飛輪儲能UPS 箱式電站的應(yīng)用

楊少慰，田智會，許乃強

（上?？铺╇娫垂煞萦邢薰?，上海 201712）

0 引言

用電負荷的增大需要加大發(fā)電設(shè)備的投入，但場地限制是許多用戶碰到的常見問題，許多用戶沒有事先預(yù)留好一塊空地來進行發(fā)電設(shè)備的擴容；而迫切的用電需求使得用戶考慮更加靈活的方式，即購買一套箱式發(fā)電設(shè)備成為許多用戶的首選，可以根據(jù)用電大樓周邊場地情況設(shè)計滿足安放要求的箱式電站。

箱式電站加入儲能功能是面向節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢，柴油發(fā)電機組的運行模式要與市電電源進行無縫切換，需要配置UPS，常規(guī)的安裝有蓄電池的UPS 對工作環(huán)境有比較高的要求，需要安裝有空調(diào)系統(tǒng)使UPS系統(tǒng)布置處在一個恒溫的舒適環(huán)境中，這對于樓宇中有中央空調(diào)實現(xiàn)起來較為簡單，但對于戶外的嚴酷環(huán)境中營造這種條件花費的成本和維護成本就非常高。

飛輪儲能UPS相對傳統(tǒng)UPS來說的優(yōu)勢非常明顯，可完全丟棄傳統(tǒng)蓄電池，它無污染、無排放，系統(tǒng)可靠性更高，經(jīng)濟性更佳［1]。隨著飛輪儲能UPS技術(shù)的成熟，一種能夠與市電進行無縫切換的可靠性高、經(jīng)濟性好的戶外飛輪儲能UPS箱式電站也成為用戶的必然選擇。

1 飛輪儲能UPS箱式電站的組成

做為新型供電設(shè)備，飛輪儲能UPS箱式電站由柴油發(fā)電機組、市電及飛輪儲能UPS組成，這幾個部分整合在一個專業(yè)設(shè)計的集裝箱里成為一套實現(xiàn)無縫切換具有儲能功能的發(fā)電設(shè)備，如圖1所示。

圖1 具有儲能功能的發(fā)電設(shè)備

在這個電站中，飛輪儲能UPS 是最關(guān)鍵部分；典型的飛輪儲能系統(tǒng)由軸承、飛輪本體、電機/發(fā)電機、真空室和電力轉(zhuǎn)換器5個主要關(guān)鍵部件構(gòu)成。飛輪儲能系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，其結(jié)構(gòu)有不同型式。圖2 所示為飛輪儲能系統(tǒng)，是一種飛輪與電機合為一個整體的結(jié)構(gòu)，飛輪儲能系統(tǒng)的核心部件是飛輪本體，制作材料多采用碳素纖維，作用是力求減輕轉(zhuǎn)子重量，使轉(zhuǎn)子的極限角速度提高，使飛輪儲能系統(tǒng)的儲能量得到最大限度的增加。

圖2 飛輪儲能系統(tǒng)

軸承采用滾珠軸承，其性能與飛輪儲能系統(tǒng)的可靠性、效率和壽命直接相關(guān)。磁懸浮系統(tǒng)更多的使用于飛輪儲能系統(tǒng)中，使電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時有效減少摩擦，機械損耗大大降低，儲能效率得到更大提高［2]。

在飛輪儲能系統(tǒng)中電動/發(fā)電機集成一個部件，飛輪儲能系統(tǒng)以電動/發(fā)電機及其控制為核心實現(xiàn)機械動能與電能之間的轉(zhuǎn)換。在儲能時，由外界電能驅(qū)動電動機，使電動機運行，帶動飛輪轉(zhuǎn)子加速旋轉(zhuǎn)，到達設(shè)定的某一轉(zhuǎn)速；在釋放能量時，電機向外輸出電能，作為發(fā)電機輸出電能，同時飛輪轉(zhuǎn)速在慢慢下降。因此，高效率、低損耗的電動/發(fā)電機是能量高效傳遞的關(guān)鍵所在。

電力轉(zhuǎn)換器是將輸出電能通過調(diào)頻、整流或恒壓等變換為滿足負荷供電要求的電能，是為了提高飛輪儲能系統(tǒng)的靈活性和可控性。

真空室為電機提供真空環(huán)境，主要作用是降低電機運行時的風阻損耗［3]。

2 飛輪儲能UPS箱式電站功能實現(xiàn)

飛輪儲能UPS 箱式電站提供一種市電、柴油發(fā)電機與儲能飛輪UPS 集成的箱式電站，市電與柴油發(fā)電機組通過雙電源自動切換開關(guān)（ATS）輪流向飛輪UPS 供電，使飛輪UPS 獲得高速旋轉(zhuǎn)的動能，再通過飛輪UPS 向主用負荷提供不間斷的用電供應(yīng)［4]。飛輪儲能UPS箱式電站電站邏輯關(guān)系如圖3 所示。該系統(tǒng)的工作原理：

圖3 集成電站的一次系統(tǒng)圖

系統(tǒng)電源默認為市電電源優(yōu)先，當雙電源自動切換開關(guān)（ATS）系統(tǒng)默認投入到市電電源側(cè)，市電電源經(jīng)過UPS主輸入到UPS主機，UPS主機通過飛輪電池柜輸入輸出回路給飛輪電池柜輸入電能，飛輪電池柜將該電能轉(zhuǎn)換為高速旋轉(zhuǎn)的動能儲存起來。UPS 主機通過UPS 輸出回路經(jīng)過Q3斷路器給負載進行供電。

當市電電源出現(xiàn)故障時，ATS 系統(tǒng)檢測到市電電源出現(xiàn)故障，會給柴油發(fā)電機組發(fā)出啟動命令，然而在市電電源斷掉，柴油發(fā)電組啟動成功的20 s 內(nèi)，UPS 主機接收不到市電或者發(fā)電機組的電源輸入，這時候，飛輪電池柜的飛輪的高速旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)換為電能通過飛輪電池柜輸入輸出回路返回給UPS主機，UPS主機通過UPS 輸出回路經(jīng)過Q3斷路器給負載進行供電。柴油發(fā)電機組啟動成功，電源正常，ATS 系統(tǒng)投入到發(fā)電機組電源側(cè)，發(fā)電機組電源經(jīng)過UPS主輸入到UPS主機，UPS主機發(fā)出命令停止飛輪電池柜的飛輪的高速旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)換為電能，UPS 主機通過飛輪電池柜輸入輸出回路給飛輪電池柜輸入電能，飛輪電池柜將該電能轉(zhuǎn)換為高速旋轉(zhuǎn)的動能儲存起來。UPS主機通過UPS輸出回路經(jīng)過Q3斷路器給負載進行供電。

當市電電源故障恢復(fù)，市電正常時，ATS 系統(tǒng)檢測到市電電源恢復(fù)正常，ATS系統(tǒng)會給柴油發(fā)電機組發(fā)出停止命令，然而在油機電源斷掉，ATS系統(tǒng)從油機側(cè)切換到市電側(cè)的5 s內(nèi)，UPS主機接收不到市電或者發(fā)電機組的電源輸入，這時候，飛輪電池柜的飛輪的高速旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)換為電能通過飛輪電池柜輸入輸出回路，返回給UPS 主機，UPS 主機通過UPS輸出回路經(jīng)過Q3斷路器給負載進行供電。電源正常，ATS系統(tǒng)投入到發(fā)市電電源側(cè)，市電電源經(jīng)過UPS 主輸入到UPS主機，UPS主機發(fā)出命令停止飛輪電池柜的飛輪的高速旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)換為電能，UPS 主機通過飛輪電池柜輸入輸出回路給飛輪電池柜輸入電能，飛輪電池柜將該電能轉(zhuǎn)換為高速旋轉(zhuǎn)的動能儲存起來。UPS主機通過UPS輸出回路經(jīng)過Q3斷路器給負載進行供電。

另外，如果該UPS 系統(tǒng)需要維護，可以直接閉合Q4開關(guān)，利用UPS系統(tǒng)維修旁路給負載回路供電，保證負載電源的正常。從上面的工作過程可以看出，不管是市電故障ATS 系統(tǒng)切換到柴油發(fā)電機組或者是市電恢復(fù)正常，ATS 系統(tǒng)切換到市電側(cè)，該系統(tǒng)均保證了供電系統(tǒng)的不間斷，保證負載的穩(wěn)定。免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS的作用包括以下幾點：

（1）在市電輸入正常、偏低或偏高（一定范圍內(nèi)）的不同情況下，UPS內(nèi)部的有源動態(tài)濾波器會對市電進行穩(wěn)壓和濾波，提供高品質(zhì)的電力保障給負載設(shè)備，同時向飛輪儲能裝置充電，UPS利用內(nèi)部的飛輪儲能裝置進行能量儲存；

（2）在市電輸入中斷或者在市電輸入質(zhì)量無法滿足UPS正常運行要求的情況下，為了繼續(xù)向負載設(shè)備提供高品質(zhì)并且不間斷的電力保障，UPS 會將儲存在飛輪儲能裝置里的機械能轉(zhuǎn)化為電能；

（3）在UPS 內(nèi)部出現(xiàn)問題，工作受到影響的情況下，UPS內(nèi)部的靜態(tài)開關(guān)會切換到旁路模式，負載設(shè)備將接收來自市電提供的不間斷的電力保障；

（4）在市電輸入恢復(fù)供電正常，或者在市電輸入質(zhì)量恢復(fù)到滿足UPS運行要求正常的情況下，則快速切換到市電通過UPS供電的模式，繼續(xù)提供高品質(zhì)并且不間斷的電力保障到負載設(shè)備，并且繼續(xù)對飛輪儲能裝置進行充電儲能［4]。

市電、油機與儲能飛輪UPS 集成的箱式電站走線方式為：市電輸出電纜從集裝箱外部到ATS 切換柜頂部接入ATS市電端，發(fā)電機組輸出電纜通過電纜橋架連到ATS柜體頂部接入ATS油機端；市電與油機經(jīng)過ATS切換輸出動力，除了一部分用于防霧，冷凝等備用電源外，主要動力用于飛輪UPS產(chǎn)生動能。

飛輪UPS儲存能量，將產(chǎn)生動能轉(zhuǎn)換為電能，對主要負荷提供不間斷電源，另一路作為維修旁路負荷備用電源，還有一些電源作為備用。飛輪UPS 所處配電間考慮散熱通風，安裝排風扇對室內(nèi)進行散熱。同時配電間配備煙感，溫濕度傳感器。在配電室操作門外設(shè)置攝像頭以及門禁，對電站進行安全監(jiān)控。

3 飛輪儲能UPS箱式電站應(yīng)用前景

利用柴油發(fā)電機組或市電向飛輪UPS提供電能，使其實現(xiàn)“電能-動能”之間高效互相轉(zhuǎn)換，利用飛輪快速充放電和瞬時大功率的特點，為客戶提供節(jié)能、儲能和電能質(zhì)量改善方案。是一種高效的物理儲能技術(shù)，其壽命長，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性好的優(yōu)點，適合大規(guī)模制造。

從核心元件來比較，傳統(tǒng)UPS中蓄電池是90%故障隱患來源，第3方數(shù)據(jù)顯示飛輪UPS 比傳統(tǒng)UPS 可靠性高7 倍，飛輪UPS系統(tǒng)能提供全面的、精確的監(jiān)測系統(tǒng)；而傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)中的蓄電池無法做到精確監(jiān)控系統(tǒng)，傳統(tǒng)UPS第一年的故障率為3%，第二年為5%，第三年激增至31%，因此每月，乃至每半個月都要進行帶電量檢測。對于大型數(shù)據(jù)中心為數(shù)眾多的蓄電池組監(jiān)測，維護管理IBM 小型機工作相當繁瑣；蓄電池組從生產(chǎn)、使用直至回收降解的整個生命周期都會對環(huán)境造成化學污染。

因此飛輪UPS應(yīng)用前景更加光明，經(jīng)濟性更佳，采用真空高速磁懸浮飛輪物理儲能，電源利用率大大提高，半載情況下電源利用率也在96%以上，在滿載情況下電源損耗不足2%。有75%的能源損耗得到降低，由此帶來了很大的電力節(jié)省［5]。同時由于飛輪UPS 無需空調(diào)降溫，可100%節(jié)省為蓄電池提供的單獨制冷設(shè)備及制冷能耗［6]；還有飛輪UPS占地面積約為傳統(tǒng)UPS的一半，占地費用可節(jié)約超過50%，當系統(tǒng)容量需求越大時，費用節(jié)約比例就越大；而且飛輪UPS無需維護，只需從終端設(shè)備上監(jiān)測飛輪轉(zhuǎn)速等情況即可，在管理復(fù)雜度降低的同時，大大地節(jié)約了人工產(chǎn)生的成本。利用飛輪UPS能輕松完成數(shù)據(jù)中間綠色電源系統(tǒng)的建立［7]。

飛輪UPS 儲能電站應(yīng)用廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)據(jù)中心，高層辦公樓和智能樓宇的電源保護，微型電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰，高科技工廠不間斷電源，地鐵和高鐵的剎車制動能回收應(yīng)用，風能和太陽能儲能、削峰填谷、平滑波動、電網(wǎng)的調(diào)頻調(diào)峰［8]，醫(yī)療行業(yè)CT、MRI，高端醫(yī)療儀器電源保護，石油鉆井平臺的能量回收、天然氣發(fā)電削峰填谷，以及國防軍工等領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

飛輪UPS儲能箱式電站解決了用戶場地限制問題，解決了帶蓄電池傳統(tǒng)UPS大量能耗問題，通過利用飛輪UPS實現(xiàn)了油機與市電之間無縫切換，保證了對負載的不間斷供電，是節(jié)能環(huán)保的供電設(shè)備，應(yīng)用前景廣闊。