浅谈动态UPS的发展历程（下）
磁悬浮飞轮储能技术动态UPS
磁悬浮飞轮储能技术一般是以高速旋转的飞轮铁芯作为机械能量的存储介质,飞轮等器件都被密封在一个密闭的真空容器内,以有效地避免空气阻力的影响,同时为了降低飞轮旋转时的损耗,提高飞轮的转速和储能的效率,在飞轮储能装置内使用磁悬浮技术对飞轮加以控制,并利用电动机/发电机和能量转换控制系统来控制电能的输入和输出。图10即为磁悬浮飞轮储能装置的结构示意图。
在市电正常的情况下磁悬浮飞轮储能装置相当于一台电动机,它将外界输入的电能通过电力电子装置驱动飞轮旋转,由此将电能转化为飞轮转动的动能(即机械能)储存起来。在正常待机时ACTIVEPOWER飞轮的转速可达到7700r/min。
在市电异常或停电的情况下磁悬浮飞轮储能装置就转变为发电机。当外界需要电能时,飞轮转动的动能就转化为电能,再通过电力电子装置转化成各种负载所需要不同频率和不同电压等级的电能,输送到外部负载,以满足不同负载的要求。
一旦市电恢复正常,市电则立即给磁悬浮飞轮储能装置进行“充电”,使飞轮的转速又回复到7700r/min。图11表示的是CTIVEPOWER动态储能UPS系统的构成情况。
当市电正常时,市电通过自动切换开关进入滤波补偿柜(暂这样称呼)将输入电压正弦波中的干扰和失真加以整理,使其送到关键负载的电压波是高质量的。一旦市电故障或异常,自动切换开关就断开市电并送出柴油发电机起动命令,同时率波补偿柜一方面给增强型发电机启动模块用之发电机发电也同时接通柴油发电机的24V起动电池启动柴油发动机。在这里需要说明的是柴油发电机的发电机和增强型发电机启动模块不是同一个装置,它是磁悬浮飞轮发电机。对该系统的整个工作由系统标配的监控软件来监控和分析。图12(a)为ACTIVEPOWER市电故障时的转换时间顺序。为了方便介绍,假如市电在0.0s停电,在2.0s～3.0s之间发出柴油发电机起动信号,一般柴油发动机5s就可以达到额定转数,到7.5s时柴油发电机已经达到额定转数,但此时储能飞轮的转数尚未降到和柴油发电机同步的程度,所以柴油发电机此时处于空转等待状态,大概等待1s左右储能飞轮的转数和柴油发电机同步了,即柴油发电机的输出电压频率和相位与磁悬浮飞轮发电机发出的电压经一系列变换后的输出电压一致了,二者马上锁相,此后的负载供电就就由柴油发电机来代替了,这整个过程必须在15s以内完成,一直到市电恢复。
图12(b)给出了更容易理解的电路原理图。当市电正常时,市电通过输入断路器Q1、静态开关S1和扼流圈L1进入,并通过输出断路器Q2送到负载。其中扼流圈L1滤除输入端带来的干扰,L2一路是磁悬浮飞轮发电机发出的电压经一系列变换后的输出电压对经L1后电压波形失真进行补偿,把高质量的电压输送到负载。市电故障或异常时它又担负着15s后备时间的任务。
从图12(b)中也可以看到该系统也配备了自动旁路和维修旁路。
图13示出的储能飞轮使飞轮的转数提升到5位数。结构上的变化,使其具有了如下的优点:
1、瞬时大功率、快速充放电、毫秒级响应速度并且放电倍率高;
2、使用寿命长:飞轮储能不受重复深度放电的影响,能够运行上千万次,理论寿命超过20年;
3、工作范围宽:对环境温度没有严格要求,无需建设空调机房;
4、能量转换效率高:电能动能之间的转换效率高于98%,储能系统综合效率约95%以上;
5、低损耗、低维护:磁悬浮和真空环境使机械损耗可以被忽略,系统维护周期长;
6、可精确测量和控制:飞轮储能可精确测量转子转速从而精确推算出“剩余电量”,实现精确控制;
7、安全可靠无污染:飞轮储能98%以上的材料都是钢材,无化学物质释放,无化学爆炸等安全隐患,从生产到应用的整个环节对环境友好;
8、大规模制造成本大幅度降低:飞轮主要材质为钢材,大规模制造后成本急剧下降,非常接近钢材成本;
9、残值高:“废旧飞轮电池”可直接回收利用,残值高,二次回收成本低;
10、由于在实际工作中,有的要求飞轮的转速高达40,000～50,0000r/min,一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速,所以这样的飞轮一般都采用碳纤维制成,既轻又强,进一步减少了整个系统的重量,同时,为了减少充放电过程中的能量损耗(主要是摩擦力损耗),电机和飞轮都使用磁轴承,使其悬浮,以减少机械摩擦;同时将飞轮和电机放置在真空容器中,以减少空气摩擦。这样飞轮电池的净效率(输入输出)可以达到95%左右。
上面介绍的飞轮储能技术广泛地应用在各个领域:航空、航天、石油、光复电站电站、风力发电站和火力发电厂、石油和铁路,甚至充电桩等,磁悬浮储能飞轮技术从高科技领域一直到日常生活的民用环境到处开花结果。
从表2中可以看出应急发电车引入了飞轮储能UPS技术后,使它的功能有了很大程度的提升。该技术在数据中心仍然有出色的表现。图14示出了飞轮储能UPS在数据中心的使用情况。
综上所述,对于市电环境良好的用户而言,飞轮UPS在如下技术性能上均有明显的优势.它们使整机效率、单机的最大输出功率、抗输出短路能力、输入功率因数、输出有功功率能力、允许的工作温度范围、可靠性和EMC(电磁兼容性),以及因无需配置电池组而大大减少,UPS的维护工作量减轻了,也减少了机房的占用面积,等等,诸多方面。其中,尤以可靠性高、节能降耗效果显著。无需配置故障率偏高的蓄电池组等更加引人注目。有鉴于此,在美国、欧洲和我国台湾地区的某些半导体芯片厂和军用系统中得到了较多的应用。近年来,它也日益引起国人的关注。
（来源：《数据中心建设+》杂志）
