磁懸浮飛輪儲能技術UPS及連續(xù)供電

磁懸浮飛輪儲能技術UPS及連續(xù)供電摘要：文章介紹了無蓄電池、綠色環(huán)保的磁懸浮飛輪儲能技術UPS電源系統(tǒng)，是在線互動式的ups電源系統(tǒng)。這是一種新型的儲能技術，很有發(fā)展前途。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濟損失和社會負面影響。近年來，電信運營商、大型數據中心、政府重要部門及大型生產企業(yè)等單位，對正常的電力保障供應要求越來越高，因而對于為機房設備及生產設備提供的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，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，在許多領域中，人們已經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方式上，以替代傳統(tǒng)的化學蓄電池儲能技術。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ActivePower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，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導地位的美國ActivePower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：2免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作原理磁懸浮飛輪儲能技術是一種技術上更為先進，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。磁懸浮飛輪儲能技術已經越來越受到人們的重視，越來越廣泛地應用于國內外的許多行業(yè)中。雖然目前化學蓄電池儲能技術已經發(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越來越受到UPS電源使用者和UPS電源制造商的廣泛關注和重視。因此，針對以上提到的問題，美國ActivePower公司利用了磁懸浮飛輪儲能技術替代了傳統(tǒng)的化學蓄電池儲能技術為客戶的關鍵應用系統(tǒng)提供最可靠、最環(huán)保的優(yōu)質電力。(1)磁懸浮飛輪儲能技術工作原理磁懸浮飛輪儲能技術是以高速旋轉的飛輪鐵芯作為機械能量儲存的介質，飛輪等器件被密閉在一個真空容器內，大大減少了風阻，同時為了減少運轉時的損耗，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對飛輪加以控制，并利用電動機/發(fā)電機和能量轉換控制系統(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構示意圖。可現(xiàn)場更換飛紙馬達dt電機輕子可現(xiàn)場更換飛紙馬達dt電機輕子高轉速的飛輪煜證鬲罰舉樓出無爼的充滑蚊垛薛低損耗圖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機，其將外界輸入的電能，通過電力電子裝置驅動飛輪轉動，由此將電能轉化為飛輪轉動的動能(機械能)儲存起來，在正常待機時，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，飛輪轉動的動能轉化為電能，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(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，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。

GTSATSW?T、GU7 IN案油發(fā)電機GenSTART打,, yGTSATSW?T、GU7 IN案油發(fā)電機GenSTART打,, y關鍵貴荷監(jiān)控圖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正常的情況下，直接由市電向負載供電，同時利用飛輪裝置儲存能量;在市電偏低或偏高的情況下，通過UPS內部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后向負載供電。在市電異常或停電的情況下，UPS將儲存在飛輪里的機械能轉化為電能，向外界負載供電，同時在規(guī)定時間內，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(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，能在關鍵負載、電網電壓下降、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。

GTSATSW?T、GU7 IN案油發(fā)電機GenSTART打,, yGTSATSW?T、GU7 IN案油發(fā)電機GenSTART打,, y關鍵貴荷監(jiān)控圖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(24VDC)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的冗余備份關系，因此提咼了油機自動啟動的可靠性，從而大大提咼了油機供電系統(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：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；飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)采用無蓄電池儲能技術。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，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；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；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；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)內的飛輪是在線運行狀態(tài)，此時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；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)內部的自動穩(wěn)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(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；飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)濾波功能強大。系統(tǒng)內部采用有源動態(tài)濾波器,既能夠有效的防止電網干擾，避免市電諧波對負載和UPS電源系統(tǒng)產生影響，也能夠有效消除負載和UPS電源系統(tǒng)自身產生的諧波，使其不污染電網。（2）高可用性高效率、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運轉耗電量；功率因數高。0.99的高輸入功率因數，對電網有功功率的吸收能力強，對電網影響的程度輕，有效利用電網效能，減少無功損耗，節(jié)約電能，降低電網的諧波污染及空間輻射干擾，輸出功率因數達到0.9，有著很強的帶載能力；系統(tǒng)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，通過并聯(lián)方式單系統(tǒng)容量最大可至3MVA;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&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，改變運行參數和操作模式，顯示系統(tǒng)錯誤和遙測數據?？蓪崟r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；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；系統(tǒng)噪音低：在一米內小于70dbA;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；安裝簡單、維護方便；節(jié)省空間，占地面積小。最咼節(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） 高經濟性面積的節(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/m?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；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；購買空調投入成本和空調運轉成本的節(jié)?。河捎陲w輪儲能UPS無需加裝空調系統(tǒng)進行散熱，因此節(jié)省了用戶對于空調系統(tǒng)的投入資金;如果分析空調系統(tǒng)運轉所需要的電能，通過長時間的系統(tǒng)運轉就能切實的體會到飛輪儲能UPS的節(jié)能效應；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：每隔3?6個月，清洗空氣濾網一次；每隔3?5年，更換飛輪軸承一次，現(xiàn)場更換只需30分鐘；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：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，在許多領域中，人們已經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)約運轉耗電量、不使用空調系統(tǒng)、不使用危害環(huán)境的蓄電池、減少施加在機房上的結構重量、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輸入輸入電壓：380/400/415VAC，3相+中線；輸入電壓可變范圍：±15%;輸入功率因數〉0.99;輸入電流諧波失真：100%線性負載時＜3%;100%非線性負載時＜8%;輸入頻率：50Hz±10%。輸出輸出電壓：380/400/415VAC，3相