磁悬浮飞轮储能技术UPS及连续供电技术

1 前言

现代信息社会，对于信息时效性要求极高，一旦信息中断，会带来不可估量的直接经济 损失和社会负面影响。近年来，电信运营商、大型数据中心、政府重要部门及大型生产企业 等单位， 对正常的电力保障供应要求越来越高， 因而对于为机房设备及生产设备提供的 UPS 电源系统(即不间断电源系统)保障的要求越来越苛刻。因此，要求必须提供 365*24 小 时连续不断的、可靠、安全、高效的电力供应保障。

传统 UPS 电源系统利用了化学蓄电池储能技术，即利用化学蓄电池作为电能的储存装 置，而化学蓄电池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及其它工作环境指标要求高 等问题。由于人们现在对节能减排的要求，对环境保护的要求，及对化学蓄电池性能特点的 要求不断提高，在许多领域中，人们已经不能接受化学蓄电池的弊端，而逐渐将目光放在更 加先进的储能技术方式上，以替代传统的化学蓄电池储能技术。

如何在取消传统化学蓄电池的使用而使 UPS 电源系统更加安全可靠?如何取消传统化 学蓄电池的使用而使 UPS 电源系统更加环保、节能、低耗?如何取消传统化学蓄电池的使 用而使 UPS 电源系统的投入费用和运行维护费用更加节省同时还能够节省大量的占地空 间?这些是摆在 UPS 电源系统使用者和 UPS 电源系统制造商面前的新课题。

在这种新形势下，美国 Active Power 公司采用了无需传统化学蓄电池、绿色环保的磁 悬浮飞轮储能技术，使 UPS 电源系统的体积大大减小，可靠性、安全性大大提高。这样既 能够满足客户对 UPS 电源系统整体解决方案的要求，也能满足客户对移动性的要求，填补 了市场的空白，成为了市场的新宠。下面我们就处于国际领导地位的美国 Active Power 公司的免蓄电池磁悬浮飞轮储能 UPS 电源系统为大家做一个详细的介绍：

2 免蓄电池磁悬浮飞轮储能 UPS 电源系统工作原理

磁悬浮飞轮储能技术是一种技术上更为先进， 成熟， 应用前景广阔并有很大市场发展潜 力，绿色环保的电能存储技术。磁悬浮飞轮储能技术已经越来越受到人们的重视，越来越广 泛地应用于国内外的许多行业中。

虽然目前化学蓄电池储能技术已经发展得非常成熟，同时也为 UPS 电源行业做出了巨 大的贡献，但是，随着技术上的不断革新，随着 UPS 电源使用者对 UPS 电源可靠性和可用 性等要求的不断提高，化学蓄电池作为 UPS 电源的储能装置在使用过程中逐渐暴露出了很多问题。据业界统计，UPS 电源的故障 70%是由化学蓄电池所引起的。我们大家知道，发电机启动是靠几节化学蓄电池提供启动电流的，而发电机启动失败，90%也是由于化学蓄电池所引起。化学蓄电池存在着诸如占地面积大、故障率高、维护周期密集等等的问题，它已经成为传统化学蓄电池式 UPS 电源供电系统中最不可靠的 3 个部分之一。

以上提到的种种问题已经越来越受到 UPS 电源使用者和 UPS 电源制造商的广泛关注和 重视。因此，针对以上提到的问题，美国 Active Power 公司利用了磁悬浮飞轮储能技术替代了传统的化学蓄电池储能技术为客户的关键应用系统提供最可靠、最环保的优质电力。

(1)磁悬浮飞轮储能技术工作原理

磁悬浮飞轮储能技术是以高速旋转的飞轮铁芯作为机械能量储存的介质，飞轮等器件被 密闭在一个真空容器内，大大减少了风阻，同时为了减少运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率， 在飞轮储能装置内部使用磁悬浮技术对飞轮加以控制， 并利用电动机 /发电机和能量转换控制系统来控制电能的输入和输出。图 1 为磁悬浮飞轮储能装置的结构示意图。

图 1：磁悬浮飞轮储能装置的结构示意图

在市电正常的情况下，磁悬浮飞轮储能装置相当于一台电动机，其将外界输入的电能，通过电力电子装置驱动飞轮转动，由此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，使飞轮的转速达到 7700 转/每分钟。

在市电异常或停电的情况下，磁悬浮飞轮储能装置相当于一台发电机，当外界需要电能时，飞轮转动的动能转化为电能，再通过电力电子装置变成不同负载所需要的不同频率、不 同电压等级的电能，输出到外部负载，以满足不同负载的需求。

一旦市电恢复正常，则立即对磁悬浮飞轮储能装置进行“充电”，使飞轮的转速达到 7700 转/每分钟。

(2)免蓄电池磁磁悬浮飞轮储能 UPS 电源系统工作原理

免蓄电池磁悬浮飞轮储能 UPS 电源系统是一种采用磁悬浮飞轮储能技术，在线互动式 的 UPS 电源系统。图 2 为免蓄电池磁悬浮飞轮储能 UPS 电源系统工作原理框图。

在市电正常的情况下，直接由市电向负载供电，同时利用飞轮装置储存能量;在市电偏 低或偏高的情况下，通过 UPS 内部稳压线路稳压后向负载供电。

在市电异常或停电的情况下，UPS 将储存在飞轮里的机械能转化为电能，向外界负载供电，同时在规定时间内，转为后备发电机向外界负载供电。一旦市电恢复正常，则立即切 换到市电向外界负载供电。

免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS 电源系统提供电压控制、停电保护以及瞬间断电保护等 等功能，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。

图3 为免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS 电源系统工作连接框图。

图 3：免蓄电池磁悬浮飞轮储能 UPS 电源系统工作连接框图

(3)GenSTART 产品介绍

在图3 的免蓄电池磁悬浮飞轮储能 UPS 电源系统工作连接框图中可以看到，在UPS 电源系统和柴油发电机之间有一个GenSTART 产品(可选配置)，叫做增强型发电机启动模块，它相当于一个整流设备，从UPS 电源系统获得一个交流的能量，为柴油发电机提供高达1725 安培( 24 VDC )的备份用的启动电流，这样与原有负责柴油发电机启动的蓄电池组提供的启动电流形成启动电流 1+1 的冗余备份关系，因此提高了油机自动启动的可靠性，从而大大提高了油机供电系统以及整个供电系统的可靠性和安全性。通过在 UPS 电源系统和柴油发电机之间加装 GenSTART 产品，可以提高柴油发电机启动成功率达到50 倍。

3 免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS 电源系统特点和优势

(1)高可靠性、高安全性

高可靠性、对于UPS 的使用者来讲，最重要的莫过于UPS 的可靠性和安全性。 免蓄电池磁悬浮飞 轮储能 UPS 电源系统的高可靠性和高安全性主要体现在以下几个方面：

① 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，飞轮储能 UPS 电源系统的设计理念更为简单、实用、有效。传统蓄电池式 UPS 电源系统要不断的通过整流器和逆变器转换电能，因此易造共用点的故障，降低了系统的可靠性。而飞轮储能 UPS 电源系统是一种在线互动式的 UPS 电源系统，它不仅大大提高了UPS 电源系统整机效率，而且通过相应技术先进的自动稳压和滤波电路能够保证为负 载提供稳定而纯净的交流电，从而大大提高了整个供电系统的可靠性和安全性;

② 飞轮储能 UPS 电源系统采用无蓄电池储能技术。目前，传统蓄电池式 UPS 电源系统最大的薄弱环节就是蓄电池组，据统计，在传统蓄电池式 UPS 电源系统返修的过程当中，UPS 故障 70%由蓄电池引起。而飞轮储能 UPS 电源系统采用创新的免蓄电池磁悬浮飞轮 绿色储能技术， 免去了传统蓄电池式 UPS 电源系统因蓄电池而带来的不可靠性和不稳定性， 因此大大提高了供电系统的可靠性和安全性;

③ 飞轮储能 UPS 电源系统工作寿命长达 20 年，在工作寿命期间系统工作是稳定、可靠而安全的;

④ 飞轮储能 UPS 电源系统采用集整流和逆变于一体的 IGBT 装置，其平均故障间隔时间(MTBF)达65 年，正是通过选择这种高可靠性的器件，从而大大提高了飞轮储能UPS 电源系统的可靠性;

⑤ 飞轮储能 UPS 电源系统有着强大的瞬间断电保护能力。当市电输入出现断点时，由于飞轮储能UPS 电源系统内的飞轮是在线运行状态，此时高速旋转的飞轮立刻转入发电 机工作输出状态，向负载进行供电，因此输出并没有出现断点，完全满足了不间断供电。当市电输入频繁出现市电断点时，反复的对飞轮储能装置进行充放电， 对飞轮储能装置不会产生任何的影响。而对于传统蓄电池式 UPS 电源系统来讲，当市电输入频繁出现断点时，蓄 电池会频繁的处于充放电状态，这样大大降低了蓄电池的性能和使用寿命。所以飞轮储能 UPS 电源系统对瞬间断电起到了良好的保护作用，大大提高了整个供电系统的可靠性和安 全性;

⑥ 飞轮储能 UPS 电源系统自动稳压功能强大。轮储能 UPS 电源系统内部的自动稳压调整电路，可以在市电输入+/-15%的变化范围内，UPS 电源系统输出稳定到+/-1%。这样，我们能够保证在交流输入不稳定的情况下，保证向负载提供稳定而可靠的电力;

⑦飞轮储能 UPS 电源系统滤波功能强大。系统内部采用有源动态滤波器，既能够有效的防止电网干扰，避免市电谐波对负载和 UPS 电源系统产生影响，也能够有效消除负载 和 UPS 电源系统自身产生的谐波，使其不污染电网。

(2)高可用性

① 高效率、低能耗。飞轮储能 UPS 电源系统采用在线互动式 UPS 的设计方式，使系统效率达到 98%，尤其在轻载(20%～30%)环境下，也能够达到 96%以上的系统效率，由于其系统效率很高， 所以较之传统蓄电池式 UPS 电源系统大大节省了UPS 运转耗电量;

② 功率因数高。0.99 的高输入功率因数，对电网有功功率的吸收能力强，对电网影响的程度轻，有效利用电网效能，减少无功损耗，节约电能，降低电网的谐波污染及空间 辐射干扰，输出功率因数达到 0.9，有着很强的带载能力;

③ 系统采用高集成度模块化设计、可扩容，支持N+X 冗余备份连接，单机支持

120-1500kVA 的配置，提供 N+X 冗余备份连接技术，通过并联方式单系统容量最大可至 3MVA;

④ 完善的自动本地与远程监控。支持干节点、MODEM、RS-232/485 接口、以太网&SNMP 等监控方式;系统可选的监控软件为操作员提供了与飞轮储能 UPS 电源系统进 行人机对话的界面，允许操作者启动和停止 UPS，改变运行参数和操作模式，显示系统错 误和遥测数据。可实时监控如下信息：输入输出电压，功率因素，输出电流，飞轮温度、线 圈温度、轴承温度、轴承压力、飞轮速率，放电数量、真空度等。对市电、柴油发电机组， UPS，切换柜供电状况实时进行监控;并可将故障以短信方式、拨电话号码、上网发邮件等 方式自动汇报给用户的运行维护人员，实现完善的故障回报功能;

⑤ 适应极其恶劣的工作环境。设备正常运行温度范围：–20°C ～50°C 之间;

⑥ 系统噪音低：在一米内小于 70dbA;

⑦ 过载能力强：1000%额定负载 / 10 毫秒、500%额定负载 / 1 秒、200%额定负载 / 30 秒、125%额定负载 / 10 分钟;

⑧ 安装简单、维护方便;

⑨ 节省空间，占地面积小。最高节省 75%的占地面积(同等功率)，只相当于传统蓄电池式 UPS 电源系统 1/4 的占地面积。

综上所述，以上的这些性能指标，保障了 UPS 电源系统的高可用性。

(3)高经济性

① 面积的节省给用户带来的获利：飞轮储能 UPS 电源系统占地面积小，较之传统蓄电池式 UPS 电源系统最高节省 75%的占地面积(同等功率)，按 IDC 机房年租金 12 万元人民币/㎡的价格估算 (北京地区) 如果飞轮储能 UPS 电源系统和传统蓄电池式 UPS 电源系统额定容量同为 500KVA，那么从用户在 IDC 机房年租金的获利这方面来讲，每年大约能够为用户获利 134 万元人民币左右;

② 节省电费：飞轮储能UPS 电源系统效率达到 98%，大大节省了UPS 运转耗电量，按 1 元人民币/kWh 的价格估算，如果飞轮储能 UPS 电源系统和传统蓄电池式 UPS 电源系统额定容量同为 500KVA， 那么每年大约能够为用户节省用电量 50 万度左右， 即每 年大约能够为用户节省电费 50 万元人民币左右，即每年大约节省 200 吨左右标准煤的消 耗，即每年大约能够减少二氧化碳排放量 500 吨左右;

③ 购买空调投入成本和空调运转成本的节省：由于飞轮储能 UPS 无需加装空调系统进行散热， 因此节省了用户对于空调系统的投入资金; 如果分析空调系统运转所需要的电 能，通过长时间的系统运转就能切实的体会到飞轮储能 UPS 的节能效应;

④ 运维费用的节省：由于传统蓄电池式 UPS 电源系统中的蓄电池部分维护周期密集，故障率高，如果计算购买检测蓄电池的仪器仪表的成本费用;检测人员的人工成本费用 (日常);更换部分蓄电池的成本费用(不定期);更换整组蓄电池的成本费用(每隔 3～ 5 年或不定期)，那么传统蓄电池式 UPS 电源系统的维护成本很高，而飞轮储能 UPS 电源 系统在 20 年的使用寿命期间，维护量很小，从而产生的运行维护费用较之传统蓄电池式 UPS 电源系统会大大减少。

(4)可维护性

飞轮储能UPS 电源系统维护方便，后期给运维部门和运维人员的压力和工作量很小，只需要以下的维护：

① 每隔 3～6 个月，清洗空气滤网一次;

② 每隔 3～5 年，更换飞轮轴承一次，现场更换只需 30 分钟;

③每隔 1 年，更换真空泵机油一次，现场更换只需 5 分钟。

(5)高环保性

飞轮储能 UPS 电源系统绿色环保， 采用无蓄电池储能技术： 传统蓄电池式 UPS 电源系 统中的蓄电池部分对环境的污染严重和腐蚀问题难以避免， 二氧化碳排放量十分巨大; 而飞 轮储能 UPS 电源系统绿色环保，对环境没有污染，效率高，能耗低，大大减少了发电厂二 氧化碳的排放量。随着当今社会人们环保意识的不断增强，在许多领域中，人们已经不能接 受化学蓄电池的弊端，而逐渐将目光放在了更加先进的无蓄电池绿色飞轮储能方式上了。

综上所述， 与传统蓄电池式 UPS 电源系统相比，飞轮储能 UPS 电源系统有着很多优势。这些优势包括：节省空间、安装成本低廉、节约运转耗电量、不使用空调系统、不使用危害 环境的蓄电池、 减少施加在机房上的结构重量、不存在与发电机的兼容性问题、可靠性更高， 无需支付更换蓄电池的巨大费用等等。

4 免蓄电池磁悬浮飞轮储能 UPS 电源系统的主要电气性能指标

(1)输入

①输入电压：380/400/415 VAC，3 相+中线;

② 输入电压可变范围：±15%;

③ 输入功率因数 ≥0.99; 输入电流谐波失真 ：100%线性负载时<3%;

④100%非线性负载时<8%;

⑤输入频率：50Hz±10%。

(2)输出

① 输出电压： 380/400/415 VAC，3 相+中线;

② 输出电压稳定精度 ：±1%;

③ 输出频率： 50Hz±0.2%;

④输出电压波形失真 ：100%线性负载时<3%;100%非线性负载时<5%;

⑤系统效率： 98%;

⑥ 输出功率因数 ：0.9;

⑦过载能力： 1000%负载 / 10 毫秒;500%负载 -/1 秒;200% -/30 秒;125%负载 -/10 分钟。 】

(3)环境指标

① 噪音： 在一米之内<70dB(A);

② 正常运行温度范围 ：-20℃～50℃;

③ 相对湿度： 0%至 95%，不结露;

④工作海拔：1000 米(不降低额定值情况下)。

5 系统应用介绍

2007 年 9 月 30 日由北京泰莱克信息系统技术开发有限公司总代理的美国 Active Power 公司的免蓄电池磁悬浮飞轮储能 UPS 电源系统已成功在中国网通(集团)山西省通 信公司太原第二枢纽楼开通运行，运行稳定，效果良好。该电源系统图片见附录。

6 结语

随着我国对节能减排工作的重视程度不断提高， 随着当今社会人们节约资源意识和环保 意识的不断增强， 在许多领域中人们已经不能够接受化学蓄电池的弊端， 而逐渐将目光放在 技术更为先进的储能方式上。

我们相信， 随着 UPS 技术的不断革新， 随着 UPS 行业的发展， 随着 UPS 使用者对 UPS 可靠性和可用性等要求的不断提高，这种技术更先进、高可靠、高品质、节能减排、高效低 耗、绿色环保的最新一代免蓄电池磁悬浮飞轮储能 UPS 产品必将在中国通信运营商、大型 数据(物流)中心、石油石化、银行、政府、医疗、电子、大型工矿企业、民航、军队等行 业得到广泛和大量的应用。

附录： 山西网通太原第二枢纽楼动力机房运行的免蓄电池磁悬浮飞轮储能 UPS 电源系统。