新一代飞轮技术 引爆不间断电源系统革命

　　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。因此，要求必须提供365*24小时连续不断的、高效、安全、可靠的电力供应保障，对于机房设备提供UPS(不间断电源)保障的要求越来越苛刻。

　　由于大规模集成电路的应用和高精密设备、仪器的使用，用户对电源质量和品质提出了更高的要求，以确保信息设备的安全运行。大量的现场运行数据和理论分析也表明，UPS电源除了可以解决上述的交流供电中断的影响外，还可以消除正常交流电网供电中的各种高频杂波、电压浪涌、陷落、瞬间断电等电力干扰对信息设备的危害，保证信息网络时刻安全运行。

　　另外由于高能耗设备的应用，设备的能耗越来越大，由此需要巨大的蓄电池组来提供所需的备用电能，这就导致传统UPS电源系统占用庞大的面积，进而大幅度增加场地的成本。而Active

　　Power公司由于采用了磁悬浮飞轮储能技术，无需传统蓄电池，绿色环保，使UPS电源的体积大大减小，可靠性大大提高。这样既能满足客户对UPS整体电源解决方案的要求，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。下面就处于国际领导地位的美国Active

　　Power公司的CleanSource UPS介绍一下。

　　一、系统介绍

　　磁悬浮飞轮储能UPS的创新之处在于利用飞轮系统物理储能代替了传统蓄电池不可靠的化学储能方式，来提供市电供电瞬断或停电时启动发电机所需的过渡能源。飞轮在放电的时候，是机械能和电能的相互转化，所以飞轮的寿命和放电的深度没有关系，这样飞轮可以应用的放电深度范围就会非常宽，特别适用于放电深度不规则的场合。在飞轮储能装置中，决定输入输出能量的是外接的电力电子装置，而与外部的负载没有关系，这样就可以很方便地通过控制飞轮的旋转速度来控制飞轮的充电，这种特点在化学电池中实现起来要困难得多。再加上飞轮储能系统的充电速度可以非常快，所有这些特点使得飞轮储能技术的应用范围越来越广泛。

　　二、飞轮技术描述

　　飞轮储能UPS系统的核心器件是飞轮储能装置，它是由极速非永久磁体（高速飞轮）、悬浮飞轮磁电供应转子、磁场线圈、环形轴承座、嵌入式悬浮磁能轴心、气隙电枢、真空无摩擦运行电轨、能量控制系统以及附加设备（真空罩、辅助机械轴承等）组成。它是以高速旋转的飞轮铁芯作为机械能量储存的介质，利用电动/发电机和能量转换控制系统来控制能量的输入和输出。

　　三、飞轮储能UPS系统的组成及作用

　　1、 磁悬浮飞轮（Flywheel）

　　机械部分是坚固的钢制飞轮（转子），充电完成后，飞轮通过磁力轴承将其悬浮在真空中以7700转/分的速度旋转，来储存机械能量。当飞轮放电时，则采用磁路耦合原理和无刷磁励技术进行发电。

　　2、 UPS

　　采用并行在线式设计，效率高达98%

　　a、 过滤市电输入干扰，得到纯净的电源，保证用电设备的正常工作。

　　b、 飞轮充电时：UPS将市电（三相交流电）整流成直流供给磁励线圈，同时又将直流电逆变成三相交流电供给定子工作线圈使转子高速运转储能。

　　c、

　　飞轮放电时：将飞轮的动能转变成三相交流电，整流成直流电后，又逆变成符合负载要求的交流电供应负载。同时直流又供应励磁线圈。

　　3、 切换柜（ATS）

　　自动控制市电和柴油发电机组的输入输出，操作控制工作程序，与监控软件配合改变不同的输入输出控制模式。

　　4、 柴油发电机组

　　提供长时间应急（备用）电源，自动启动，自动供电输出。

　　5、 启动单元GenSTART

　　在市电或在飞轮工作状态下，GenSTART从飞轮获得能量，向柴油机提供启动电源（24V/1000A），可单独也可和电池并用供启动发电机所需的大电流，大大提高发电机的启动成功率。

　　6、 监控软件

　　CS UPS的监控十分简便，可通过数字式人机交互界面实时掌握CS UPS的运行状态，并进行调整。CS

　　UPS控制面板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。具体可通过LCD显示如下信息：输入输出电压，功率因素，输出电流，飞轮速率，放电数量等。CS

　　UPS的运行监控采用专用的监控软件CS

　　VIEW对市电、柴油发电机组，飞轮UPS，切换柜供电状况实时进行实时监控，并将工作状况的重要信息以短信方式发给相关人员，拨号上网远程监视整个系统的运行状况。

　　四、系统运行

　　1、输入市电（飞轮储能）

　　接通市电，利用真空泵将飞轮抽成真空状态。将开关达打到旁路位置，给飞轮加电加温，（当飞轮温度达到正常值时），即给飞轮加电启动工作，此时市电（三相交流电）经整流供给磁励线圈，同时整流后的直流又经过逆变器供给飞轮工作线圈产生旋转磁场使飞轮转子工作，直到飞轮转速达到7700转/分（储能结束）。再将开关从旁路打到在线位置。（在线工作）。

　　2市电切换（瞬间断电）

　　当市电在切换供电过程中（重合闸期间），即市电输入会出现断点时，由于飞轮是在线运行，此时高速旋转的飞轮立刻从电动机模式转入发电机模式工作，因此输出并没有出现断点，完全满足了不间断供电。

　　3市电故障时（首先由飞轮供电，然后转入柴油发电机供电）

　　通 过 标 准

　　负载时间

　　100%15秒

　　75%20秒

　　50%30秒

　　25%60秒

　　当市电出现故障时，负载先由飞轮供电，直

　　到飞轮容量下降到85％时，监控软件发出指令自

　　动启动柴油发电机组，3－5秒钟立即转入柴油发

　　电机组供电，在柴油发电机组通过UPS供电的同

　　时，飞轮又储存了能量，飞轮带负载的时间要根

　　据负载的大小来决定。

　　4市电恢复正常

　　当备用柴油发电机组正常工作时又遇来市电时，首先有监控软件要确定市电是否正常。当确认市电恢复正常120秒钟后，自动切换到市电供电。柴油发电机组经过300秒冷却后自动停机待命。

　　5市电受到干扰时对负载的保护

　　当市电发生异常波动时，磁悬浮飞轮UPS将市电输入自动断开，立即转入飞轮供电，以避免电网电压过高过低而影响用电设备。因此，飞轮UPS能达到对负载很好的保护作用。

　　五、磁悬浮飞轮UPS运行模式

　　UPS的功能是自动地向关键负载供应交流电。有几种操作模式来完成这个功能。大多数运行模式中有几种状态发生。这些模式和状态被显示在LCD上。

　　LCD安装在前面面板上。运行模式被列于下表.

　　•在线模式

　　•旁路模式

　　UPS不间断的进行自我检测和进入到市电电网，由于操作者的参与，在需要的情况下，不同的模式间进行自动的切换。UPS内部的搜索和切换线路，确保运行模式的自动改变和向关键负载传输电能。

　　Online－在线模式是系统的标准运作模式。当系统用于这个模式时，负载得到保护，为了供应负载系统具有放电能力。

　　Online充电－当飞轮转速达到4000RPM时，系统处于这个状态。系统得到充电。系统也能支持放电。

　　Online Standby－当飞轮速度达到7700RPM时，且系统并没有向负载供电，这时飞轮处于空载待机状态。

　　Online

　　Discharging（在线放电）－当电网一旦断电，或出现影响供电的其他故障时，则又系统中的飞轮向负载供电，这种状态就称系统处于在线放电状态。

　　图6 旁路模式

　　Bypass－旁路模式将进入的市电直接连接系统负载。当系统处于旁路模式时，负载不被保护的。要受到市电中断的影响。有下列事件之一者则进入旁路模式

　　•启动

　　•按钮开关（手动）

　　•纠正故障而失败

　　一、 系统优势

　　1．无电池解决方案

　　目前，电池式的UPS系统最大的薄弱环节，就是电池组。统计显示，大功率的UPS中电池的价格占很大的比重，一般约占UPS总价格的30%-50%。在返修的UPS中，由于蓄电池的故障而引起UPS不能正常工作的比例大约为1/3。CS

　　UPS系统不使用电池，而是用高速飞轮的动能转化电能来启动连接的柴油机。

　　2．飞轮UPS+柴油发电机

　　与电池式UPS相比，飞轮UPS+柴油发电机的配置方式更灵活，可以兼容不同厂家的柴油机，节省用户的前期投资。满足短时断电和长时间断电的要求。CS

　　UPS系统的设计理念更为简单有效。

　　3．在线交互式系统，完全机械式

　　CS UPS系统是在线交互式系统，它与市电并联运转。在线CS

　　UPS系统的优点就在于它将UPS系统与市电并联起来。传统的电池式UPS系统要不断地通过整流器和逆变器转换电能，如此易造成共用点的故障，降低系统的效率。

　　二、 结论

　　与传统的UPS系统相比，磁悬浮飞轮储能UPS系统有许多优势。这些优势包括节省空间、安装成本低廉、节省运转耗电量、不使用空调系统、不使用危害环境的电池、减少施加在机房上的结构重量、可靠性高、无需支付更换、维护电池的巨大费用等。

　　CS

　　UPS自身结构的原因决定了它只适用于大功率市场。以往选择备用发电机组和电池式UPS的客户，如果使用的功率足够大（120KVA以上）的话，可以考虑使用CS