飞轮UPS系统简述1、引言飞轮储能思想早在一百年前就有人提出，但是由于当时技术条件的制约，在很长时间内都没有突破。直到20世纪60~70年代，才由美国宇航局(NASA)Glenn研究中心开始把飞轮作为蓄能电池应用在卫星上。到了90年代后，由于在以下3个方面取得了突破，给飞轮储能技术带来了更大的发展空间。高强度碳素纤维复合材料(抗拉强度高达8．27GPa)的出现，大大增加了单位质量中的动能储量。磁悬浮技术和高温超导技术的研究进展迅速，利用磁悬浮和真空技术，使飞轮转子的摩擦损耗和风损耗都降到了最低限度。电力电子技术的新进展，如电动／发电机及电力转换技术的突破，为飞轮储存的动能与电能之间的交换提供了先进的手段。储能飞轮是种高科技机电一体化产品，它在航空航天(卫星储能电池，综合动力和姿态控制)、军事(大功率电磁炮)、电力(电力调峰)、通信(UPS)、汽车工业(电动汽车)等领域有广阔的应用前景。2、飞轮储能系统的工作原理和基本结构磁悬浮飞轮储能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。美国ActivePower飞轮储能UPS属于在线互动式UPS的一种,它集传统在线式UPS态UPS二者技术特点于一身。ActivePower公司“磁悬浮飞轮”技术，拥有35项全球专利。这个重量为200多公斤的飞轮，在线转的转速。与几十年前笨重的、质量不稳定的巨型飞轮相比，新型飞轮在连续运行时间、关键负载等方面有极大提升。以下以其为例介绍这种UPS的构成、特点及工作原理。2.1飞轮储能的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。2．2免蓄电池磁磁悬浮飞轮储能UPS电源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。飞轮储能UPS由输入保险、输入接触器、静态开关、在线电感器、输出接触器、逆变器、滤波电感器、飞轮、旁路等组成。ActivePowerUPS核心技术为飞轮储能技术,拥有35项美国专利。飞轮和电机系统密封在真空容器内,能量蓄满时飞轮转速高达7700r/min,如图1所示。动态飞轮UPS可以提供优质电源,确保精密的仪器设备和生产线免受毫秒级电网波动的影响,减少数据通信中的高误码率。为免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS电源系统工作原理框图。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。2．3免蓄电池磁磁悬浮飞轮储能UPS配电系统构成及运行2.3.1免蓄电池磁磁悬浮飞轮储能UPS配电系统构成：磁悬浮飞轮UPS、ATS切换柜、柴油发电机组、启动单元(GenSTART)和监控软件（CSView）为免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS电源系统工作连接框图：免蓄电池磁悬浮飞轮储能UPS电源系统工作连接框图磁悬浮飞轮UPS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线转/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。UPS采用并行在线%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。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。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。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。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。监控软件CSUPS的监控十分简便，可通过数字式人机交互界面实时掌握CSUPS的运行状态，并进行调整。CSUPS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。CSUPS的运行监控采用专用的监控软件CSVIEW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。2.3.2系统运行A、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）。 B、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。 C、市电故障时（首先由飞轮供电，然后转入柴油发电机供电） 负载时间 100% 15 75%20 50%30 25%60 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。 D、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。 E、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。 2.3.3 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 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。 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 结束语与传统的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。 随着UPS 技术的不断革新和行业的发展，以及用户对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。 2011.8.17Active Power Co.,Ltd