飛輪儲能技術在綠色數據中心的應用研究

趙曉峰，林武雋，楊子靖，劉永彬

（中國電信股份有限公司北京分公司，北京100010）

1 前 言

當前國內IDC產業正處于高速發展時期，節能減排技術已迅速成為數據中心運營企業所重點關注的問題。而作為數據中心關鍵配套設施的傳統UPS供電系統，因效率低、耗電高、占地大、維護難等弊端屢被詬病。

為了能夠在保障數據中心供電系統安全可靠的基礎上，打造出綠色高效的供電解決方案，進一步節能減排，降低數據中心的PUE指標，中國電信北京公司從電源供電系統節能新技術研究入手積極追求數據中心的資源節約和降本增效，通過測試、使用磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統，為綠色數據中心的供電方式提供了新的解決方案。

2 飛輪儲能UPS電源系統的原理和優勢

2.1 工作原理

磁懸浮飛輪儲能技術是一種技術上更為先進、綠色環保的電能存儲技術。它在磁懸浮真空環境下通過高速運轉的飛輪來儲存能量，可以在市電中斷時給UPS設備的逆變器持續供電幾秒到十幾分鐘時間，直至后備柴油發電機恢復對重要負載的供電［1，2］。一般來說，數據中心市電電源的可靠性能夠達到99.9%以上，在斷電的情況下自動配置的柴油發電機能在15 s內迅速啟動并恢復對重要負載的供電，采用飛輪儲能設備替代鉛酸蓄電池作為UPS的后備電源完全可行。飛輪UPS系統結構原理圖如圖1所示。

圖1 飛輪UPS系統結構原理圖

北京電信率先在亦莊局數據中心綜合樓利用現有的部分供電設備及高低壓變配電系統搭建并測試了一套飛輪儲能UPS電源系統。該系統的飛輪儲能裝置使用美國VYCON公司2臺單機功率為215 kW的VDC－CE飛輪設備，如圖2所示。

圖2 北京電信亦莊數碼港二期飛輪機房

在市電輸入正常的情況下，飛輪儲能UPS向負載設備提供高品質的電力供應，同時對飛輪儲能裝置進行“充電”。飛輪儲能UPS將外界輸入的電能驅動飛輪轉動，從而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，飛輪的轉速保持在36 000轉/分［3］。

在市電質量無法滿足飛輪儲能UPS正常運轉或市電中斷的情況下，飛輪儲能裝置將飛輪轉動的動能轉化為電能，再通過飛輪儲能UPS的相應裝置轉變成電能輸出，以滿足不同負載的需求。

一旦市電恢復正常，飛輪儲能UPS則會立即恢復正常供電狀態，同時對飛輪儲能裝置進行“充電”，使飛輪的轉速最高達到36 000轉/分，即“充滿狀態”。

同時，飛輪儲能UPS電源系統還具備電壓控制、停電保護以及瞬間斷電保護等功能，能夠提供良好的穩定的電源，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。

從亦莊局的實際應用情況來看，飛輪儲能UPS電源系統一般經過20分鐘即可從啟動狀態達到最高轉速（36 000轉/分），即充滿電的狀態。一旦市電異常或中斷，飛輪儲能裝置則轉為輸出狀態，并提供儲存的能量，此時飛輪的轉速在降低，在轉速為18 000轉/分左右時，輸出電壓低于設定值，將自動切斷輸出。根據負載的不同，飛輪儲能裝置一般能夠持續供電30 s到100 s，足夠后備柴油發電機的啟動。在市電恢復后，UPS系統恢復正常的工作狀態，飛輪儲能裝置則停止輸出并轉為儲能狀態，當轉速達到36 000轉/分時，重新充滿能量。

2.2 性能特點和優勢

目前國內UPS供電系統大量采用鉛酸蓄電池作為后備電源，雖然自動油機可以很快啟動并帶載，但由于技術和現實原因，鉛酸蓄電池后備時間一般達到20分鐘以上，而且鉛酸蓄電池還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，對環境的污染嚴重以及對工作溫度和環境指標要求高等問題。與鉛酸蓄電池相比，飛輪儲能設備則具備以下優點：

（1）作為一種機械儲能的方式，飛輪儲能的可靠性高，其工作壽命長達20年，在工作壽命期間系統工作能夠保持穩定可靠。同時，飛輪儲能UPS電源系統是一種在線互動式的UPS電源系統，與傳統蓄電池式UPS電源系統相比，其設計理念更為簡單可靠，而這正是數據中心對UPS提出的首要要求。

（2）效率高、節電潛力大。測試數據顯示，負載在額定負載50%以下時，飛輪UPS的效率高達97%，在40%帶載率時是96%，而傳統蓄電池這兩項數據分別是85%～87%和82%～83%［4］。由于其系統效率很高，所以較之傳統蓄電池式UPS大大節省了耗電量。對于數據中心更有意義的是，飛輪儲能UPS電源系統在輕載（20%～30%）環境下，也能夠達到96%以上的系統效率。另外，傳統UPS中的蓄電池有效工作溫度為20℃～25℃，并且溫度每升高或降低10℃，其性能都會下降一半甚至更多。當環境溫度超過25℃之后，溫度每升高1℃，蓄電池壽命將縮短一年。而飛輪UPS對環境的適應能力很強，可以在0℃到40℃之間正常運轉，它不會因外界因素而發生退化現象，機房內不需要配置空調系統，大大節省了空調系統運轉耗電量［5］。根據北京電信在實際使用過程中的數據測算，對于額定容量為6 MVA的數據中心，使用飛輪UPS電源系統一年可節約電費超過600萬元。

（3）在環境保護方面，飛輪設備綠色環保，不會產生鉛酸蓄電池所特有的鉛污染。參照《鉛酸蓄電池單位產量綜合能耗計算方法及限額》，鉛酸蓄電池單位產量綜合能耗2.7 kg（標準煤）/kVAh。對于單塊12 V/200 Ah的鉛酸蓄電池，按每組96塊，20年共計更換4次，使用飛輪儲能UPS電源系統可減少2.49噸（標準煤）的排放量以及1.5噸鉛粉的使用。

同時還應看到，飛輪儲能設備由于技術、成本等因素，一次性投資過高，更適合應用于大功率場合，同時其對后備油機及高低壓變配電設備的自動化切換程度要求較高，目前在國內的應用還相對較少。但是，飛輪儲能設備替代鉛酸蓄電池作為UPS的后備電源具備的優勢十分明顯，建議政府及企事業單位共同參與，推動飛輪儲能設備在國內的良性發展和應用。

3 結論和建議

數據中心的快速發展對用電設備的供電質量提出了更高的要求，磁懸浮飛輪儲能技術的出現，是對傳統UPS供電技術的一種探索和創新，是通信設備不間斷供電的重要發展方向。本文通過對磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統工作原理的介紹、以及工程實踐應用中論證了其替換傳統UPS供電系統的可行性。目前，國內飛輪儲能供電技術剛剛起步，其產品性能優勢和技術可行性方面已經得到了初步驗證。在節能降耗、綠色生產的大環境下，隨著電網質量的提高和技術的不斷發展和成熟，飛輪儲能技術必將在大型數據中心、工礦企業、醫療、軍隊等行業得到越來越廣泛的應用。

［1］ Bitterly J.G.Flywheel technology：past，present，and 21st century projects.IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，1998，13：13－16.

［2］ 鄧成博.革命性的技術，革命性的選擇（一）——最新一代免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS的特點和優勢.通信電源技術2008，25（1）：67－68.

［3］ VYCON VDC and VDC XE User Manual（CE VERSION）.美國 VYCON公司，2008，（11）：1－40.

［4］ 戴興建，鄧占峰，劉 剛等.大容量先進飛輪儲能電源技術發展狀況［J］.電工技術學報，2011，（7）：71－73.

［5］ 陳 鳳，張 花，陳月琴等.數據中心供電系統的新技術應用研究［J］.電源學報，2013，（2）：31－33.