飞轮储能UPS 箱式电站的应用

2021-01-12杨少慰田智会许乃强

机电工程技术 2020年11期

杨少慰，田智会，许乃强

（上海科泰电源股份有限公司，上海 201712）

0 引言

用电负荷的增大需要加大发电设备的投入，但场地限制是许多用户碰到的常见问题，许多用户没有事先预留好一块空地来进行发电设备的扩容；而迫切的用电需求使得用户考虑更加灵活的方式，即购买一套箱式发电设备成为许多用户的首选，可以根据用电大楼周边场地情况设计满足安放要求的箱式电站。

箱式电站加入储能功能是面向节能环保的发展趋势，柴油发电机组的运行模式要与市电电源进行无缝切换，需要配置UPS，常规的安装有蓄电池的UPS 对工作环境有比较高的要求，需要安装有空调系统使UPS系统布置处在一个恒温的舒适环境中，这对于楼宇中有中央空调实现起来较为简单，但对于户外的严酷环境中营造这种条件花费的成本和维护成本就非常高。

飞轮储能UPS相对传统UPS来说的优势非常明显，可完全丢弃传统蓄电池，它无污染、无排放，系统可靠性更高，经济性更佳［1]。随着飞轮储能UPS技术的成熟，一种能够与市电进行无缝切换的可靠性高、经济性好的户外飞轮储能UPS箱式电站也成为用户的必然选择。

1 飞轮储能UPS箱式电站的组成

做为新型供电设备，飞轮储能UPS箱式电站由柴油发电机组、市电及飞轮储能UPS组成，这几个部分整合在一个专业设计的集装箱里成为一套实现无缝切换具有储能功能的发电设备，如图1所示。

图1 具有储能功能的发电设备

在这个电站中，飞轮储能UPS 是最关键部分；典型的飞轮储能系统由轴承、飞轮本体、电机/发电机、真空室和电力转换器5个主要关键部件构成。飞轮储能系统在实际应用中，其结构有不同型式。图2 所示为飞轮储能系统，是一种飞轮与电机合为一个整体的结构，飞轮储能系统的核心部件是飞轮本体，制作材料多采用碳素纤维，作用是力求减轻转子重量，使转子的极限角速度提高，使飞轮储能系统的储能量得到最大限度的增加。

图2 飞轮储能系统

轴承采用滚珠轴承，其性能与飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命直接相关。磁悬浮系统更多的使用于飞轮储能系统中，使电机转子旋转时有效减少摩擦，机械损耗大大降低，储能效率得到更大提高［2]。

在飞轮储能系统中电动/发电机集成一个部件，飞轮储能系统以电动/发电机及其控制为核心实现机械动能与电能之间的转换。在储能时，由外界电能驱动电动机，使电动机运行，带动飞轮转子加速旋转，到达设定的某一转速；在释放能量时，电机向外输出电能，作为发电机输出电能，同时飞轮转速在慢慢下降。因此，高效率、低损耗的电动/发电机是能量高效传递的关键所在。

电力转换器是将输出电能通过调频、整流或恒压等变换为满足负荷供电要求的电能，是为了提高飞轮储能系统的灵活性和可控性。

真空室为电机提供真空环境，主要作用是降低电机运行时的风阻损耗［3]。

2 飞轮储能UPS箱式电站功能实现

飞轮储能UPS 箱式电站提供一种市电、柴油发电机与储能飞轮UPS 集成的箱式电站，市电与柴油发电机组通过双电源自动切换开关（ATS）轮流向飞轮UPS 供电，使飞轮UPS 获得高速旋转的动能，再通过飞轮UPS 向主用负荷提供不间断的用电供应［4]。飞轮储能UPS箱式电站电站逻辑关系如图3 所示。该系统的工作原理：

图3 集成电站的一次系统图

系统电源默认为市电电源优先，当双电源自动切换开关（ATS）系统默认投入到市电电源侧，市电电源经过UPS主输入到UPS主机，UPS主机通过飞轮电池柜输入输出回路给飞轮电池柜输入电能，飞轮电池柜将该电能转换为高速旋转的动能储存起来。UPS 主机通过UPS 输出回路经过Q3断路器给负载进行供电。

当市电电源出现故障时，ATS 系统检测到市电电源出现故障，会给柴油发电机组发出启动命令，然而在市电电源断掉，柴油发电组启动成功的20 s 内，UPS 主机接收不到市电或者发电机组的电源输入，这时候，飞轮电池柜的飞轮的高速旋转的动能转换为电能通过飞轮电池柜输入输出回路返回给UPS主机，UPS主机通过UPS 输出回路经过Q3断路器给负载进行供电。柴油发电机组启动成功，电源正常，ATS 系统投入到发电机组电源侧，发电机组电源经过UPS主输入到UPS主机，UPS主机发出命令停止飞轮电池柜的飞轮的高速旋转的动能转换为电能，UPS 主机通过飞轮电池柜输入输出回路给飞轮电池柜输入电能，飞轮电池柜将该电能转换为高速旋转的动能储存起来。UPS主机通过UPS输出回路经过Q3断路器给负载进行供电。

当市电电源故障恢复，市电正常时，ATS 系统检测到市电电源恢复正常，ATS系统会给柴油发电机组发出停止命令，然而在油机电源断掉，ATS系统从油机侧切换到市电侧的5 s内，UPS主机接收不到市电或者发电机组的电源输入，这时候，飞轮电池柜的飞轮的高速旋转的动能转换为电能通过飞轮电池柜输入输出回路，返回给UPS 主机，UPS 主机通过UPS输出回路经过Q3断路器给负载进行供电。电源正常，ATS系统投入到发市电电源侧，市电电源经过UPS 主输入到UPS主机，UPS主机发出命令停止飞轮电池柜的飞轮的高速旋转的动能转换为电能，UPS 主机通过飞轮电池柜输入输出回路给飞轮电池柜输入电能，飞轮电池柜将该电能转换为高速旋转的动能储存起来。UPS主机通过UPS输出回路经过Q3断路器给负载进行供电。

另外，如果该UPS 系统需要维护，可以直接闭合Q4开关，利用UPS系统维修旁路给负载回路供电，保证负载电源的正常。从上面的工作过程可以看出，不管是市电故障ATS 系统切换到柴油发电机组或者是市电恢复正常，ATS 系统切换到市电侧，该系统均保证了供电系统的不间断，保证负载的稳定。免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS的作用包括以下几点：

（1）在市电输入正常、偏低或偏高（一定范围内）的不同情况下，UPS内部的有源动态滤波器会对市电进行稳压和滤波，提供高品质的电力保障给负载设备，同时向飞轮储能装置充电，UPS利用内部的飞轮储能装置进行能量储存；

（2）在市电输入中断或者在市电输入质量无法满足UPS正常运行要求的情况下，为了继续向负载设备提供高品质并且不间断的电力保障，UPS 会将储存在飞轮储能装置里的机械能转化为电能；

（3）在UPS 内部出现问题，工作受到影响的情况下，UPS内部的静态开关会切换到旁路模式，负载设备将接收来自市电提供的不间断的电力保障；

（4）在市电输入恢复供电正常，或者在市电输入质量恢复到满足UPS运行要求正常的情况下，则快速切换到市电通过UPS供电的模式，继续提供高品质并且不间断的电力保障到负载设备，并且继续对飞轮储能装置进行充电储能［4]。

市电、油机与储能飞轮UPS 集成的箱式电站走线方式为：市电输出电缆从集装箱外部到ATS 切换柜顶部接入ATS市电端，发电机组输出电缆通过电缆桥架连到ATS柜体顶部接入ATS油机端；市电与油机经过ATS切换输出动力，除了一部分用于防雾，冷凝等备用电源外，主要动力用于飞轮UPS产生动能。

飞轮UPS储存能量，将产生动能转换为电能，对主要负荷提供不间断电源，另一路作为维修旁路负荷备用电源，还有一些电源作为备用。飞轮UPS 所处配电间考虑散热通风，安装排风扇对室内进行散热。同时配电间配备烟感，温湿度传感器。在配电室操作门外设置摄像头以及门禁，对电站进行安全监控。

3 飞轮储能UPS箱式电站应用前景

利用柴油发电机组或市电向飞轮UPS提供电能，使其实现“电能-动能”之间高效互相转换，利用飞轮快速充放电和瞬时大功率的特点，为客户提供节能、储能和电能质量改善方案。是一种高效的物理储能技术，其寿命长，可靠性高，环境适应性好的优点，适合大规模制造。

从核心元件来比较，传统UPS中蓄电池是90%故障隐患来源，第3方数据显示飞轮UPS 比传统UPS 可靠性高7 倍，飞轮UPS系统能提供全面的、精确的监测系统；而传统UPS系统中的蓄电池无法做到精确监控系统，传统UPS第一年的故障率为3%，第二年为5%，第三年激增至31%，因此每月，乃至每半个月都要进行带电量检测。对于大型数据中心为数众多的蓄电池组监测，维护管理IBM 小型机工作相当繁琐；蓄电池组从生产、使用直至回收降解的整个生命周期都会对环境造成化学污染。

因此飞轮UPS应用前景更加光明，经济性更佳，采用真空高速磁悬浮飞轮物理储能，电源利用率大大提高，半载情况下电源利用率也在96%以上，在满载情况下电源损耗不足2%。有75%的能源损耗得到降低，由此带来了很大的电力节省［5]。同时由于飞轮UPS 无需空调降温，可100%节省为蓄电池提供的单独制冷设备及制冷能耗［6]；还有飞轮UPS占地面积约为传统UPS的一半，占地费用可节约超过50%，当系统容量需求越大时，费用节约比例就越大；而且飞轮UPS无需维护，只需从终端设备上监测飞轮转速等情况即可，在管理复杂度降低的同时，大大地节约了人工产生的成本。利用飞轮UPS能轻松完成数据中间绿色电源系统的建立［7]。

飞轮UPS 储能电站应用广泛，其应用领域包括数据中心，高层办公楼和智能楼宇的电源保护，微型电网调频调峰，高科技工厂不间断电源，地铁和高铁的刹车制动能回收应用，风能和太阳能储能、削峰填谷、平滑波动、电网的调频调峰［8]，医疗行业CT、MRI，高端医疗仪器电源保护，石油钻井平台的能量回收、天然气发电削峰填谷，以及国防军工等领域。