磁懸浮飛輪儲能技術(shù)UPS及連續(xù)供電
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1前言
現(xiàn)代信息社會，對于信息時效性要求極高，一旦信息中斷，會帶來不可估量的直接經(jīng)濟損失和社會負面影響。近年來，電信運營商、大型數(shù)據(jù)中心、政府重要部門及大型生產(chǎn)企業(yè)等單位，對正常的電力保障供應要求越來越高，因而對于為機房設(shè)備及生產(chǎn)設(shè)備提供的UPS電源系統(tǒng)（即不間斷電源系統(tǒng)）保障的要求越來越苛刻。因此，要求必須提供365*24小時連續(xù)不斷的、可靠、安全、高效的電力供應保障。
傳統(tǒng)UPS電源系統(tǒng)利用了化學蓄電池儲能技術(shù)，即利用化學蓄電池作為電能的儲存裝置，而化學蓄電池存在著諸如占地面積大、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(shù)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)境指標要求高等問題。由于人們現(xiàn)在對節(jié)能減排的要求，對環(huán)境保護的要求，及對化學蓄電池性能特點的要求不斷提高，在許多領(lǐng)域中，人們已經(jīng)不能接受化學蓄電池的弊端，而逐漸將目光放在更加先進的儲能技術(shù)方式上，以替代傳統(tǒng)的化學蓄電池儲能技術(shù)。
如何在取消傳統(tǒng)化學蓄電池的使用而使UPS電源系統(tǒng)更加安全可靠？如何取消傳統(tǒng)化學蓄電池的使用而使UPS電源系統(tǒng)更加環(huán)保、節(jié)能、低耗？如何取消傳統(tǒng)化學蓄電池的使用而使UPS電源系統(tǒng)的投入費用和運行維護費用更加節(jié)省同時還能夠節(jié)省大量的占地空間？這些是擺在UPS電源系統(tǒng)使用者和UPS電源系統(tǒng)制造商面前的新課題。
在這種新形勢下，美國Active Power公司采用了無需傳統(tǒng)化學蓄電池、綠色環(huán)保的磁懸浮飛輪儲能技術(shù)，使UPS電源系統(tǒng)的體積大大減小，可靠性、安全性大大提高。這樣既能夠滿足客戶對UPS電源系統(tǒng)整體解決方案的要求，也能滿足客戶對移動性的要求，填補了市場的空白，成為了市場的新寵。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(tǒng)為大家做一個詳細的介紹：
磁懸浮飛輪儲能技術(shù)是一種技術(shù)上更為先進，成熟，應用前景廣闊并有很大市場發(fā)展?jié)摿?，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)越來越受到人們的重視，越來越廣泛地應用于國內(nèi)外的許多行業(yè)中。
雖然目前化學蓄電池儲能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，同時也為UPS電源行業(yè)做出了巨大的貢獻，但是，隨著技術(shù)上的不斷革新，隨著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，化學蓄電池作為UPS電源的儲能裝置在使用過程中逐漸暴露出了很多問題。據(jù)業(yè)界統(tǒng)計，UPS電源的故障70%是由化學蓄電池所引起的。我們大家知道，發(fā)電機啟動是靠幾節(jié)化學蓄電池提供啟動電流的，而發(fā)電機啟動失敗，90%也是由于化學蓄電池所引起?；瘜W蓄電池存在著諸如占地面積大、故障率高、維護周期密集等等的問題，它已經(jīng)成為傳統(tǒng)化學蓄電池式UPS電源供電系統(tǒng)中最不可靠的3個部分之一。
以上提到的種種問題已經(jīng)越來越受到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(tǒng)的化學蓄電池儲能技術(shù)為客戶的關(guān)鍵應用系統(tǒng)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(zhuǎn)的飛輪鐵芯作為機械能量儲存的介質(zhì)，飛輪等器件被密閉在一個真空容器內(nèi)，大大減少了風阻，同時為了減少運轉(zhuǎn)時的損耗，提高飛輪的轉(zhuǎn)速和飛輪儲能裝置的效率，在飛輪儲能裝置內(nèi)部使用磁懸浮技術(shù)對飛輪加以控制，并利用電動機/發(fā)電機和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)來控制電能的輸入和輸出。圖1為磁懸浮飛輪儲能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1：磁懸浮飛輪儲能裝置的結(jié)構(gòu)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機，其將外界輸入的電能，通過電力電子裝置驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動，由此將電能轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動的動能（機械能）儲存起來，在正常待機時，使飛輪的轉(zhuǎn)速達到7700轉(zhuǎn)/每分鐘。
在市電異常或停電的情況下，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，飛輪轉(zhuǎn)動的動能轉(zhuǎn)化為電能，再通過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行“充電”，使飛輪的轉(zhuǎn)速達到7700轉(zhuǎn)/每分鐘。
（2）免蓄電池磁磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作原理
免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)是一種采用磁懸浮飛輪儲能技術(shù)，在線互動式的UPS電源系統(tǒng)。圖2為免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作原理框圖。
圖2：免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作原理框圖
在市電異?；蛲ｋ姷那闆r下，UPS將儲存在飛輪里的機械能轉(zhuǎn)化為電能，向外界負載供電，同時在規(guī)定時間內(nèi)，轉(zhuǎn)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(tǒng)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(wěn)定的電源，能在關(guān)鍵負載、電網(wǎng)電壓下降、波動或停電情況下進行相應的保護。
圖3為免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作連接框圖。
圖3：免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)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(tǒng)工作連接框圖中可以看到，在UPS電源系統(tǒng)和柴油發(fā)電機之間有一個GenSTART產(chǎn)品（可選配置），叫做增強型發(fā)電機啟動模塊，它相當于一個整流設(shè)備，從UPS電源系統(tǒng)獲得一個交流的能量，為柴油發(fā)電機提供高達1725安培（ 24 VDC ）的備份用的啟動電流，這樣與原有負責柴油發(fā)電機啟動的蓄電池組提供的啟動電流形成啟動電流1+1的冗余備份關(guān)系，因此提高了油機自動啟動的可靠性，從而大大提高了油機供電系統(tǒng)以及整個供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。通過在UPS電源系統(tǒng)和柴油發(fā)電機之間加裝GenSTART產(chǎn)品，可以提高柴油發(fā)電機啟動成功率達到50倍。
3免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)特點和優(yōu)勢
（1）高可靠性、高安全性
對于UPS的使用者來講，最重要的莫過于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(tǒng)的高可靠性和高安全性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
① 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)是一種在線互動式的UPS電源系統(tǒng)，與傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)相比，飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)的設(shè)計理念更為簡單、實用、有效。傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)要不斷的通過整流器和逆變器轉(zhuǎn)換電能，因此易造共用點的故障，降低了系統(tǒng)的可靠性。而飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)是一種在線互動式的UPS電源系統(tǒng)，它不僅大大提高了UPS電源系統(tǒng)整機效率，而且通過相應技術(shù)先進的自動穩(wěn)壓和濾波電路能夠保證為負載提供穩(wěn)定而純凈的交流電，從而大大提高了整個供電系統(tǒng)的可靠性和安全性；
② 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)采用無蓄電池儲能技術(shù)。目前，傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)最大的薄弱環(huán)節(jié)就是蓄電池組，據(jù)統(tǒng)計，在傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)返修的過程當中，UPS 故障70%由蓄電池引起。而飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)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(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)因蓄電池而帶來的不可靠性和不穩(wěn)定性，因此大大提高了供電系統(tǒng)的可靠性和安全性；
③ 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作壽命長達20年，在工作壽命期間系統(tǒng)工作是穩(wěn)定、可靠而安全的；
④ 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)采用集整流和逆變于一體的 IGBT 裝置，其平均故障間隔時間（MTBF）達 65年，正是通過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(tǒng)的可靠性；
⑤ 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)有著強大的瞬間斷電保護能力。當市電輸入出現(xiàn)斷點時，由于飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)內(nèi)的飛輪是在線運行狀態(tài)，此時高速旋轉(zhuǎn)的飛輪立刻轉(zhuǎn)入發(fā)電機工作輸出狀態(tài)，向負載進行供電，因此輸出并沒有出現(xiàn)斷點，完全滿足了不間斷供電。當市電輸入頻繁出現(xiàn)市電斷點時，反復的對飛輪儲能裝置進行充放電，對飛輪儲能裝置不會產(chǎn)生任何的影響。而對于傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)來講，當市電輸入頻繁出現(xiàn)斷點時，蓄電池會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(tǒng)對瞬間斷電起到了良好的保護作用，大大提高了整個供電系統(tǒng)的可靠性和安全性；
⑥ 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)自動穩(wěn)壓功能強大。飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)內(nèi)部的自動穩(wěn)壓調(diào)整電路，可以在市電輸入+/-15%的變化范圍內(nèi)，將UPS電源系統(tǒng)輸出穩(wěn)定到+/-1%。這樣，我們能夠保證在交流輸入不穩(wěn)定的情況下，保證向負載提供穩(wěn)定而可靠的電力；
⑦ 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)濾波功能強大。系統(tǒng)內(nèi)部采用有源動態(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(tǒng)產(chǎn)生影響，也能夠有效消除負載和UPS電源系統(tǒng)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(tǒng)采用在線互動式UPS的設(shè)計方式，使系統(tǒng)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(tǒng)效率，由于其系統(tǒng)效率很高，所以較之傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)大大節(jié)省了UPS運轉(zhuǎn)耗電量；
② 功率因數(shù)高。0.99的高輸入功率因數(shù)，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，減少無功損耗，節(jié)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(shù)達到0.9，有著很強的帶載能力；
③ 系統(tǒng)采用高集成度模塊化設(shè)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)，通過并聯(lián)方式單系統(tǒng)容量最大可至3MVA；
④ 完善的自動本地與遠程監(jiān)控。支持干節(jié)點、MODEM、RS-232/485接口、以太網(wǎng)SNMP等監(jiān)控方式；系統(tǒng)可選的監(jiān)控軟件為操作員提供了與飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)進行人機對話的界面，允許操作者啟動和停止UPS，改變運行參數(shù)和操作模式，顯示系統(tǒng)錯誤和遙測數(shù)據(jù)。可實時監(jiān)控如下信息：輸入輸出電壓，功率因素，輸出電流，飛輪溫度、線圈溫度、軸承溫度、軸承壓力、飛輪速率，放電數(shù)量、真空度等。對市電、柴油發(fā)電機組，UPS，切換柜供電狀況實時進行監(jiān)控；并可將故障以短信方式、撥電話號碼、上網(wǎng)發(fā)郵件等方式自動匯報給用戶的運行維護人員，實現(xiàn)完善的故障回報功能；
⑤ 適應極其惡劣的工作環(huán)境。設(shè)備正常運行溫度范圍：–20°C ～50°C之間；
⑥ 系統(tǒng)噪音低：在一米內(nèi)小于70dbA；
⑦ 過載能力強：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 安裝簡單、維護方便；
⑨ 節(jié)省空間，占地面積小。最高節(jié)省75%的占地面積（同等功率），只相當于傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)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(tǒng)的高可用性。
（3）高經(jīng)濟性
① 面積的節(jié)省給用戶帶來的獲利：飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)占地面積小，較之傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)最高節(jié)省75%的占地面積（同等功率），按IDC機房年租金12萬元人民幣/O的價格估算（北京地區(qū)），如果飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)和傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)額定容量同為500KVA，那么從用戶在IDC機房年租金的獲利這方面來講，每年大約能夠為用戶獲利134萬元人民幣左右；
② 節(jié)省電費：飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)效率達到98%，大大節(jié)省了UPS運轉(zhuǎn)耗電量，按1元人民幣/kWh的價格估算，如果飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)和傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)額定容量同為500KVA，那么每年大約能夠為用戶節(jié)省用電量50萬度左右，即每年大約能夠為用戶節(jié)省電費50萬元人民幣左右，即每年大約節(jié)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 購買空調(diào)投入成本和空調(diào)運轉(zhuǎn)成本的節(jié)?。河捎陲w輪儲能UPS無需加裝空調(diào)系統(tǒng)進行散熱，因此節(jié)省了用戶對于空調(diào)系統(tǒng)的投入資金；如果分析空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)所需要的電能，通過長時間的系統(tǒng)運轉(zhuǎn)就能切實的體會到飛輪儲能UPS的節(jié)能效應；
④ 運維費用的節(jié)?。河捎趥鹘y(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)中的蓄電池部分維護周期密集，故障率高，如果計算購買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(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)的維護成本很高，而飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)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(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)會大大減少。
（4）可維護性
飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)維護方便，后期給運維部門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(xiàn)場更換只需30分鐘；
③ 每隔1年，更換真空泵機油一次，現(xiàn)場更換只需5分鐘。
（5）高環(huán)保性
飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)綠色環(huán)保，采用無蓄電池儲能技術(shù)：傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)中的蓄電池部分對環(huán)境的污染嚴重和腐蝕問題難以避免，二氧化碳排放量十分巨大；而飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)綠色環(huán)保，對環(huán)境沒有污染，效率高，能耗低，大大減少了發(fā)電廠二氧化碳的排放量。隨著當今社會人們環(huán)保意識的不斷增強，在許多領(lǐng)域中，人們已經(jīng)不能接受化學蓄電池的弊端，而逐漸將目光放在了更加先進的無蓄電池綠色飛輪儲能方式上了。
綜上所述，與傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)相比，飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)有著很多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括：節(jié)省空間、安裝成本低廉、節(jié)約運轉(zhuǎn)耗電量、不使用空調(diào)系統(tǒng)、不使用危害環(huán)境的蓄電池、減少施加在機房上的結(jié)構(gòu)重量、不存在與發(fā)電機的兼容性問題、可靠性更高，無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(tǒng)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；
② 輸入電壓可變范圍：±15%；
③ 輸入功率因數(shù)≥0.99；
④ 輸入電流諧波失真：100%線性負載時＜3%；100%非線性負載時＜8%；
⑤ 輸入頻率：50Hz±10%。
（2）輸出
① 輸出電壓： 380/400/415 VAC，3相+中線；
② 輸出電壓穩(wěn)定精度：±1%；
③ 輸出頻率： 50Hz±0.2%；
④ 輸出電壓波形失真：100%線性負載時＜3%；100%非線性負載時＜5%；
⑤ 系統(tǒng)效率： 98%；
⑥ 輸出功率因數(shù)：0.9；
⑦ 過載能力： 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(nèi)＜70dB(A)；
② 正常運行溫度范圍：-20℃～50℃；
③ 相對濕度： 0%至95%，不結(jié)露；
④ 工作海拔： 1000米（不降低額定值情況下）。
5系統(tǒng)應用介紹
2007年9月30日由北京泰萊克信息系統(tǒng)技術(shù)開發(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(tǒng)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通運行，運行穩(wěn)定，效果良好。該電源系統(tǒng)圖片見附錄。
6結(jié)語
隨著我國對節(jié)能減排工作的重視程度不斷提高，隨著當今社會人們節(jié)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)不能夠接受化學蓄電池的弊端，而逐漸將目光放在技術(shù)更為先進的儲能方式上。
我們相信，隨著UPS技術(shù)的不斷革新，隨著UPS行業(yè)的發(fā)展，隨著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、高可靠、高品質(zhì)、節(jié)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商、大型數(shù)據(jù)（物流）中心、石油石化、銀行、政府、醫(yī)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力機房運行的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)。
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