言

現代信息社會(huì )，對于信息時(shí)效性要求極高，一旦信息中斷，會(huì )帶來(lái)不可估量的直接經(jīng)濟損失和社會(huì )負面影響。近年來(lái)，電信運營(yíng)商、大型數據中心、政府重要部門(mén)及大型生產(chǎn)企業(yè)等單位，對正常的電力保障供應要求越來(lái)越高，因而對于為機房設備及生產(chǎn)設備提供的UPS電源系統（即不間斷電源系統）保障的要求越來(lái)越苛刻。因此，要求必須提供365*24小時(shí)連續不斷的、可靠、安全、高效的電力供應保障。

傳統UPS電源系統利用了化學(xué)蓄電池儲能技術(shù)，即利用化學(xué)蓄電池作為電能的儲存裝置，而化學(xué)蓄電池存在著(zhù)諸如占地面積大、故障率高、維護周期密集、維護成本高、使用壽命短、受充放電次數的限制，對環(huán)境的污染嚴重以及對工作溫度及其它工作環(huán)境指標要求高等問(wèn)題。由于人們現在對節能減排的要求，對環(huán)境保護的要求，及對化學(xué)蓄電池性能特點(diǎn)的要求不斷提高，在許多領(lǐng)域中，人們已經(jīng)不能接受化學(xué)蓄電池的弊端，而逐漸將目光放在更加先進(jìn)的儲能技術(shù)方式上，以替代傳統的化學(xué)蓄電池儲能技術(shù)。

如何在取消傳統化學(xué)蓄電池的使用而使UPS電源系統更加安全可靠？如何取消傳統化學(xué)蓄電池的使用而使UPS電源系統更加環(huán)保、節能、低耗？如何取消傳統化學(xué)蓄電池的使用而使UPS電源系統的投入費用和運行維護費用更加節省同時(shí)還能夠節省大量的占地空間？這些是擺在UPS電源系統使用者和UPS電源系統制造商面前的新課題。

在這種新形勢下，美國Active Power公司采用了無(wú)需傳統化學(xué)蓄電池、綠色環(huán)保的磁懸浮飛輪儲能技術(shù)，使UPS電源系統的體積大大減小，可靠性、安全性大大提高。這樣既能夠滿(mǎn)足客戶(hù)對UPS電源系統整體解決方案的要求，也能滿(mǎn)足客戶(hù)對移動(dòng)性的要求，填補了市場(chǎng)的空白，成為了市場(chǎng)的新寵。下面我們就處于國際領(lǐng)導地位的美國Active Power公司的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統為大家做一個(gè)詳細的介紹：

2免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統工作原理

磁懸浮飛輪儲能技術(shù)是一種技術(shù)上更為先進(jìn)，成熟，應用前景廣闊并有很大市場(chǎng)發(fā)展潛力，綠色環(huán)保的電能存儲技術(shù)。磁懸浮飛輪儲能技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視，越來(lái)越廣泛地應用于國內外的許多行業(yè)中。

雖然目前化學(xué)蓄電池儲能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，同時(shí)也為UPS電源行業(yè)做出了巨大的貢獻，但是，隨著(zhù)技術(shù)上的不斷革新，隨著(zhù)UPS電源使用者對UPS電源可靠性和可用性等要求的不斷提高，化學(xué)蓄電池作為UPS電源的儲能裝置在使用過(guò)程中逐漸暴露出了很多問(wèn)題。據業(yè)界統計，UPS電源的故障70%是由化學(xué)蓄電池所引起的。我們大家知道，發(fā)電機啟動(dòng)是靠幾節化學(xué)蓄電池提供啟動(dòng)電流的，而發(fā)電機啟動(dòng)失敗，90%也是由于化學(xué)蓄電池所引起?；瘜W(xué)蓄電池存在著(zhù)諸如占地面積大、故障率高、維護周期密集等等的問(wèn)題，它已經(jīng)成為傳統化學(xué)蓄電池式UPS電源供電系統中最不可靠的3個(gè)部分之一。

以上提到的種種問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越受到UPS電源使用者和UPS電源制造商的廣泛關(guān)注和重視。因此，針對以上提到的問(wèn)題，美國Active Power公司利用了磁懸浮飛輪儲能技術(shù)替代了傳統的化學(xué)蓄電池儲能技術(shù)為客戶(hù)的關(guān)鍵應用系統提供最可靠、最環(huán)保的優(yōu)質(zhì)電力。

（1）磁懸浮飛輪儲能技術(shù)工作原理

磁懸浮飛輪儲能技術(shù)是以高速旋轉的飛輪鐵芯作為機械能量?jì)Υ娴慕橘|(zhì)，飛輪等器件被密閉在一個(gè)真空容器內，大大減少了風(fēng)阻，同時(shí)為了減少運轉時(shí)的損耗，提高飛輪的轉速和飛輪儲能裝置的效率，在飛輪儲能裝置內部使用磁懸浮技術(shù)對飛輪加以控制，并利用電動(dòng)機/發(fā)電機和能量轉換控制系統來(lái)控制電能的輸入和輸出。圖1為磁懸浮飛輪儲能裝置的結構示意圖。

圖1：磁懸浮飛輪儲能裝置的結構示意圖

在市電正常的情況下，磁懸浮飛輪儲能裝置相當于一臺電動(dòng)機，其將外界輸入的電能，通過(guò)電力電子裝置驅動(dòng)飛輪轉動(dòng)，由此將電能轉化為飛輪轉動(dòng)的動(dòng)能（機械能）儲存起來(lái)，在正常待機時(shí)，使飛輪的轉速達到7700轉/每分鐘。

在市電異?；蛲ｋ姷那闆r下，磁懸浮飛輪儲能裝置相當于一臺發(fā)電機，當外界需要電能時(shí)，飛輪轉動(dòng)的動(dòng)能轉化為電能，再通過(guò)電力電子裝置變成不同負載所需要的不同頻率、不同電壓等級的電能，輸出到外部負載，以滿(mǎn)足不同負載的需求。

一旦市電恢復正常，則立即對磁懸浮飛輪儲能裝置進(jìn)行“充電”，使飛輪的轉速達到7700轉/每分鐘。

（2）免蓄電池磁磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統工作原理

免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統是一種采用磁懸浮飛輪儲能技術(shù)，在線(xiàn)互動(dòng)式的UPS電源系統。圖2為免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統工作原理框圖。

圖2：免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統工作原理框圖

在市電正常的情況下，直接由市電向負載供電，同時(shí)利用飛輪裝置儲存能量；在市電偏低或偏高的情況下，通過(guò)UPS內部穩壓線(xiàn)路穩壓后向負載供電。

在市電異?；蛲ｋ姷那闆r下，UPS將儲存在飛輪里的機械能轉化為電能，向外界負載供電，同時(shí)在規定時(shí)間內，轉為后備發(fā)電機向外界負載供電。一旦市電恢復正常，則立即切換到市電向外界負載供電。

免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統提供電壓控制、停電保護以及瞬間斷電保護等等功能，提供良好的穩定的電源，能在關(guān)鍵負載、電網(wǎng)電壓下降、波動(dòng)或停電情況下進(jìn)行相應的保護。

圖3為免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統工作連接框圖。

圖3：免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統工作連接框圖

（3）GenSTART產(chǎn)品介紹

在圖3的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統工作連接框圖中可以看到，在UPS電源系統和柴油發(fā)電機之間有一個(gè)GenSTART產(chǎn)品（可選配置），叫做增強型發(fā)電機啟動(dòng)模塊，它相當于一個(gè)整流設備，從UPS電源系統獲得一個(gè)交流的能量，為柴油發(fā)電機提供高達1725安培（ 24 VDC ）的備份用的啟動(dòng)電流，這樣與原有負責柴油發(fā)電機啟動(dòng)的蓄電池組提供的啟動(dòng)電流形成啟動(dòng)電流1+1的冗余備份關(guān)系，因此提高了油機自動(dòng)啟動(dòng)的可靠性，從而大大提高了油機供電系統以及整個(gè)供電系統的可靠性和安全性。通過(guò)在UPS電源系統和柴油發(fā)電機之間加裝GenSTART產(chǎn)品，可以提高柴油發(fā)電機啟動(dòng)成功率達到50倍。

3免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統特點(diǎn)和優(yōu)勢

（1）高可靠性、高安全性

對于UPS的使用者來(lái)講，最重要的莫過(guò)于UPS的可靠性和安全性。免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統的高可靠性和高安全性主要體現在以下幾個(gè)方面：

①　飛輪儲能UPS電源系統是一種在線(xiàn)互動(dòng)式的UPS電源系統，與傳統蓄電池式UPS電源系統相比，飛輪儲能UPS電源系統的設計理念更為簡(jiǎn)單、實(shí)用、有效。傳統蓄電池式UPS電源系統要不斷的通過(guò)整流器和逆變器轉換電能，因此易造共用點(diǎn)的故障，降低了系統的可靠性。而飛輪儲能UPS電源系統是一種在線(xiàn)互動(dòng)式的UPS電源系統，它不僅大大提高了UPS電源系統整機效率，而且通過(guò)相應技術(shù)先進(jìn)的自動(dòng)穩壓和濾波電路能夠保證為負載提供穩定而純凈的交流電，從而大大提高了整個(gè)供電系統的可靠性和安全性；

②　飛輪儲能UPS電源系統采用無(wú)蓄電池儲能技術(shù)。目前，傳統蓄電池式UPS電源系統最大的薄弱環(huán)節就是蓄電池組，據統計，在傳統蓄電池式UPS電源系統返修的過(guò)程當中，UPS 故障70%由蓄電池引起。而飛輪儲能UPS電源系統采用創(chuàng )新的免蓄電池磁懸浮飛輪綠色儲能技術(shù)，免去了傳統蓄電池式UPS電源系統因蓄電池而帶來(lái)的不可靠性和不穩定性，因此大大提高了供電系統的可靠性和安全性；

③　飛輪儲能UPS電源系統工作壽命長(cháng)達20年，在工作壽命期間系統工作是穩定、可靠而安全的；

④　飛輪儲能UPS電源系統采用集整流和逆變于一體的 IGBT 裝置，其平均故障間隔時(shí)間（MTBF）達 65年，正是通過(guò)選擇這種高可靠性的器件，從而大大提高了飛輪儲能UPS電源系統的可靠性；

⑤　飛輪儲能UPS電源系統有著(zhù)強大的瞬間斷電保護能力。當市電輸入出現斷點(diǎn)時(shí)，由于飛輪儲能UPS電源系統內的飛輪是在線(xiàn)運行狀態(tài)，此時(shí)高速旋轉的飛輪立刻轉入發(fā)電機工作輸出狀態(tài)，向負載進(jìn)行供電，因此輸出并沒(méi)有出現斷點(diǎn)，完全滿(mǎn)足了不間斷供電。當市電輸入頻繁出現市電斷點(diǎn)時(shí)，反復的對飛輪儲能裝置進(jìn)行充放電，對飛輪儲能裝置不會(huì )產(chǎn)生任何的影響。而對于傳統蓄電池式UPS電源系統來(lái)講，當市電輸入頻繁出現斷點(diǎn)時(shí)，蓄電池會(huì )頻繁的處于充放電狀態(tài)，這樣大大降低了蓄電池的性能和使用壽命。所以飛輪儲能UPS電源系統對瞬間斷電起到了良好的保護作用，大大提高了整個(gè)供電系統的可靠性和安全性；

⑥　飛輪儲能UPS電源系統自動(dòng)穩壓功能強大。飛輪儲能UPS電源系統內部的自動(dòng)穩壓調整電路，可以在市電輸入+/-15%的變化范圍內，將UPS電源系統輸出穩定到+/-1%。這樣，我們能夠保證在交流輸入不穩定的情況下，保證向負載提供穩定而可靠的電力；

⑦　飛輪儲能UPS電源系統濾波功能強大。系統內部采用有源動(dòng)態(tài)濾波器，既能夠有效的防止電網(wǎng)干擾，避免市電諧波對負載和UPS電源系統產(chǎn)生影響，也能夠有效消除負載和UPS電源系統自身產(chǎn)生的諧波，使其不污染電網(wǎng)。

（2）高可用性

①　高效率、低能耗。飛輪儲能UPS電源系統采用在線(xiàn)互動(dòng)式UPS的設計方式，使系統效率達到98%，尤其在輕載（20%～30%）環(huán)境下，也能夠達到96%以上的系統效率，由于其系統效率很高，所以較之傳統蓄電池式UPS電源系統大大節省了UPS運轉耗電量；

②　功率因數高。0.99的高輸入功率因數，對電網(wǎng)有功功率的吸收能力強，對電網(wǎng)影響的程度輕，有效利用電網(wǎng)效能，減少無(wú)功損耗，節約電能，降低電網(wǎng)的諧波污染及空間輻射干擾，輸出功率因數達到0.9，有著(zhù)很強的帶載能力；

③　系統采用高集成度模塊化設計、可擴容，支持N+X冗余備份連接，單機支持120-1500kVA的配置，提供N+X冗余備份連接技術(shù)，通過(guò)并聯(lián)方式單系統容量最大可至3MVA；

④　完善的自動(dòng)本地與遠程監控。支持干節點(diǎn)、MODEM、RS-232/485接口、以太網(wǎng)SNMP等監控方式；系統可選的監控軟件為操作員提供了與飛輪儲能UPS電源系統進(jìn)行人機對話(huà)的界面，允許操作者啟動(dòng)和停止UPS，改變運行參數和操作模式，顯示系統錯誤和遙測數據?？蓪?shí)時(shí)監控如下信息：輸入輸出電壓，功率因素，輸出電流，飛輪溫度、線(xiàn)圈溫度、軸承溫度、軸承壓力、飛輪速率，放電數量、真空度等。對市電、柴油發(fā)電機組，UPS，切換柜供電狀況實(shí)時(shí)進(jìn)行監控；并可將故障以短信方式、撥電話(huà)號碼、上網(wǎng)發(fā)郵件等方式自動(dòng)匯報給用戶(hù)的運行維護人員，實(shí)現完善的故障回報功能；

⑤　適應極其惡劣的工作環(huán)境。設備正常運行溫度范圍：–20°C ～50°C之間；

⑥　系統噪音低：在一米內小于70dbA；

⑦　過(guò)載能力強：1000%額定負載 / 10毫秒、500%額定負載 / 1秒、200%額定負載 / 30秒、125%額定負載 / 10分鐘；

⑧　安裝簡(jiǎn)單、維護方便；

⑨　節省空間，占地面積小。最高節省75%的占地面積（同等功率），只相當于傳統蓄電池式UPS電源系統1/4的占地面積。

綜上所述，以上的這些性能指標，保障了UPS電源系統的高可用性。

（3）高經(jīng)濟性

①　面積的節省給用戶(hù)帶來(lái)的獲利：飛輪儲能UPS電源系統占地面積小，較之傳統蓄電池式UPS電源系統最高節省75%的占地面積（同等功率），按IDC機房年租金12萬(wàn)元人民幣/O的價(jià)格估算（北京地區），如果飛輪儲能UPS電源系統和傳統蓄電池式UPS電源系統額定容量同為500KVA，那么從用戶(hù)在IDC機房年租金的獲利這方面來(lái)講，每年大約能夠為用戶(hù)獲利134萬(wàn)元人民幣左右；

②　節省電費：飛輪儲能UPS電源系統效率達到98%，大大節省了UPS運轉耗電量，按1元人民幣/kWh的價(jià)格估算，如果飛輪儲能UPS電源系統和傳統蓄電池式UPS電源系統額定容量同為500KVA，那么每年大約能夠為用戶(hù)節省用電量50萬(wàn)度左右，即每年大約能夠為用戶(hù)節省電費50萬(wàn)元人民幣左右，即每年大約節省200噸左右標準煤的消耗，即每年大約能夠減少二氧化碳排放量500噸左右；

③　購買(mǎi)空調投入成本和空調運轉成本的節?。河捎陲w輪儲能UPS無(wú)需加裝空調系統進(jìn)行散熱，因此節省了用戶(hù)對于空調系統的投入資金；如果分析空調系統運轉所需要的電能，通過(guò)長(cháng)時(shí)間的系統運轉就能切實(shí)的體會(huì )到飛輪儲能UPS的節能效應；

④　運維費用的節?。河捎趥鹘y蓄電池式UPS電源系統中的蓄電池部分維護周期密集，故障率高，如果計算購買(mǎi)檢測蓄電池的儀器儀表的成本費用；檢測人員的人工成本費用（日常）；更換部分蓄電池的成本費用（不定期）；更換整組蓄電池的成本費用（每隔3～5年或不定期），那么傳統蓄電池式UPS電源系統的維護成本很高，而飛輪儲能UPS電源系統在20年的使用壽命期間，維護量很小，從而產(chǎn)生的運行維護費用較之傳統蓄電池式UPS電源系統會(huì )大大減少。

（4）可維護性

飛輪儲能UPS電源系統維護方便，后期給運維部門(mén)和運維人員的壓力和工作量很小，只需要以下的維護：

①　每隔3～6個(gè)月，清洗空氣濾網(wǎng)一次；

②　每隔3～5年，更換飛輪軸承一次，現場(chǎng)更換只需30分鐘；

③　每隔1年，更換真空泵機油一次，現場(chǎng)更換只需5分鐘。

（5）高環(huán)保性

飛輪儲能UPS電源系統綠色環(huán)保，采用無(wú)蓄電池儲能技術(shù)：傳統蓄電池式UPS電源系統中的蓄電池部分對環(huán)境的污染嚴重和腐蝕問(wèn)題難以避免，二氧化碳排放量十分巨大；而飛輪儲能UPS電源系統綠色環(huán)保，對環(huán)境沒(méi)有污染，效率高，能耗低，大大減少了發(fā)電廠(chǎng)二氧化碳的排放量。隨著(zhù)當今社會(huì )人們環(huán)保意識的不斷增強，在許多領(lǐng)域中，人們已經(jīng)不能接受化學(xué)蓄電池的弊端，而逐漸將目光放在了更加先進(jìn)的無(wú)蓄電池綠色飛輪儲能方式上了。

綜上所述，與傳統蓄電池式UPS電源系統相比，飛輪儲能UPS電源系統有著(zhù)很多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括：節省空間、安裝成本低廉、節約運轉耗電量、不使用空調系統、不使用危害環(huán)境的蓄電池、減少施加在機房上的結構重量、不存在與發(fā)電機的兼容性問(wèn)題、可靠性更高，無(wú)需支付更換蓄電池的巨大費用等等。

4免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統的主要電氣性能指標

（1）輸入

①　輸入電壓： 380/400/415 VAC，3相+中線(xiàn)；

②　輸入電壓可變范圍：±15%；

③　輸入功率因數≥0.99；

④　輸入電流諧波失真：100%線(xiàn)性負載時(shí)＜3%；100%非線(xiàn)性負載時(shí)＜8%；

⑤　輸入頻率：50Hz±10%。

（2）輸出

①　輸出電壓： 380/400/415 VAC，3相+中線(xiàn)；

②　輸出電壓穩定精度：±1%；

③　輸出頻率： 50Hz±0.2%；

④　輸出電壓波形失真：100%線(xiàn)性負載時(shí)＜3%；100%非線(xiàn)性負載時(shí)＜5%；

⑤　系統效率： 98%；

⑥　輸出功率因數：0.9；

⑦　過(guò)載能力： 1000%負載 / 10毫秒；500%負載 -/1秒；200% -/30 秒；125%負載 -/10 分鐘。

（3）環(huán)境指標

①　噪音： 在一米之內＜70dB(A)；

②　正常運行溫度范圍：-20℃～50℃；

③　相對濕度： 0%至95%，不結露；

④　工作海拔： 1000米（不降低額定值情況下）。

5系統應用介紹

2007年9月30日由北京泰萊克信息系統技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司總代理的美國Active Power公司的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統已成功在中國網(wǎng)通（集團）山西省通信公司太原第二樞紐樓開(kāi)通運行，運行穩定，效果良好。該電源系統圖片見(jiàn)附錄。

6結語(yǔ)

隨著(zhù)我國對節能減排工作的重視程度不斷提高，隨著(zhù)當今社會(huì )人們節約資源意識和環(huán)保意識的不斷增強，在許多領(lǐng)域中人們已經(jīng)不能夠接受化學(xué)蓄電池的弊端，而逐漸將目光放在技術(shù)更為先進(jìn)的儲能方式上。

我們相信，隨著(zhù)UPS技術(shù)的不斷革新，隨著(zhù)UPS行業(yè)的發(fā)展，隨著(zhù)UPS使用者對UPS可靠性和可用性等要求的不斷提高，這種技術(shù)更先進(jìn)、高可靠、高品質(zhì)、節能減排、高效低耗、綠色環(huán)保的最新一代免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS產(chǎn)品必將在中國通信運營(yíng)商、大型數據（物流）中心、石油石化、銀行、政府、醫療、電子、大型工礦企業(yè)、民航、軍隊等行業(yè)得到廣泛和大量的應用。

附錄：

山西網(wǎng)通太原第二樞紐樓動(dòng)力機房運行的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統。

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