飛輪儲能UPS 箱式電站的應用

楊少慰，田智會，許乃強

（上海科泰電源股份有限公司，上海 201712）

0 引言

用電負荷的增大需要加大發電設備的投入，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留好一塊空地來進行發電設備的擴容；而迫切的用電需求使得用戶考慮更加靈活的方式，即購買一套箱式發電設備成為許多用戶的首選，可以根據用電大樓周邊場地情況設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能環保的發展趨勢，柴油發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，常規的安裝有蓄電池的UPS 對工作環境有比較高的要求，需要安裝有空調系統使UPS系統布置處在一個恒溫的舒適環境中，這對于樓宇中有中央空調實現起來較為簡單，但對于戶外的嚴酷環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UPS來說的優勢非常明顯，可完全丟棄傳統蓄電池，它無污染、無排放，系統可靠性更高，經濟性更佳［1]。隨著飛輪儲能UPS技術的成熟，一種能夠與市電進行無縫切換的可靠性高、經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

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

圖1 具有儲能功能的發電設備

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

圖2 飛輪儲能系統

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

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

電力轉換器是將輸出電能通過調頻、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的靈活性和可控性。

真空室為電機提供真空環境，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

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

圖3 集成電站的一次系統圖

系統電源默認為市電電源優先，當雙電源自動切換開關（ATS）系統默認投入到市電電源側，市電電源經過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換為高速旋轉的動能儲存起來。UPS 主機通過UPS 輸出回路經過Q3斷路器給負載進行供電。

當市電電源出現故障時，ATS 系統檢測到市電電源出現故障，會給柴油發電機組發出啟動命令，然而在市電電源斷掉，柴油發電組啟動成功的20 s 內，UPS 主機接收不到市電或者發電機組的電源輸入，這時候，飛輪電池柜的飛輪的高速旋轉的動能轉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 輸出回路經過Q3斷路器給負載進行供電。柴油發電機組啟動成功，電源正常，ATS 系統投入到發電機組電源側，發電機組電源經過UPS主輸入到UPS主機，UPS主機發出命令停止飛輪電池柜的飛輪的高速旋轉的動能轉換為電能，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換為高速旋轉的動能儲存起來。UPS主機通過UPS輸出回路經過Q3斷路器給負載進行供電。

當市電電源故障恢復，市電正常時，ATS 系統檢測到市電電源恢復正常，ATS系統會給柴油發電機組發出停止命令，然而在油機電源斷掉，ATS系統從油機側切換到市電側的5 s內，UPS主機接收不到市電或者發電機組的電源輸入，這時候，飛輪電池柜的飛輪的高速旋轉的動能轉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輸出回路經過Q3斷路器給負載進行供電。電源正常，ATS系統投入到發市電電源側，市電電源經過UPS 主輸入到UPS主機，UPS主機發出命令停止飛輪電池柜的飛輪的高速旋轉的動能轉換為電能，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換為高速旋轉的動能儲存起來。UPS主機通過UPS輸出回路經過Q3斷路器給負載進行供電。

另外，如果該UPS 系統需要維護，可以直接閉合Q4開關，利用UPS系統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 系統切換到柴油發電機組或者是市電恢復正常，ATS 系統切換到市電側，該系統均保證了供電系統的不間斷，保證負載的穩定。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）的不同情況下，UPS內部的有源動態濾波器會對市電進行穩壓和濾波，提供高品質的電力保障給負載設備，同時向飛輪儲能裝置充電，UPS利用內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量無法滿足UPS正常運行要求的情況下，為了繼續向負載設備提供高品質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化為電能；

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

（4）在市電輸入恢復供電正常，或者在市電輸入質量恢復到滿足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，繼續提供高品質并且不間斷的電力保障到負載設備，并且繼續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產生動能。

飛輪UPS儲存能量，將產生動能轉換為電能，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置攝像頭以及門禁，對電站進行安全監控。

3 飛輪儲能UPS箱式電站應用前景

利用柴油發電機組或市電向飛輪UPS提供電能，使其實現“電能-動能”之間高效互相轉換，利用飛輪快速充放電和瞬時大功率的特點，為客戶提供節能、儲能和電能質量改善方案。是一種高效的物理儲能技術，其壽命長，可靠性高，環境適應性好的優點，適合大規模制造。

從核心元件來比較，傳統UPS中蓄電池是90%故障隱患來源，第3方數據顯示飛輪UPS 比傳統UPS 可靠性高7 倍，飛輪UPS系統能提供全面的、精確的監測系統；而傳統UPS系統中的蓄電池無法做到精確監控系統，傳統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。對于大型數據中心為數眾多的蓄電池組監測，維護管理IBM 小型機工作相當繁瑣；蓄電池組從生產、使用直至回收降解的整個生命周期都會對環境造成化學污染。

因此飛輪UPS應用前景更加光明，經濟性更佳，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省［5]。同時由于飛輪UPS 無需空調降溫，可100%節省為蓄電池提供的單獨制冷設備及制冷能耗［6]；還有飛輪UPS占地面積約為傳統UPS的一半，占地費用可節約超過50%，當系統容量需求越大時，費用節約比例就越大；而且飛輪UPS無需維護，只需從終端設備上監測飛輪轉速等情況即可，在管理復雜度降低的同時，大大地節約了人工產生的成本。利用飛輪UPS能輕松完成數據中間綠色電源系統的建立［7]。

飛輪UPS 儲能電站應用廣泛，其應用領域包括數據中心，高層辦公樓和智能樓宇的電源保護，微型電網調頻調峰，高科技工廠不間斷電源，地鐵和高鐵的剎車制動能回收應用，風能和太陽能儲能、削峰填谷、平滑波動、電網的調頻調峰［8]，醫療行業CT、MRI，高端醫療儀器電源保護，石油鉆井平臺的能量回收、天然氣發電削峰填谷，以及國防軍工等領域。

4 結束語

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UPS大量能耗問題，通過利用飛輪UPS實現了油機與市電之間無縫切換，保證了對負載的不間斷供電，是節能環保的供電設備，應用前景廣闊。