磁悬浮飞轮储能设备在UPS系统中的应用研究

陈 凤，成 彬 ，王 涛 ，邢 峰

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210006）

磁悬浮飞轮储能设备是一种在磁悬浮真空环境下通过高速运转的飞轮来储存能量的装置。该装置可以在市电中断时给 UPS（Uninterruptibale Power Supply）的逆变器持续供电几秒到十几分钟时间，直至后备柴油发电机恢复对重要负载的供电［1］。在国外采用飞轮储能设备作为UPS系统后备电源的技术已经比较成熟［2］，典型的厂商包括美国的 Active Power公司、VYCON公司，德国 ATZ、GmbH 公司，日本的NEDO机构。在国内飞轮储能研究落后于国外10年左右，国内英利集团公司已经正式进军飞轮储能的研发并提出在‘十二五’期间将生产至少45万台。目前，进口飞轮储能设备在60周年国庆庆典、世博会电力保障以及广州亚运会上的供电工程中得到初步试用，其能耗低、无污染可完全取代铅酸蓄电池的成效得到初步验证［3］。随着中国通信行业节能减排问题提上日程，深入开展利用飞轮储能设备替代铅酸蓄电池的研究具有重要意义。

1 飞轮储能设备的优劣分析

1.1 飞轮储能设备的优势

目前国内UPS供电系统大量采用铅酸蓄电池作为后备电源，而且后备时间达到15分钟以上甚至是几个小时，而铅酸蓄电池存在更换周期短、故障率高、占地面积大、需要配备专用空调、对楼层承重要求高、易污染环境、不便于扩展和维护等一系列弊端［4，5］。从实际应用情况来看，一般市电电源的可靠性达到3个9（99.9%）以上，而且在断电情况下后备油机一般能在15秒钟内迅速启动并恢复对重要负载的供电［6］。在此前提下，采用飞轮储能设备替代铅酸蓄电池作为UPS的后备电源在理论上是可行的，而且具有以下优势［7］：

（1）可完全取代铅酸蓄电池，绿色无污染、无排放，100%可回收；

（2）故障率低，可靠性高，平均无故障时间（MTBF）在175 200小时以上；

（3）采用机柜式安装，占地面积小，对机房楼层承重要求低；

（4）管理维护方便，可并机扩容，适合按需分期投资建设；

（5）更换周期长，一般在15年以上；

（6）自身能耗较低，无需额外配置空调；

（7）兼容性好，能和各大主流UPS主机良好地匹配；

（8）同等容量时系统供电效率更高，采用飞轮时为97%以上，而传统为92%；

（9）安全性高，对电网无谐波反射，因而可改善电源品质；

（10）采用液晶触摸屏的人机交换界面，操作方便，能实时监测并记录各种状态，可实现远程监控、数据拷贝及上传等功能；

（11）可实现整个供电系统（包括市电/油机、变配电、UPS等）的全自动响应功能，即在市电断电或恢复时无需人工手动干预，因而能大大减少整个供电系统的维护管理工作量及维护人员；

（12）该设备移动方便，相比铅酸蓄电池更适用于移动式UPS电源系统中。

1.2 飞轮储能设备的不足

目前，国内对飞轮储能设备的应用还处于试用摸索阶段，主要是因为对飞轮储能设备表现出来的劣势还心存疑虑和担忧，主要表现在：

（1）飞轮设备储存的能量是有限的，更适合应用于大功率场合。飞轮设备的放电时间会随着负载量的增加而减少，但鉴于成本及市场竞争力的原因，飞轮设备的容量近期不可能做得很小；

（2）采用飞轮储能设备时，要求后备油机及高低压变配电设备必须具备快速响应功能。对整个供电系统及维护理念转变提出了较高的要求；

（3）国内在技术上落后于国外，应用较少且还要依赖于进口。在这些客观因素及国内各大运营商推行采购与维护分离的机制下，初期较高的投资成本在一定程度上限制其大面积的推广应用。

综上，飞轮储能设备替代铅酸蓄电池作为UPS的后备电源具备的优势十分明显，但其备受国内关注的劣势有其产生的客观因素且不容忽视，这并不影响飞轮储能设备取代铅酸蓄电池的大趋势。为了能更好地研究该技术及产品结合UPS使用的可行性，十分有必要搭建一套系统进行现场测试和深入分析。

2 飞轮储能设备＋UPS的联动测试

2.1 系统搭建方案

中国电信北京分公司率先在亦庄局数据中心综合楼利用现有的部分供电设备及高低压变配电系统搭建了一套飞轮＋UPS供电测试系统并进行了联动测试。本次选用的是美国VYCON公司VDC－CE型号产品，单机功率为215 kW，且为独立柜式结构，与Active Power公司开发的一体式飞轮UPS设备不同［8］。如图1所示，该系统包含2台油机（科勒公司2 000 kW）、1个市电进线柜、1个市电/油机切换柜、1个低压开关柜、1台UPS输入配电屏、1台UPS主机（艾默生公司400 kVA）、1台UPS输出配电屏以及1台飞轮储能设备。

图1 飞轮测试系统结构原理框图

为了保证飞轮测试系统的独立性，需要对大楼内原有已建供电系统进行改造。由于亦庄综合楼内市电尚未引入，本次选用1＃油机作为替代市电，用2＃油机作为后备油机，并将原有油机并机线、市电进线柜与变压器之间的电缆、UPS主机与蓄电池开关柜的电缆进行断开并做好防护，待测试完成后再行恢复。本期需自1＃油机引接一条4×150 mm2电缆连至市电进线柜输出端，作为替代市电（负载为30 kW）。市电/油机切换柜配置了ATS自动切换装置，还需要新敷设1条4×2.5 mm2的信号电缆，供市电/油机切换柜给2＃后备油机发送启动和关闭信号。飞轮储能设备与UPS主机的线缆连接包括直流输入线缆连接、弱电控制信号线连接以及飞轮设备引自UPS输出配电屏的辅助电源线连接。本次自UPS主机输出配电屏引接1路63 A/220 V分路连接到实验用30 kW负载电阻箱，以模拟真实带载情况。另外，此次试验UPS与飞轮储能设备间没有连接切换开关控制线，故UPS无法主动切断VDC电源。UPS的参数设定与正常工作时一样，如开机软启动时间仍然设定为24 s。

2.2 系统测试过程

本次主要是检测市电通电、断电、闪断等各种情况下飞轮设备能否充当后备电源的功能，测试市电/油机切换柜能否自动切换开关和控制油机的启动和关闭，以及后备油机能否根据控制指令自行完成操作，并记录各个环节的动作及延时时间等。具体测试过程如下：

（1）启动1＃柴油机模拟市电供电，待电压正常后，依次接通各开关柜内对应开关，给C6＃UPS主机供电；待UPS输出稳定后，开启飞轮VDC设备进行储能充电，经过20分钟后VDC达到最高转速（36 000转/分）并充满电，至此系统进入正常工作状态，可以开始进行切换试验；

（2）将系统假负载调节到30 kW；

（3）关闭1＃油机，模拟市电掉电；

（4）VDC发出报警声，显示屏界面上显示VDC处于输出状态，储存的能量在减少，飞轮的转速在降低；

（5）2＃油机自市电断电迅速启动，自市电断电至送电到UPS主机耗时约24 s，加上UPS设置了约24 s的开机软启动时间，共计耗时48 s。在此时间内，飞轮VDC设备一直承担后备电源为负载供电。直至UPS回复正常工作状态，飞轮VDC设备停止输出转回储能状态；

（6）经过约10分钟后，VDC的转速达到36 000转/分，重新充满能量。VDC替代蓄电池实验获得完全成功；

（7）接着将 UPS输入电源关断，仍连接30 kW的负载作为放电负载，测试VDC存储的全部能量的放电过程。经过96 s后飞轮转速由36 000 转/分降至18 600转/分，说明 VDC在带30 kW的负载条件下可以正常供电96 s（见图2）。此时飞轮VDC设备由于输出电压低于设定值，自动切断输出；

图2 VDC－CE飞轮储能放电过程记录结果

（8）为使VDC逐步停机，去掉负载，UPS打到旁路状态。经过约120分钟飞轮降至0转速后，依次关闭系统，结束试验；

（9）在进行模拟市电掉电之前，VDC还捕捉并记录了一次0.2 s和一次0.13 s的供电闪断过程（图3）。

图3 VDC－CE飞轮储能设备全过程延时时间记录结果

2.3 系统测试结果分析

（1）VDC在试验中分别捕捉到0.2 s和0.13 s的两次电源电压跌落，说明采用VDC系统后，能够将电网电压的瞬间跌落消除于无形中，提高了系统内设备抗击电源干扰的能力，对提高IDC机房电源的供电质量有明显帮助；

（2）VDC在带30 kW的情况下，从模拟市电掉电开始，至市电最终送达负载整个过程中各个环节的延时共计48 s，根据测试具体如下：从市电掉电开始计时0→市电/油机切换柜延时5 s后开始切换到油机端→油机收到启动信号到输出油机电耗时10 s→油机电送达低压开关柜延时5 s→油机电送达UPS输入配电屏延时4 s→UPS经过24 s的开机软启动，恢复对负载供电，至此飞轮设备立即进入充电状态，整个过程耗时约48 s。需要说明的是，UPS主机设置了24 s的开机软启动时间，这是为了消除市电断电、蓄电池瞬间接通时释放出的极大电流对UPS主机产生的冲击作用，避免UPS主机因此产生故障。而对于VDC而言，由于输出功率是根据需要人为设定的，不会产生冲击电流。因此，实际使用时可以将UPS主机的软启动时间设定为3～5 s，这样可以大幅度提高VDC的带载能力；

（3）通过对VDC在带30 kW的最大维持时间分析，如果将系统各部分调节到最佳状态，VDC完全可以在带载100 kW的情况下达到最大维持时间：

（4）在测试中发现VDC在达到规定转速36 000转/分后，处于准备好（Ready）状态，此时的维持电流小于3 A，且噪声很小，可以知道VDC中飞轮的摩擦系数极小，工作能耗很低。因此VDC是一种非常节能的产品；

（5）通过测试操作发现，相比铅酸蓄电池，VDC自带液晶触摸屏，具备良好的人机交互界面，能提供工作状态记录，并且飞轮设备支持所有数据的实时上传和拷贝，可实现远程的监测和控制，且不需要像蓄电池一样定期进行容量测试；

（6）VDC从16 000转/分到充满电36 000转/分，用时10分钟左右，这说明VDC的恢复时间很短，而相比蓄电池组几个小时的充电时间，优势显而易见。

3 飞轮储能设备＋UPS的可行性分析

从前面的理论分析和测试结果来看，在传统的UPS供电系统中利用飞轮储能设备替代铅酸蓄电池是可行的，而且后备油机及高低压变配电均能满足自动快速响应的要求。下面从投资见效期、节能减排效果和社会效益方面进一步来分析：

3.1 相对投资见效期

按照同等功率情况下，分别构建单独飞轮设备的投资成本增长模型与单独采用蓄电池的投资成本增长模型，进行对比分析来综合考虑飞轮设备相对于蓄电池的投资见效期。

3.1.1 飞轮储能设备的投资成本增长模型

本期新增一台飞轮设备功耗为215 kVA，为1个机柜，净占地面积为0.54 m2，设备初期投资为300万，飞轮与UPS主机之间的电缆材料费用很少，20年无需更换，且后期维护费用很低。具体运营成本计算如下：

设备购置费用：300万（含运输、安装费用）；

年耗 电 费 用：0.9元/度 × （220 V×3 A×0.8/1 000×24 h×365天＝0.42万元/年；

设定经过X年，则飞轮设备的投资成本增长模型为：300万元＋0.42 X 万元＝（300＋0.42 X）万元

3.1.2 采用铅酸蓄电池的投资成本增长模型

传统UPS系统的主机按照1台200 kVA艾默生主机计列，按照后备放电时间20分钟考虑计算出需要配置的蓄电池容量为400 Ah，总共配置2组×32节/组＝64节蓄电池，单节蓄电池为12 V/200 Ah，同时需要配置电池开关柜1个。参照国家相关规范和工程预算定额，具体投资成本计算如下：

蓄电池首次购置设备费、建筑安装费及其他费用：29.3万元；

蓄电池每年耗电费用：0.9元/度×（384 V×2 A×24 h/1 000）×365天＝0.61万元/年（厂商建议400 Ah蓄电池耗电按照平均2 A考虑）；

每年为蓄电池而额外增加的空调耗电费用：0.9元/度×（4 kW/2.5）×24 h×365天＝1.26万元/年（用于蓄电池的空调制冷量按照4 kW考虑，能耗比为2.5）；

蓄电池5年更换一次，因更换产生的蓄电池购置费及安装维护等费用为：221 077.34（设备费）元＋10 462.35（建安费）元＋12 260.46（安装其他费）元＋7 314元（预备费）元＝25.1万元，此项平均每年费用为：25.1/5＝5.02万元/年；

采用蓄电池导致整体系统故障率相对飞轮要高很多，按照每5年发生一次大的故障，因维修故障造成的损失按照10万元/次估列，平均到每年故障维修费用为2万元/年；

在同时考虑维护通道情况下，蓄电池及开关柜占地面积约为（1.076＋0.8×2）×4.4 m2＋0.6×（1＋0.8×2）m2＝13.33 m2，飞轮设备占地面积为：0.7×0.8×2 m2＝1.12 m2，前者相比飞轮设备多占用约（13.33－1.12）m2＝12.21 m2，可按照12 m2估算。这多占用的机房面积一方面需要前期投入建筑成本为：12 m2×1.5万元/m2＝18万元。另一方面这多占用的机房面积本来可以增加机柜摆放数量而带来经济效益，被蓄电池占用后就损失了该部分经济效益。根据调查了解到，目前北京地区IDC机房出租给客户平均收益在12 000元/（月×机柜）左右，按照净利润25%计算，每个机柜能带来净利润3 000元/（月×机柜），折算成单位面积（考虑单个机柜的维护通道占地面积）的净利润为：3 000元/［0.6×（0.9＋0.8）］）月×m2＝2 941.2元/（月×m2）。保守估算，可按照单位面积的净利润为2 800元/（月×m2）考虑，因采用蓄电池多占用的机房面积每年损失的经济效益为：12 m2×2 800元/（月×m2）×12月＝40.32万/年；

蓄电池需要经常进行容量测试，考虑测试人员的各种成本，按照每年测试费用2万元/年计列；

采用飞轮储能设备后，整个供电系统具备全自动的响应功能，无需人工干预操作，管理和维护十分便捷，可大大降低系统的维护工作量。而采用铅酸蓄电池无法实现整个系统全自动响应功能，需要人工手动操作，从整体供电系统的维护和管理角度考虑，需要配置2名维护人员，按照每人每年工资7万元计列，每年需要支出的维护人员工资为：14万元/年；

设定经过X年，则蓄电池的投资成本增长模型为：

3.1.3 相对投资见效期

从上面分析知道，设定年限为X年，飞轮设备的投资成本增长模型为：（300＋0.42 X ）（万元）；蓄电池的投资成本增长模型为：（47.3＋65.21 X ）万元。

假设经过20年，及X＝20时，飞轮设备的投资成本总共为：308.4万元；蓄电池的投资成本总共为：1 351.5万元，相比飞轮设备投资多出1 043.1万元。从长远来看，相对蓄电池来说采用飞轮设备可节约的投资成本效益十分明显。

相对投资见效期的计算：假设当X年后蓄电池的投资成本总额等于飞轮设备的投资成本与飞轮间接利润的差，说明从第X年开始飞轮设备相对于蓄电池开始显现出节约投资成本的经济效益。即此时的X年为飞轮设备相对于蓄电池的投资见效期。由此计算出飞轮设备投资见效期为47.3＋65.21 X＝300＋0.42 X，计算得到：X＝3.9年。

因此，同等功率情况下飞轮设备相对蓄电池的相对投资见效期为3.9年。

3.2 节能减排效益分析

在节能方面，飞轮UPS系统有良好的热稳定性和适应环境温度范围宽等特点，在机房中产生的热量几乎可以忽略，无需配置专用空调，因而节省了购置空调的设备费用和耗电成本。由前面的分析知，20年的使用期内传统的UPS电费＝蓄电池用电费用＋空调用电费＝（0.61×20＋1.26×20）万元＝（12.20＋25.20）万元＝37.4万元；而飞轮UPS系统20年内用费用＝0.42×20万元＝8.4万元，相比蓄电池节省了：（37.4－8.4）万元＝29万元，平均每年节省1.45万元。因此，相比蓄电池而言飞轮系统的节电率为：（37.4－8.4）/37.4＝77.54%。

在环保方面，飞轮设备具有生产应用全程绿色环保的特点，而且不会产生铅污染。近年来国内铅酸蓄电池高速发展，而因为生产/回收蓄电池导致在生产厂区周边地带屡屡发生大面积的铅污染事件，给当地居民的正常生活和周边环境都带来极大的危害。另外，参照《铅酸蓄电池单位产量综合能耗计算方法及限额》，铅酸蓄电池单位产量综合能耗2.7 kg（标准煤）/kVAh。对于单块12 V/200 Ah的铅酸蓄电池，按每组96块，20年更换4次，共计384块蓄电池，计算得：2.7 kg（标准煤）/kVAh×（12 V/1 000）×200 Ah×96×4＝2 488.32 kg≈2.49吨（标准煤）。一般1 kg标准煤可产生至少3 kgCO2，因此20年内因采用蓄电池产生的CO2排放量为：2.49吨×3＝7.47吨

3.3 社会效益

飞轮储能技术作为一种绿色环保新兴储能技术，在国外已经相当成熟并得到普遍应用，在国内十分少见。北京电信分公司大胆率先开展了飞轮储能技术及产品实地应用测试工作，对提升运营商的整体维护管理水平、构建精细化的维护管理体系及降低企业运营维护成本都具有现实和积极意义。

4 结论和建议

本文通过搭建一套模拟飞轮＋UPS供电测试系统，从工程实际角度论证了在UPS供电系统中利用飞轮设备替代铅酸蓄电池的可行性。通过利用飞轮储能设备，有助于实现整个供电系统的全自动运行和快速响应，而且从投资见效期、节能减排效果和社会效益方面相比铅酸蓄电池优势明显。为了促进飞轮储能技术及产品在中国的推广应用，建议一方面加强相关规范和制度的建设，整合各类资源进行技术攻关，研发出拥有自主知识产权并适合国内应用特点的一体式飞轮UPS产品，逐步淘汰铅酸蓄电池。另一方面，在运维方面要改变传统的单一手动操作和管理理念，随着飞轮储能技术的日益成熟和应用，是可以实现整个供电系统全自动运营和精细化维护管理的。最后，鉴于飞轮储能技术及产品的巨大优势和效益，建议政府在政策及资金方面给予支持，鼓励各大运营商及企事业单位积极参与，共同推动飞轮储能技术及产品在国内的良性发展和应用。

［1］ 邓成博.磁悬浮飞轮储能技术UPS及连续供电［J］.电源世界，2008，12 ：31－34.

［2］ http：//datacenter.chinabyte.com/1/12083501.shtml.

［3］ 飞轮 UPS的技术原理及应用［EB/OL］.http：//www.jifang360.com/news/2011323/n729418016＿2.html.

［4］ 中国飞轮储能：前景未可知［J］.中国储能，2010，12：11－20.

［5］ 飞轮技术进入中国［EB/OL］.http：//datacenter.chinabyte.com/220/12080220.shtml.

［6］ 15秒钟于15分钟的对比－高效性的设计［Z］.ActivePower公司白皮书107：1－4.

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

［8］ 浅谈飞轮储能技术免电池UPS系统［EB/OL］.中国电子信息产业网，http：//www.cena.com.cn/Article/jichudianzi/2007－06－25/20070625104824＿2663.shtml.