一种新型飞轮储能技术在移动供电保障作业场景下的应用

2018-08-03陶宇航何岩岩

电气技术与经济 2018年3期

陶宇航朱辉何岩岩

（国网天津市电力公司城西供电分公司）

0 引言

随着现代社会发展，一些重要用电客户对于电能质量要求愈加提高。在一些重大会议、体育赛事、重要考试等场合，均要求供电连续不可间断，对于不间断电源系统的要求也越来越高。在传统的保电场合中，需要将柴油发电车接至用户电源低压母线侧，机组根据现场保电要求进行冷备用或热备用。一旦发生市电停电，立即启动机组并进行负载投切。但由于发电机组启动需要时间，并且需要运维人员手动进行监护及操作，将会导致重要用户不可避免发生短时断电情况，造成电力中断事故。

为避免此类情况发生，本文讨论了一种车载移动式飞轮储能电池技术，即利用动能代替传统化学能电池储存能量，在配合电源自动投切柜（Automatic Transfer Switch, ATS）及发电机组的情况下，可保证在临时性重要保电时段期间，即便电网发生停电故障，用户也可以保证零闪动，实现不间断供电保障。

1 结构与原理

与传统 UPS系统结构相类似，飞轮储能系统在部署时串联于电源与负荷中间，当电网侧输入异常时，由系统内部滤波器对市电进行稳压及滤波；当市电丢失时，由飞轮将储存的动能转化为电能为负荷继续提供电能，并同时启动后备发电机组或延时后启用蓄电池组。在外部电源恢复后，即可重新进行储能[1]。

飞轮储能电池主要由转子、轴承系统、真空室、电机控制系统及机组快速启动模块组成。

1.1 飞轮材料

相比于传统铅酸电池或锂电池等化学能储能方式，飞轮系统采用动能储存能量。其核心为一个由碳纤维复合材料制成的轮组，通过电机对其进行驱动储能。由 E=0.5Jω2可知，飞轮所储存的能量与飞轮本身转动惯量一次相关，与转速二次相关。故在转速提升时，储能能量将以指数形式增长。但在飞轮高速旋转时会产生巨大的向心力，故要求转子采用强度较高的材料制作。

1.2 轴承系统

由于轮组系统无论在充放电及待机时均在持续高速旋转，故减少轴承摩擦对于提升系统效率及维护时间非常重要。本系统采用电磁悬浮轴承[2]，在系统工作时，可将底部轴承压力降低至静止状态压力的约1/6，并通过快速可更换轴承设计，提升了系统可靠性。

由于飞轮系统应用在车载移动应急作业平台，在随车运输过程中，飞轮不可避免会受到震动。为避免震动对轴承及传感器造成损伤，在每个飞轮仓上下盖板处，安装了快速锁定轮体机构。在运输前，通过快拆机构顶起飞轮并夹紧，可以完全克制飞轮转动并锁死。系统就位后，解锁即可投入使用。

1.3 真空室

为避免转子在高速旋转时因空气摩擦发热，在转子室内需要持续抽真空。系统工作时，真空室内气压将维持在5～7kPa。但由于真空不利于散热，充放电期间会导致电枢温度升高，同时高温也会导致气压提升，在使用时须多加注意。

1.4 电机系统

为满足系统工作时散热、体积及损耗需求，电机采用与转子共体的永磁同步驱动系统。电机与励磁控制器相连，采用发电机和电动机一体化设计方案。电机通过AC-DC控制器连接至高压直流母线，并再次经过DC-AC逆变器连接至市电交流母线。通过应用电力电子器件，实现了98%的高效率电源转换[3]。

1.5 快速启动模块

由于在保电期间，发电机组控制电源需要持续开启，以便于接收启动信号；为避免长时间开机导致机组蓄电池亏电失效，需要另增设快速启动模块，用于发电机组蓄电池充电及为机组提供启动辅助电源。GenSTART模块在飞轮车及发电车上各放置一组，通过电缆相连接。该模块在机组启动时，可从飞轮储能车提供最高24V/1725A的电力供应[4]，与蓄电池互为备份，可大大提升柴油机组启动成功率。

飞轮储能仓结构如图1所示。

图1 飞轮储能仓内部结构

2 飞轮储能与其他传统储能方式对比

现有的主流及研发阶段的储能方式大致可分为物理储能、化学能储能及电磁储能[5]，如下表所示。

表飞轮储能与其他储能方式对比

由上表可看出，飞轮储能系统具有如下优点：

1）能量密度及放电深度较大，尤其是转速提升时储存电量将以指数形式提升。

2）使用寿命长及工作效率较高，长期使用场景下部署成本较低。

3）充电时间短，放电响应迅速，可以为负载提供完全连续的供电需求。

4）工作温度要求较低，在较宽的温度范围内均可正常工作。

5）维护简单，系统不会因过放及过充受到损伤，转子为纯机械结构，只需更换轴承及真空泵滑油即可满足维护要求。

同时，飞轮储能系统也存在如下缺点：

1）抗震能力差，工作时须牢牢紧固至地面。

2）前期部署成本较高。

3）放电时间短，仅适合短时间电力波动时过渡。

相比于其他储能方式，飞轮储能更适用于与蓄电池组或柴油机组配合使用，在外部电源失去时，由飞轮首先供能，保护蓄电池组寿命及为发电机组启动提供过渡支撑时间。

3 系统主接线方式及启动步骤

车载式应急飞轮储能系统主要分为两个结构：外部主接线系统及内部主接线系统。

3.1 外部主接线系统

为了保证用户供电不中断，在部署储能系统时，须将用户从电源侧断开，将储能车串联于市电与用户负荷中间，同时与柴油发电机组相连，如图2所示。

图2 飞轮储能不间断电源车外部接线方式

在充电完毕并将系统调试好后，电源即从市电输入至飞轮储能车，经稳压后输出给用户使用。当外部市电发生故障时，将按照以下顺序进行负载保护动作：

1）由ATS柜检测主电源失电，短延时后断开市电输入断路器，同时给予发电车启动信号。

2）在等待柴油机组启动并稳定出力期间，用户负荷由飞轮储能机构进行供电。

3）ATS柜检测到发电车启动完毕并准备带载，将电源输入投切至发电车侧，合入输入断路器。

4）系统开始由应急发电车向用户供电，并对飞轮重新进行储能。

5）ATS柜检测到市电恢复，长延时后将电源输入投切至市电侧，给予发电车停机信号。

在整个负载投切过程中，由飞轮控制柜保证用户电源不丢失，实现了不间断供电。

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3.2 内部主接线系统

飞轮储能车内部分为三个部分，分别为 ATS机柜、系统柜及飞轮储能柜。其中单个飞轮柜容量为250kVA，最多可并联4组使用，如图3所示。

图3 内部接线主电路图

在将外部线路连接完毕后，需要执行以下启动步骤：

1）确认车辆底盘支撑腿已将车身找平，所有断路器及隔离开关均在分位，所有飞轮柜中快拆机构已全部解锁。

2）通知用户随时可能送电，将工作人员撤离。

3）合入输入断路器总，系统柜通电自检。

4）待系统柜自检完毕后，合入系统柜内所有输入及输出隔离开关，飞轮柜通电自检。

5）在系统柜显示屏上检查飞轮底部轴承压力、飞轮仓真空度、电枢温度。

6）使用串口线连接系统柜内通讯接口，向飞轮柜逐个发送粗调校准指令。

7）内部旁路开关自动合入，飞轮柜开始自动在低转速下初始化飞轮。通过调整底部磁力轴承，将飞轮状态粗找平。

8）当所有飞轮粗调结束后，将所有飞轮柜及系统柜钥匙由旁路旋至在线位置，飞轮将开始充电，转速将迅速升至 7700RPM。转速到达后，内部旁路断开，系统自动开始精调校准。

9）精调结束后，系统在线，合入输出断路器总，系统向用户开始提供受保护的电力供应。

在保障工作结束后，恢复原接线方式时，通过系统柜向各飞轮柜发送刹车指令，待所有飞轮停转后，将系统执行旁路并下线，反向逐一拉开开关即可。

4 实验结果分析

本次测试模拟380kW居民照明负荷，采用纯阻性三相平衡负载，测试飞轮储能车在失去市电时自动投切电源、放电及电源恢复时充电能力。测试时，启用两组飞轮柜，系统处于满电待机模式，电枢温度及真空度均在最佳值。系统于16s处切除市电并开始放电，同时发送发电机组启动信号，于22s处柴油发电机组启动成功并开始供电，于 27s处开始为飞轮充电，并于93s处充电完成，系统回到待机模式。图4～图7为输入及输出参数曲线。

图4 飞轮储能车输入与输出电压曲线

图5 飞轮储能车输入与输出电流曲线

图6 飞轮储能车输入与输出功率曲线

图7 飞轮储能车转速与剩余电量曲线

由图4可知，当市电失去时，负载由储能车立即接替供电，用户感知不到电网波动。由于测试时发电机组处于热机状态，启动较快，约6s后启动成功并开始提供输出。ATS柜在检测到第二路电源正常后，立即将负载投切至发电机组输入侧，系统柜检测到供电恢复，延时后开始重新对两组飞轮进行储能。系统充电功率约为120kVA，耗时66s充电完成。在本次测试中，飞轮转速最低降至 5400RPM，剩余电量最低降至 45%。电枢温度及真空度略有升高，不影响运行。

在另一次极限测试中，不给予第二路电源，采用800kW 负载进行纯放电测试。系统启用了 4组飞轮柜，约17s后电量耗尽，系统断电。此时飞轮转速降为 2000RPM，已基本没有剩余能量。根据 W=Pt可知，整辆车存储约3.8kWh电能，即单个飞轮单元最多可储存约0.95kWh电能。

在两次测试中，证明了移动应急飞轮储能车在与柴油发电机组配合使用的情况下，可以较为完美地保证在电网出现故障时，用户不发生闪动。