飞轮储能装置在重要场所供电中的应用

张艳妍，宋玮琼，赵 成，蒙海军，李国昌，李 蕊，彭 放，周文斌，孙 健，李 娜，柏 卉



飞轮储能装置在重要场所供电中的应用

张艳妍1，宋玮琼1，赵 成1，蒙海军2，李国昌1，李 蕊1，彭 放1，周文斌1，孙 健1，李 娜1，柏 卉1

（1国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 100075，中国；2国家电网公司，北京 100031，中国）

飞轮储能设备在重要场所，可以被用于支撑大功率负载。应用时，需充分考虑供电系统的电能质量指标，电能质量可以系统地用各种指标描述。本文首先介绍了电能质量的国家标准，其次介绍了几类较常见的电压敏感类用电设备。最后介绍了一个案例，案例显示飞轮储能设备在重要场所带大功率敏感用电设备时，其输出稳定可靠。

飞轮储能；电压敏感设备；电能质量；钠灯

国际电工委员会以及美国电气和电子工程师协会电能质量工作组，致力于研究供电系统的电能质量测试方法以及高质量的供电，我国电源学会等行业机构不断结合国际最新动态，编制国内电能质量标准，在标准规定范围内，供电企业按照国标提供优质的电力供应。能够满足绝大多数用电设备的用电需求。但是，经过北京电力科学研究院以及相关研究机构的大量实验验证，有部分特殊的用电设备，对于电源的扰动表现出敏感的不耐扰动的特性，尤其某些电压扰动甚至造成用电设备停止工作或非正常工作。为避免这些敏感设备在极其重要的场合出现停机或非正常的工作状态，北京电力科学研究院以及相关研究机构研究了大量定制电力设备的输出特性，飞轮储能设备是其中一类定制电力设备，能够给敏感设备提供稳定的供电。

本文首先了解电能质量的基础，结合敏感的用电设备的需求，提出针对用户或设备的有关定制电力解决方案，利用飞轮储能系统给重要负荷供电。

1 电能质量基础

电能质量是指作为商品或产品，电能的“质量”是由标志其好坏的各种指标来衡量的，所谓“好”或“坏”主要是由用电负荷、用户或相关的电气设备在用电中的“感受”所决定的。随着用电负荷的多样化，电能质量指标在不断发展和完善之中。国际上专业人员和团体对目前电能质量指标及其体系的形成有较为全面的研究。大多数情况下，非重要场所，供电质量完全可满足用电设备的需求。

1.1 国际研究团体

美国电气和电子工程师协会（institute of electrical and electronics engineers，简称IEEE）电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均适合于该设备正常工作。

国际电工委员会（international electrotechnical commission，简称IEC）电能质量问题是指导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流、或频率偏差[1]。

1.2 国内现有标准

电能质量是指输配电系统中交流电能的品质，它包括电压质量、电流质量、供电质量、用电质量。合格的三相交流系统电能品质，指的是理想的电压或电流波形，它包括电压、频率及波形指标。国内现有限定电能质量的各项指标主要有以下标准：《GB/T156 标准电压》、《GB/T 12325 电能质量供电电压偏差》、《GB/T 12326 电能质量电压波动和闪变》、《GB/T 14549 电能质量公用电网谐波》、《GB/T 15543 电能质量三相电压不平衡》、《GB/T 15945 电能质量电力系统频率偏差》、《GB/T 18481 电能质量暂时过电压和瞬态过电压》、《GB/T 19862 电能质量监测设备通用要求》、《GB/T 24337 电能质量公用电网间谐波》、《GB/T 30137 电压暂降与短时中断》等。

1.3 供电电压偏差的限值

国标“GB/T 12325电能质量供电电压偏差”[2]描述了供电电压偏差的限值为：电压偏差（%）=（电压测量值－系统标称电压）/系统标称电压×100%，公式描述为

1.4 公用电网谐波

国标“GB/T 14549电能质量公用电网谐波”中4限值[3]规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值。注入公共连接点的谐波电流不允许超过限值，限值与当地电网容量有关。

表1 谐波电压限值

220 kV电网参照110 kV执行

1.5 公用电网间谐波

国标“GB/T 14549电能质量公用电网谐波”中4限值[4]规定了电网间谐波限值。

表2 间谐波电压含有率限值（%）

1.6 三相电压不平衡

国标“GB/T 15543电能质量三相电压不平衡”中4限值适用于标称频率为50 Hz的交流电力系统正常运行方式下由于负序基波分量引起的PCC点的电压不平衡,不平衡度指电力系统中三相不平衡的程度。用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。

1.7 电压波动和闪变

国标“GB/T 12326电能质量电压波动和闪动”中4限值描述电压波动（fluctuation）即电压方均根值（有效值）一系列的变动或连续的改变，用（%）表示。

闪变（flick）即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。

表3 电压波动限值

（%）：①很少的变动频度（每日少于1次），电压变动限值还可以放宽，但不在本标准中规定。②对于随机性不规则的电压波动，依95%概率大值衡量，表中标有“”的值为其限值。③本标准中系统标称电压ＵＮ等级按以下划分：低压（LV）n£1 kV；中压（MV） 1 kV ˂n£35 kV；高压（HV）35 kV ˂n£220 kV

该标准适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及可能引起人对灯闪有明显感觉的场合，规定了各级电压下的闪变限值。

=(max-min)/n×100% （2）

1.7 电力系统频率偏差

国标“GB/T 15945—2008电能质量电力系统频率偏差”中3限值规定电力系统频率偏差允许值为±0.2 Hz；系统容量较小时，偏差值可放宽到±0.5 Hz；用户冲击引起的频率变动不超过±0.2 Hz。

1.8 电压暂降

国标“GB/T 30137-2013电能质量电压暂降与短时中断”中附录A表A.1限值[5]规定电力系统中某点工频电压方均根值突然降低至0.1～0.9 p.u.，并在短暂持续10 ms～1 min后恢复正常的现象。

SEMI F47是半导体加工设备的电压暂降抗扰力规范，定义了半导体加工、度量、自动化测试设备的电压暂降抗扰力。

表4 SEMI F47曲线

2 敏感用电设备的电能质量需求

北京地区重要电力用户较多，项目研究某具有代表性的用户，如会议场所、高端制造业、医院等。调研其内部使用的用电设备，作为重要用户敏感负荷类型，进行敏感负荷电能质量需求验证及测试。

图1 敏感的用电设备

2.1 400 W金属卤化灯

400 W金属卤化灯作为电压敏感类设备，对其进行电压敏感特性测试，测试结果如图2所示。

图2 400 W金属卤化灯测试结果

如图2所示当电压跌落至额定电压的百分比为0，持续时间大于7 ms时，金属卤化灯进入非工作区域；当电压跌落至额定电压的40%，持续时间大于8 ms，金属卤化灯进入非工作区域；当电压跌落至额定电压的50%，持续时间大于14 ms时，金属卤化灯进入非工作区域；当电压跌落至额定电压的70%，持续时间大于80ms时，金属卤化灯进入非工作区域；当电压跌落至220 V额定电压的75%，持续时间大于1000 ms时，金属卤化灯能够正常工作，不进入非工作区域。

2.2 400 W高压钠灯

400 W的高压钠灯作为电压敏感类设备，对其进行电压敏感特性测试，测试结果如图3所示。

图3 400W高压钠灯灯测试结果

由图3可知当电压跌落至额定电压的百分比为0，持续时间大于7 ms时，钠灯进入非工作区域；当电压跌落至额定电压的50%，持续时间大于7 ms时，钠灯进入非工作区域；当电压跌落至额定电压的60%，持续时间大于15 ms时，钠灯进入非工作区域；当电压跌落至额定电压的70%，持续时间大于26 ms时，钠灯进入非工作区域；当电压跌落至额定电压的75%，持续时间大于1000 ms时，钠灯能够正常工作，不进入非工作区域。

2.3 交流接触器

交流接触器作为电压敏感类设备，对其进行电压敏感特性测试，测试结果如图4所示。

图4 电压中断的起始相角对交流接触器的影响

测试表明交流接触器对于电压跌落的起始相位角非常敏感，随电压跌落的起始角由0°～360°变化时，交流接触器的正常工作时间成周期性变化，其变化曲线近似为一个周期180°滞后于初始相位角10°的余弦曲线。为测试其对电压变化的最敏感特性，特选取电压跌落起始角为90°～100°区间，进行电压跌落深度测试。

电压跌落深度对交流接触器敏感特性的影响（交流接触区安全工作区图）如图5所示。

测试结果见图5，当电压跌落至额定电压的百分比为0，持续时间大于7 ms时，交流接触器进入非工作区域；当电压跌落至额定电压的10%，持续时间大于13 ms时，交流接触器进入非工作区域；当电压跌落至额定电压的25%，持续时间大于15 ms时，交流接触器进入非工作区域；当电压跌落至额定电压的30%，持续时间大于22 ms时，交流接触器进入非工作区域；当电压跌落至额定电压的43%，持续时间大于10000 ms时，交流接触器能够正常工作，不进入非工作区域。

图5 交流接触器的测试结果

2.4 计算机类负荷

对于计算机类负荷的测试结果表明，在电压跌落至60%及以下时，计算机设备会重新启动；跌落至0时，在1 s内计算机设备会关机。

2.5 固定式框架开关

对固定式框架开关（配MN欠压脱扣）的试验显示在电压跌落至41%及以下时固定式框架开关其MN欠压脱扣器动作。

表6 框架开关测试结果

3 飞轮储能设备在电力系统中的应用

飞轮储能系统，作为一类有效解决电压扰动问题的大功率带载设备，可以解决几个毫秒之内的电压扰动影响，其在电力行业的应用较多，特别是重大的政治活动保障期间，能够作为电网和用户之间的隔离设备，向用户提供不间断高质量的电源供应。

3.1 飞轮储能设备的原理

飞轮在摩擦很小的真空环境下持续旋转，光学传感器用以控制飞轮作为发电机或发动机间的转换，飞轮在磁力环境及轴承的支撑下转动达到最佳运行状态，同时也减轻了轴承的压力，增加轴承的寿命，飞轮充电过程其转子消耗电能在电力驱动下不断提高转速，当转子达到额定转速后，只需要很小的电能以维持转子持续运转，转速达50%，系统已具备条件可以对外进行放电，当直流总线电压降低到某一特定值时，触发飞轮开始对外放电。

飞轮放电时，厂家不同，其结构不同，但装置内部皆自带逆变器，可实现完全滤波，实现标准的正弦波供电，供电品质优良。且一般情况下，飞轮配合柴油发电机一同使用，柴油发电机可在带负载的同时，完成油箱补油，因此，理论上飞轮储能装置配柴油发电机使用，为用户供电时，可无限期提供标准正弦波优质供电电源，特别是在需要大负荷长时间供电情况下，比电化学储能型UPS节省空间。

图6 飞轮储能设备的原理

3.2 飞轮储能设备应用案例

某用户单位按照重要性分类，属于特级重要用户。该用户用电设备按照重要性分为三类负荷，分别为一级负荷、二级负荷和三级负荷，其中一级负荷，又分为特别重要负荷和一级负荷。如表7所示，（GB50052—2009供配电系统设计规范）。

表7 用户负荷分级

图7 飞轮供电示意图

依据用户负荷分级，重要会议厅、重要办公室、贵宾接待、应急照明、消防电梯、客梯属于一级负荷，使用频次高，供电电压异常将造成重大影响，采用飞轮储能UPS加柴油发电机供电系统（简称“飞轮+柴发”应急供电系统），作为用户采用的各种应急供电方式的有效补充。

该方案中客梯、消防电梯变频器启动特性、抗扰动特性，需要测试。贵宾接待用电类负荷特性、会议室用电负荷特性、办公用电特性，需测试。飞轮储能系统的输出特性、带大功率负载的突增负荷时带载能力需要测试。电源扰动时（电压骤升骤降扰动、频率扰动、谐波扰动）飞轮储能系统的响应特性需要测试。

最后，测试市电电源供电中断的情况下，飞轮输出特性如图8所示。

由测试数据可知，当市电电源在最恶劣的情况下，即市电中断的情况下，飞轮储能装置的输出特性仍旧保持干净稳定的电压、电流波形，可持续不间断为用电负载供电。

图8 飞轮输出特性

4 结 论

（1）电网公司能够提供的电能质量根据国家标准规定，是允许有谐波、不平衡、短时中断等现 象的。

（2）各类用电设备其耐受电压扰动时，响应特性是不同的，不同类型设备之间，耐受同样电压扰动，其响应特性不同；同一类用电设备，当电压扰动的时间和深度不同时，其相应特性也不相同。

（3）应用飞轮储能系统时，一般应配合发电机一同使用，飞轮储能系统应用时应充分考虑电网电源与用电设备的特性，以便选用容量和接入方式。在与用电容量相匹配的情况下，飞轮储能装置能够实现平稳无间断的高质量持续供电。

（4）飞轮储能系统输入端电源在电源断电情况下（最恶略情况），飞轮储能系统的输出特性仍平稳，不间断输出。因此在某重要场合，带大功率负载时，选用飞轮储能系统供电是极佳的选择。

[1] 林海雪. 电能质量指标的完善化及其展望[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(29): 5073-5079.

LIN Haixue. Perfecting power quality indices and prospect[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(29): 5073-5079.

[2] 李咏梅. 低压配电网谐波分析[D]. 南宁: 广西大学, 2005.

LI Yongmei. Analysis of harmonics in low-voltage electricity distribution grid[D]. Nanning: Guangxi University, 2015.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 电能质量供电电压偏差: GB/T 12325-2008[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, Standardization Administration of the People's Republic of China. Power quality- Deviation of supply voltage[S]. Beijing: Standards Press of China, 2009.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 电能质量公用电网谐波: GB/T 14549-93[S]. 北京: 中国标准出版社, 1994.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China. Quality of electric energy supply-Harmonics in public supply network: GB/T 14549-93[S]. Beijing: Standards Press of China, 1994.

[5] IEEE Standards Coordinating Committee. IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[S]. IEEE Std1547-2003, 2009.

Application of flywheel energy storage equipment in vital places

ZHANG Yanyan1, SONG Weiqiong1, ZHAO Cheng1, MENG Haijun2, LI Guochang1, LI Rui1, PENG Fang1, ZHOU Wenbin1, SUN Jian1, LI Na1, BAI Hui1

(1State Grid Beijing Electric Power Research Institute, Beijing 100075, China;2State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

Flywheel energy storage equipment can be used in vital places, for high power loads in short time duration. Multi-index is used to describe the power quality. The national standard of power quality and several kinds load characteristics are discussed in this paper. An application example of flywheel energy storage equipment was presented in actual engineering, which demonstrated that flywheel energy storage equipment could provide output with excellent power quality.

flywheel energy storage; voltage sensitive devices; power quality; sodium lamp

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0120

TM 919

A

2095-4239（2018）05-847-06

2018-06-15；

2018-08-18。

张艳妍（1977—），女，高级工程师，主要研究方向为电能质量定制电力及配电自动化，E-mail：z568@163.com。