飞轮储能技术在绿色数据中心的应用研究

赵晓峰，林武隽，杨子靖，刘永彬

（中国电信股份有限公司北京分公司，北京100010）

1 前 言

当前国内IDC产业正处于高速发展时期，节能减排技术已迅速成为数据中心运营企业所重点关注的问题。而作为数据中心关键配套设施的传统UPS供电系统，因效率低、耗电高、占地大、维护难等弊端屡被诟病。

为了能够在保障数据中心供电系统安全可靠的基础上，打造出绿色高效的供电解决方案，进一步节能减排，降低数据中心的PUE指标，中国电信北京公司从电源供电系统节能新技术研究入手积极追求数据中心的资源节约和降本增效，通过测试、使用磁悬浮飞轮储能UPS电源系统，为绿色数据中心的供电方式提供了新的解决方案。

2 飞轮储能UPS电源系统的原理和优势

2.1 工作原理

磁悬浮飞轮储能技术是一种技术上更为先进、绿色环保的电能存储技术。它在磁悬浮真空环境下通过高速运转的飞轮来储存能量，可以在市电中断时给UPS设备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［1，2］。一般来说，数据中心市电电源的可靠性能够达到99.9%以上，在断电的情况下自动配置的柴油发电机能在15 s内迅速启动并恢复对重要负载的供电，采用飞轮储能设备替代铅酸蓄电池作为UPS的后备电源完全可行。飞轮UPS系统结构原理图如图1所示。

图1 飞轮UPS系统结构原理图

北京电信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并测试了一套飞轮储能UPS电源系统。该系统的飞轮储能装置使用美国VYCON公司2台单机功率为215 kW的VDC－CE飞轮设备，如图2所示。

图2 北京电信亦庄数码港二期飞轮机房

在市电输入正常的情况下，飞轮储能UPS向负载设备提供高品质的电力供应，同时对飞轮储能装置进行“充电”。飞轮储能UPS将外界输入的电能驱动飞轮转动，从而将电能转化为飞轮转动的动能（机械能）储存起来。在正常待机时，飞轮的转速保持在36 000转/分［3］。

在市电质量无法满足飞轮储能UPS正常运转或市电中断的情况下，飞轮储能装置将飞轮转动的动能转化为电能，再通过飞轮储能UPS的相应装置转变成电能输出，以满足不同负载的需求。

一旦市电恢复正常，飞轮储能UPS则会立即恢复正常供电状态，同时对飞轮储能装置进行“充电”，使飞轮的转速最高达到36 000转/分，即“充满状态”。

同时，飞轮储能UPS电源系统还具备电压控制、停电保护以及瞬间断电保护等功能，能够提供良好的稳定的电源，能在关键负载、电网电压下降、波动或停电情况下进行相应的保护。

从亦庄局的实际应用情况来看，飞轮储能UPS电源系统一般经过20分钟即可从启动状态达到最高转速（36 000转/分），即充满电的状态。一旦市电异常或中断，飞轮储能装置则转为输出状态，并提供储存的能量，此时飞轮的转速在降低，在转速为18 000转/分左右时，输出电压低于设定值，将自动切断输出。根据负载的不同，飞轮储能装置一般能够持续供电30 s到100 s，足够后备柴油发电机的启动。在市电恢复后，UPS系统恢复正常的工作状态，飞轮储能装置则停止输出并转为储能状态，当转速达到36 000转/分时，重新充满能量。

2.2 性能特点和优势

目前国内UPS供电系统大量采用铅酸蓄电池作为后备电源，虽然自动油机可以很快启动并带载，但由于技术和现实原因，铅酸蓄电池后备时间一般达到20分钟以上，而且铅酸蓄电池还存在着诸如占地面积大、故障率高、维护周期密集、维护成本高、使用寿命短、受充放电次数的限制，对环境的污染严重以及对工作温度和环境指标要求高等问题。与铅酸蓄电池相比，飞轮储能设备则具备以下优点：

（1）作为一种机械储能的方式，飞轮储能的可靠性高，其工作寿命长达20年，在工作寿命期间系统工作能够保持稳定可靠。同时，飞轮储能UPS电源系统是一种在线互动式的UPS电源系统，与传统蓄电池式UPS电源系统相比，其设计理念更为简单可靠，而这正是数据中心对UPS提出的首要要求。

（2）效率高、节电潜力大。测试数据显示，负载在额定负载50%以下时，飞轮UPS的效率高达97%，在40%带载率时是96%，而传统蓄电池这两项数据分别是85%～87%和82%～83%［4］。由于其系统效率很高，所以较之传统蓄电池式UPS大大节省了耗电量。对于数据中心更有意义的是，飞轮储能UPS电源系统在轻载（20%～30%）环境下，也能够达到96%以上的系统效率。另外，传统UPS中的蓄电池有效工作温度为20℃～25℃，并且温度每升高或降低10℃，其性能都会下降一半甚至更多。当环境温度超过25℃之后，温度每升高1℃，蓄电池寿命将缩短一年。而飞轮UPS对环境的适应能力很强，可以在0℃到40℃之间正常运转，它不会因外界因素而发生退化现象，机房内不需要配置空调系统，大大节省了空调系统运转耗电量［5］。根据北京电信在实际使用过程中的数据测算，对于额定容量为6 MVA的数据中心，使用飞轮UPS电源系统一年可节约电费超过600万元。

（3）在环境保护方面，飞轮设备绿色环保，不会产生铅酸蓄电池所特有的铅污染。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年共计更换4次，使用飞轮储能UPS电源系统可减少2.49吨（标准煤）的排放量以及1.5吨铅粉的使用。

同时还应看到，飞轮储能设备由于技术、成本等因素，一次性投资过高，更适合应用于大功率场合，同时其对后备油机及高低压变配电设备的自动化切换程度要求较高，目前在国内的应用还相对较少。但是，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，建议政府及企事业单位共同参与，推动飞轮储能设备在国内的良性发展和应用。

3 结论和建议

数据中心的快速发展对用电设备的供电质量提出了更高的要求，磁悬浮飞轮储能技术的出现，是对传统UPS供电技术的一种探索和创新，是通信设备不间断供电的重要发展方向。本文通过对磁悬浮飞轮储能UPS电源系统工作原理的介绍、以及工程实践应用中论证了其替换传统UPS供电系统的可行性。目前，国内飞轮储能供电技术刚刚起步，其产品性能优势和技术可行性方面已经得到了初步验证。在节能降耗、绿色生产的大环境下，随着电网质量的提高和技术的不断发展和成熟，飞轮储能技术必将在大型数据中心、工矿企业、医疗、军队等行业得到越来越广泛的应用。

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

［2］ 邓成博.革命性的技术，革命性的选择（一）——最新一代免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS的特点和优势.通信电源技术2008，25（1）：67－68.

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

［4］ 戴兴建，邓占峰，刘 刚等.大容量先进飞轮储能电源技术发展状况［J］.电工技术学报，2011，（7）：71－73.

［5］ 陈 凤，张 花，陈月琴等.数据中心供电系统的新技术应用研究［J］.电源学报，2013，（2）：31－33.