1 前言
現(xiàn)代信息社會，對于信息時效性要求極高，一旦信息中斷，會帶來不可估量的直接經(jīng)濟 損失和社會負(fù)面影響。近年來，電信運營商、大型數(shù)據(jù)中心、政府重要部門及大型生產(chǎn)企業(yè) 等單位， 對正常的電力保障供應(yīng)要求越來越高， 因而對于為機房設(shè)備及生產(chǎn)設(shè)備提供的 UPS 電源系統(tǒng)(即不間斷電源系統(tǒng))保障的要求越來越苛刻。因此，要求必須提供 365*24 小 時連續(xù)不斷的、可靠、安全、高效的電力供應(yīng)保障。
傳統(tǒng) UPS 電源系統(tǒng)利用了化學(xué)蓄電池儲能技術(shù)，即利用化學(xué)蓄電池作為電能的儲存裝 置，而化學(xué)蓄電池存在著諸如占地面積大、故障率高、維護周期密集、維護成本高、使用壽 命短、 受充放電次數(shù)的限制， 對環(huán)境的污染嚴(yán)重以及對工作溫度及其它工作環(huán)境指標(biāo)要求高 等問題。由于人們現(xiàn)在對節(jié)能減排的要求，對環(huán)境保護的要求，及對化學(xué)蓄電池性能特點的 要求不斷提高，在許多領(lǐng)域中，人們已經(jīng)不能接受化學(xué)蓄電池的弊端，而逐漸將目光放在更 加先進的儲能技術(shù)方式上，以替代傳統(tǒng)的化學(xué)蓄電池儲能技術(shù)。
如何在取消傳統(tǒng)化學(xué)蓄電池的使用而使 UPS 電源系統(tǒng)更加安全可靠?如何取消傳統(tǒng)化 學(xué)蓄電池的使用而使 UPS 電源系統(tǒng)更加環(huán)保、節(jié)能、低耗?如何取消傳統(tǒng)化學(xué)蓄電池的使 用而使 UPS 電源系統(tǒng)的投入費用和運行維護費用更加節(jié)省同時還能夠節(jié)省大量的占地空 間?這些是擺在 UPS 電源系統(tǒng)使用者和 UPS 電源系統(tǒng)制造商面前的新課題。
在這種新形勢下，美國 Active Power 公司采用了無需傳統(tǒng)化學(xué)蓄電池、綠色環(huán)保的磁 懸浮飛輪儲能技術(shù)，使 UPS 電源系統(tǒng)的體積大大減小，可靠性、安全性大大提高。這樣既 能夠滿足客戶對 UPS 電源系統(tǒng)整體解決方案的要求，也能滿足客戶對移動性的要求，填補 了市場的空白，成為了市場的新寵。下面我們就處于國際領(lǐng)導(dǎo)地位的美國 Active Power 公司的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)為大家做一個詳細(xì)的介紹：
2 免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)工作原理
磁懸浮飛輪儲能技術(shù)是一種技術(shù)上更為先進， 成熟， 應(yīng)用前景廣闊并有很大市場發(fā)展?jié)?力，綠色環(huán)保的電能存儲技術(shù)。磁懸浮飛輪儲能技術(shù)已經(jīng)越來越受到人們的重視，越來越廣 泛地應(yīng)用于國內(nèi)外的許多行業(yè)中。
雖然目前化學(xué)蓄電池儲能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，同時也為 UPS 電源行業(yè)做出了巨 大的貢獻，但是，隨著技術(shù)上的不斷革新，隨著 UPS 電源使用者對 UPS 電源可靠性和可用 性等要求的不斷提高，化學(xué)蓄電池作為 UPS 電源的儲能裝置在使用過程中逐漸暴露出了很多問題。據(jù)業(yè)界統(tǒng)計，UPS 電源的故障 70%是由化學(xué)蓄電池所引起的。我們大家知道，發(fā)電機啟動是靠幾節(jié)化學(xué)蓄電池提供啟動電流的，而發(fā)電機啟動失敗，90%也是由于化學(xué)蓄電池所引起?；瘜W(xué)蓄電池存在著諸如占地面積大、故障率高、維護周期密集等等的問題，它已經(jīng)成為傳統(tǒng)化學(xué)蓄電池式 UPS 電源供電系統(tǒng)中最不可靠的 3 個部分之一。
以上提到的種種問題已經(jīng)越來越受到 UPS 電源使用者和 UPS 電源制造商的廣泛關(guān)注和 重視。因此，針對以上提到的問題，美國 Active Power 公司利用了磁懸浮飛輪儲能技術(shù)替代了傳統(tǒng)的化學(xué)蓄電池儲能技術(shù)為客戶的關(guān)鍵應(yīng)用系統(tǒng)提供最可靠、最環(huán)保的優(yōu)質(zhì)電力。
(1)磁懸浮飛輪儲能技術(shù)工作原理
磁懸浮飛輪儲能技術(shù)是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪鐵芯作為機械能量儲存的介質(zhì)，飛輪等器件被 密閉在一個真空容器內(nèi)，大大減少了風(fēng)阻，同時為了減少運轉(zhuǎn)時的損耗，提高飛輪的轉(zhuǎn)速和飛輪儲能裝置的效率， 在飛輪儲能裝置內(nèi)部使用磁懸浮技術(shù)對飛輪加以控制， 并利用電動機 /發(fā)電機和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)來控制電能的輸入和輸出。圖 1 為磁懸浮飛輪儲能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖 1：磁懸浮飛輪儲能裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
在市電正常的情況下，磁懸浮飛輪儲能裝置相當(dāng)于一臺電動機，其將外界輸入的電能，通過電力電子裝置驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動，由此將電能轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動的動能(機械能)儲存起來，在正常待機時，使飛輪的轉(zhuǎn)速達到 7700 轉(zhuǎn)/每分鐘。
在市電異?；蛲ｋ姷那闆r下，磁懸浮飛輪儲能裝置相當(dāng)于一臺發(fā)電機，當(dāng)外界需要電能時，飛輪轉(zhuǎn)動的動能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子裝置變成不同負(fù)載所需要的不同頻率、不 同電壓等級的電能，輸出到外部負(fù)載，以滿足不同負(fù)載的需求。
一旦市電恢復(fù)正常，則立即對磁懸浮飛輪儲能裝置進行“充電”，使飛輪的轉(zhuǎn)速達到 7700 轉(zhuǎn)/每分鐘。
(2)免蓄電池磁磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)工作原理
免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)是一種采用磁懸浮飛輪儲能技術(shù)，在線互動式 的 UPS 電源系統(tǒng)。圖 2 為免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)工作原理框圖。
在市電正常的情況下，直接由市電向負(fù)載供電，同時利用飛輪裝置儲存能量;在市電偏 低或偏高的情況下，通過 UPS 內(nèi)部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后向負(fù)載供電。
在市電異常或停電的情況下，UPS 將儲存在飛輪里的機械能轉(zhuǎn)化為電能，向外界負(fù)載供電，同時在規(guī)定時間內(nèi)，轉(zhuǎn)為后備發(fā)電機向外界負(fù)載供電。一旦市電恢復(fù)正常，則立即切 換到市電向外界負(fù)載供電。
免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS 電源系統(tǒng)提供電壓控制、停電保護以及瞬間斷電保護等 等功能，提供良好的穩(wěn)定的電源，能在關(guān)鍵負(fù)載、電網(wǎng)電壓下降、波動或停電情況下進行相應(yīng)的保護。
圖 3：免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)工作連接框圖
(3)GenSTART 產(chǎn)品介紹
在圖3 的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)工作連接框圖中可以看到，在UPS 電源系統(tǒng)和柴油發(fā)電機之間有一個GenSTART 產(chǎn)品(可選配置)，叫做增強型發(fā)電機啟動模塊，它相當(dāng)于一個整流設(shè)備，從UPS 電源系統(tǒng)獲得一個交流的能量，為柴油發(fā)電機提供高達1725 安培( 24 VDC )的備份用的啟動電流，這樣與原有負(fù)責(zé)柴油發(fā)電機啟動的蓄電池組提供的啟動電流形成啟動電流 1+1 的冗余備份關(guān)系，因此提高了油機自動啟動的可靠性，從而大大提高了油機供電系統(tǒng)以及整個供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。通過在 UPS 電源系統(tǒng)和柴油發(fā)電機之間加裝 GenSTART 產(chǎn)品，可以提高柴油發(fā)電機啟動成功率達到50 倍。
3 免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS 電源系統(tǒng)特點和優(yōu)勢
(1)高可靠性、高安全性
高可靠性、對于UPS 的使用者來講，最重要的莫過于UPS 的可靠性和安全性。 免蓄電池磁懸浮飛 輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)的高可靠性和高安全性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
① 飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)是一種在線互動式的 UPS 電源系統(tǒng)，與傳統(tǒng)蓄電池式 UPS電源系統(tǒng)相比，飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)的設(shè)計理念更為簡單、實用、有效。傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)要不斷的通過整流器和逆變器轉(zhuǎn)換電能，因此易造共用點的故障，降低了系統(tǒng)的可靠性。而飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)是一種在線互動式的 UPS 電源系統(tǒng)，它不僅大大提高了UPS 電源系統(tǒng)整機效率，而且通過相應(yīng)技術(shù)先進的自動穩(wěn)壓和濾波電路能夠保證為負(fù) 載提供穩(wěn)定而純凈的交流電，從而大大提高了整個供電系統(tǒng)的可靠性和安全性;
?、?飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)采用無蓄電池儲能技術(shù)。目前，傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)最大的薄弱環(huán)節(jié)就是蓄電池組，據(jù)統(tǒng)計，在傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)返修的過程當(dāng)中，UPS 故障 70%由蓄電池引起。而飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)采用創(chuàng)新的免蓄電池磁懸浮飛輪 綠色儲能技術(shù)， 免去了傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)因蓄電池而帶來的不可靠性和不穩(wěn)定性， 因此大大提高了供電系統(tǒng)的可靠性和安全性;
?、?飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)工作壽命長達 20 年，在工作壽命期間系統(tǒng)工作是穩(wěn)定、可靠而安全的;
④ 飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)采用集整流和逆變于一體的 IGBT 裝置，其平均故障間隔時間(MTBF)達65 年，正是通過選擇這種高可靠性的器件，從而大大提高了飛輪儲能UPS 電源系統(tǒng)的可靠性;
?、?飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)有著強大的瞬間斷電保護能力。當(dāng)市電輸入出現(xiàn)斷點時，由于飛輪儲能UPS 電源系統(tǒng)內(nèi)的飛輪是在線運行狀態(tài)，此時高速旋轉(zhuǎn)的飛輪立刻轉(zhuǎn)入發(fā)電 機工作輸出狀態(tài)，向負(fù)載進行供電，因此輸出并沒有出現(xiàn)斷點，完全滿足了不間斷供電。當(dāng)市電輸入頻繁出現(xiàn)市電斷點時，反復(fù)的對飛輪儲能裝置進行充放電， 對飛輪儲能裝置不會產(chǎn)生任何的影響。而對于傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)來講，當(dāng)市電輸入頻繁出現(xiàn)斷點時，蓄 電池會頻繁的處于充放電狀態(tài)，這樣大大降低了蓄電池的性能和使用壽命。所以飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)對瞬間斷電起到了良好的保護作用，大大提高了整個供電系統(tǒng)的可靠性和安 全性;
?、?飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)自動穩(wěn)壓功能強大。輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)內(nèi)部的自動穩(wěn)壓調(diào)整電路，可以在市電輸入+/-15%的變化范圍內(nèi)，UPS 電源系統(tǒng)輸出穩(wěn)定到+/-1%。這樣，我們能夠保證在交流輸入不穩(wěn)定的情況下，保證向負(fù)載提供穩(wěn)定而可靠的電力;
⑦飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)濾波功能強大。系統(tǒng)內(nèi)部采用有源動態(tài)濾波器，既能夠有效的防止電網(wǎng)干擾，避免市電諧波對負(fù)載和 UPS 電源系統(tǒng)產(chǎn)生影響，也能夠有效消除負(fù)載 和 UPS 電源系統(tǒng)自身產(chǎn)生的諧波，使其不污染電網(wǎng)。
(2)高可用性
① 高效率、低能耗。飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)采用在線互動式 UPS 的設(shè)計方式，使系統(tǒng)效率達到 98%，尤其在輕載(20%～30%)環(huán)境下，也能夠達到 96%以上的系統(tǒng)效率，由于其系統(tǒng)效率很高， 所以較之傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)大大節(jié)省了UPS 運轉(zhuǎn)耗電量;
?、?功率因數(shù)高。0.99 的高輸入功率因數(shù)，對電網(wǎng)有功功率的吸收能力強，對電網(wǎng)影響的程度輕，有效利用電網(wǎng)效能，減少無功損耗，節(jié)約電能，降低電網(wǎng)的諧波污染及空間 輻射干擾，輸出功率因數(shù)達到 0.9，有著很強的帶載能力;
?、?系統(tǒng)采用高集成度模塊化設(shè)計、可擴容，支持N+X 冗余備份連接，單機支持
120-1500kVA 的配置，提供 N+X 冗余備份連接技術(shù)，通過并聯(lián)方式單系統(tǒng)容量最大可至 3MVA;
?、?完善的自動本地與遠(yuǎn)程監(jiān)控。支持干節(jié)點、MODEM、RS-232/485 接口、以太網(wǎng)&SNMP 等監(jiān)控方式;系統(tǒng)可選的監(jiān)控軟件為操作員提供了與飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)進 行人機對話的界面，允許操作者啟動和停止 UPS，改變運行參數(shù)和操作模式，顯示系統(tǒng)錯 誤和遙測數(shù)據(jù)。可實時監(jiān)控如下信息：輸入輸出電壓，功率因素，輸出電流，飛輪溫度、線 圈溫度、軸承溫度、軸承壓力、飛輪速率，放電數(shù)量、真空度等。對市電、柴油發(fā)電機組， UPS，切換柜供電狀況實時進行監(jiān)控;并可將故障以短信方式、撥電話號碼、上網(wǎng)發(fā)郵件等 方式自動匯報給用戶的運行維護人員，實現(xiàn)完善的故障回報功能;
?、?適應(yīng)極其惡劣的工作環(huán)境。設(shè)備正常運行溫度范圍：–20°C ～50°C 之間;
?、?系統(tǒng)噪音低：在一米內(nèi)小于 70dbA;
?、?過載能力強：1000%額定負(fù)載 / 10 毫秒、500%額定負(fù)載 / 1 秒、200%額定負(fù)載 / 30 秒、125%額定負(fù)載 / 10 分鐘;
?、?安裝簡單、維護方便;
⑨ 節(jié)省空間，占地面積小。最高節(jié)省 75%的占地面積(同等功率)，只相當(dāng)于傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng) 1/4 的占地面積。
綜上所述，以上的這些性能指標(biāo)，保障了 UPS 電源系統(tǒng)的高可用性。
(3)高經(jīng)濟性
① 面積的節(jié)省給用戶帶來的獲利：飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)占地面積小，較之傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)最高節(jié)省 75%的占地面積(同等功率)，按 IDC 機房年租金 12 萬元人民幣/㎡的價格估算 (北京地區(qū)) 如果飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)和傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)額定容量同為 500KVA，那么從用戶在 IDC 機房年租金的獲利這方面來講，每年大約能夠為用戶獲利 134 萬元人民幣左右;
② 節(jié)省電費：飛輪儲能UPS 電源系統(tǒng)效率達到 98%，大大節(jié)省了UPS 運轉(zhuǎn)耗電量，按 1 元人民幣/kWh 的價格估算，如果飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)和傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)額定容量同為 500KVA， 那么每年大約能夠為用戶節(jié)省用電量 50 萬度左右， 即每 年大約能夠為用戶節(jié)省電費 50 萬元人民幣左右，即每年大約節(jié)省 200 噸左右標(biāo)準(zhǔn)煤的消 耗，即每年大約能夠減少二氧化碳排放量 500 噸左右;
③ 購買空調(diào)投入成本和空調(diào)運轉(zhuǎn)成本的節(jié)?。河捎陲w輪儲能 UPS 無需加裝空調(diào)系統(tǒng)進行散熱， 因此節(jié)省了用戶對于空調(diào)系統(tǒng)的投入資金; 如果分析空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)所需要的電 能，通過長時間的系統(tǒng)運轉(zhuǎn)就能切實的體會到飛輪儲能 UPS 的節(jié)能效應(yīng);
?、?運維費用的節(jié)?。河捎趥鹘y(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)中的蓄電池部分維護周期密集，故障率高，如果計算購買檢測蓄電池的儀器儀表的成本費用;檢測人員的人工成本費用 (日常);更換部分蓄電池的成本費用(不定期);更換整組蓄電池的成本費用(每隔 3～ 5 年或不定期)，那么傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)的維護成本很高，而飛輪儲能 UPS 電源 系統(tǒng)在 20 年的使用壽命期間，維護量很小，從而產(chǎn)生的運行維護費用較之傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)會大大減少。
(4)可維護性
飛輪儲能UPS 電源系統(tǒng)維護方便，后期給運維部門和運維人員的壓力和工作量很小，只需要以下的維護：
?、?每隔 3～6 個月，清洗空氣濾網(wǎng)一次;
② 每隔 3～5 年，更換飛輪軸承一次，現(xiàn)場更換只需 30 分鐘;
?、勖扛?1 年，更換真空泵機油一次，現(xiàn)場更換只需 5 分鐘。
(5)高環(huán)保性
飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)綠色環(huán)保， 采用無蓄電池儲能技術(shù)： 傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系 統(tǒng)中的蓄電池部分對環(huán)境的污染嚴(yán)重和腐蝕問題難以避免， 二氧化碳排放量十分巨大; 而飛 輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)綠色環(huán)保，對環(huán)境沒有污染，效率高，能耗低，大大減少了發(fā)電廠二 氧化碳的排放量。隨著當(dāng)今社會人們環(huán)保意識的不斷增強，在許多領(lǐng)域中，人們已經(jīng)不能接 受化學(xué)蓄電池的弊端，而逐漸將目光放在了更加先進的無蓄電池綠色飛輪儲能方式上了。
綜上所述， 與傳統(tǒng)蓄電池式 UPS 電源系統(tǒng)相比，飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)有著很多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括：節(jié)省空間、安裝成本低廉、節(jié)約運轉(zhuǎn)耗電量、不使用空調(diào)系統(tǒng)、不使用危害 環(huán)境的蓄電池、 減少施加在機房上的結(jié)構(gòu)重量、不存在與發(fā)電機的兼容性問題、可靠性更高， 無需支付更換蓄電池的巨大費用等等。
4 免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)的主要電氣性能指標(biāo)
(1)輸入
?、佥斎腚妷海?80/400/415 VAC，3 相+中線;
?、?輸入電壓可變范圍：±15%;
?、?輸入功率因數(shù) ≥0.99; 輸入電流諧波失真 ：100%線性負(fù)載時<3%;
④100%非線性負(fù)載時<8%;
?、葺斎腩l率：50Hz±10%。
(2)輸出
?、?輸出電壓： 380/400/415 VAC，3 相+中線;
?、?輸出電壓穩(wěn)定精度 ：±1%;
③ 輸出頻率： 50Hz±0.2%;
?、茌敵鲭妷翰ㄐ问д?：100%線性負(fù)載時<3%;100%非線性負(fù)載時<5%;
⑤系統(tǒng)效率： 98%;
?、?輸出功率因數(shù) ：0.9;
⑦過載能力： 1000%負(fù)載 / 10 毫秒;500%負(fù)載 -/1 秒;200% -/30 秒;125%負(fù)載 -/10 分鐘。 】
(3)環(huán)境指標(biāo)
?、?噪音： 在一米之內(nèi)<70dB(A);
② 正常運行溫度范圍 ：-20℃～50℃;
?、?相對濕度： 0%至 95%，不結(jié)露;
?、芄ぷ骱０危?000 米(不降低額定值情況下)。
5 系統(tǒng)應(yīng)用介紹
2007 年 9 月 30 日由北京泰萊克信息系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司總代理的美國 Active Power 公司的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)已成功在中國網(wǎng)通(集團)山西省通 信公司太原第二樞紐樓開通運行，運行穩(wěn)定，效果良好。該電源系統(tǒng)圖片見附錄。
6 結(jié)語
隨著我國對節(jié)能減排工作的重視程度不斷提高， 隨著當(dāng)今社會人們節(jié)約資源意識和環(huán)保 意識的不斷增強， 在許多領(lǐng)域中人們已經(jīng)不能夠接受化學(xué)蓄電池的弊端， 而逐漸將目光放在 技術(shù)更為先進的儲能方式上。
我們相信， 隨著 UPS 技術(shù)的不斷革新， 隨著 UPS 行業(yè)的發(fā)展， 隨著 UPS 使用者對 UPS 可靠性和可用性等要求的不斷提高，這種技術(shù)更先進、高可靠、高品質(zhì)、節(jié)能減排、高效低 耗、綠色環(huán)保的最新一代免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 產(chǎn)品必將在中國通信運營商、大型 數(shù)據(jù)(物流)中心、石油石化、銀行、政府、醫(yī)療、電子、大型工礦企業(yè)、民航、軍隊等行 業(yè)得到廣泛和大量的應(yīng)用。
附錄： 山西網(wǎng)通太原第二樞紐樓動力機房運行的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統(tǒng)。
