0  引言

    當(dāng)下，電能的產(chǎn)生和輸送還是主要依賴于集中發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸電的方式。這種輸電方式占了全世界90%的供電。但是這種輸電方式有著很大的弊端，例如，電力要求量的增加導(dǎo)致電壓不穩(wěn)，線路和發(fā)電問題導(dǎo)致的輸電中斷^[1]。

    由于上面的集中供電的弊端，人們逐漸意識改變供電方式的重要性，但是風(fēng)能、太陽能等能源由于供電量少，能源轉(zhuǎn)換率低，不能代替之前的供電方式，因此分布式供電的作用被凸顯出來。所謂的分布式供電，就是指各種獨(dú)立的供電設(shè)備（容量為10 kW~50 kW）與儲能設(shè)備結(jié)合在一起，用于改善當(dāng)前用的輸電系統(tǒng)，提高輸電系統(tǒng)的可靠性。

    飛輪儲能技術(shù)就是一種分布式供電方式，如果合理利用，能夠承擔(dān)一個城市20%的供電，甚至可以替代UPS系統(tǒng)。

    如今，能量儲存技術(shù)成為了一個世界性熱門課題。而飛輪儲能技術(shù)因?yàn)椴僮骱唵吻夜╇婌`活受到了相關(guān)專家和企業(yè)的關(guān)注。在20世紀(jì)50年代，飛輪儲能技術(shù)已經(jīng)被提出，并有部分應(yīng)用于汽車上，由于當(dāng)時硬件與科技的限制，此技術(shù)一直沒有得到廣泛的推廣和應(yīng)用^[2-3]。近年來，由于磁懸浮技術(shù)的發(fā)展，高強(qiáng)度材料的出現(xiàn)和能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的提高^[4]促進(jìn)了飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展，從而使飛輪儲能技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

    現(xiàn)在，許多科技強(qiáng)國都在設(shè)計飛輪儲能技術(shù)的研究，并且把飛輪儲能技術(shù)轉(zhuǎn)向了市場，使其市場化、產(chǎn)業(yè)化，并已經(jīng)開始應(yīng)用于航天航空、軍事設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、通信設(shè)備等領(lǐng)域^[5-6]。美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家對飛輪儲能技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用比較多。日本已經(jīng)制造出在世界上容量最大的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)(容量為26.5 MVA ,電壓為1 100 V ,轉(zhuǎn)速為510 690 r/min ,轉(zhuǎn)動慣量為710 t·m²。美國馬里蘭大學(xué)也已研究出用于電力調(diào)峰的24 kWh的電磁懸浮飛輪系統(tǒng)。飛輪重172.8 kg, 工作轉(zhuǎn)速范圍為11 610~46 345 r/min, 破壞轉(zhuǎn)速為48 784 r/min, 系統(tǒng)輸出恒壓110~240 V, 全程效率為81%。經(jīng)濟(jì)分析表明, 運(yùn)行3 年時間可收回全部成本。飛輪儲能技術(shù)在美國發(fā)展得很成熟,他們制造出一種裝置,在空轉(zhuǎn)時的能量損耗達(dá)到每小時0.1%。

    本文所描述的移動式飛輪儲能應(yīng)急供電系統(tǒng)主要針對于各種重大慶典、會議和活動。該系統(tǒng)可以為客戶提供最高級別的電力供電保障。

1  飛輪儲能原理介紹

    飛輪儲能技術(shù)是新興的電能儲存技術(shù)，它與超導(dǎo)儲能技術(shù)、燃料電池技術(shù)一樣，都是近年來出現(xiàn)的有很大發(fā)展前景的儲能技術(shù)。雖然目前化學(xué)電池儲能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，但是化學(xué)電池儲能技術(shù)存在著諸如充放電次數(shù)的限制、對環(huán)境的污染嚴(yán)重以及對工作環(huán)境溫度高等問題。這樣就使新興的儲能技術(shù)越來越受到人們的重視，尤其是飛輪儲能技術(shù)，已經(jīng)開始越來越廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外的許多行業(yè)中。飛輪儲能最基本的工作原理是將外界輸入的電能通過電動機(jī)轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動的動能儲存起來，當(dāng)外界需要電能時，通過發(fā)電機(jī)將飛輪的動能轉(zhuǎn)化為電能，輸出到外部負(fù)載。為了減少空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時的損耗，提高飛輪的轉(zhuǎn)速和飛輪儲能裝置的效率，飛輪儲能裝置軸承使用非接觸式的磁懸浮軸承技術(shù)，將電機(jī)和飛輪都密封在一個真空容器內(nèi)，以減少風(fēng)阻，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。圖1所示是飛輪儲能的工作原理圖。

    飛輪儲能的具體工作原理如下：

    （1）市電正常供電時，ATS雙電源切換開關(guān)選擇市電側(cè)供電，通過飛輪儲能UPS對負(fù)載供電。

    （2）市電中斷或者故障時，飛輪儲能UPS對負(fù)載供電，并延時發(fā)送油機(jī)啟動信號啟動油機(jī)。油機(jī)啟動后，ATS雙電源切換開關(guān)選擇油機(jī)側(cè)供電，通過飛輪儲能UPS對負(fù)載供電，同時對飛輪儲能UPS充電。

    （3）市電恢復(fù)2 min后，飛輪儲能UPS系統(tǒng)判斷市電正常后，ATS雙電源切換開關(guān)選擇市電側(cè)供電，3 min后，發(fā)出油機(jī)停機(jī)信號。

    （4）當(dāng)市電出現(xiàn)瞬間斷電時，直接由飛輪儲能UPS對負(fù)載供電，不啟動油機(jī)，實(shí)現(xiàn)不間斷供電。

    （5）旁路開關(guān)是維護(hù)旁路開關(guān)或單獨(dú)使用油機(jī)應(yīng)急供電時使用的開關(guān)，不通過飛輪儲能UPS，由油機(jī)直接對負(fù)載供電。

    飛輪儲能裝置中有一個內(nèi)置電機(jī)，它既是電動機(jī)也是發(fā)電機(jī)。在充電時，它作為電動機(jī)給飛輪加速；當(dāng)放電時，它又作為發(fā)電機(jī)給外設(shè)供電，此時飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降；而當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時，整個裝置則以最小損耗運(yùn)行。

    飛輪儲能器中沒有任何化學(xué)活性物質(zhì)，也沒有任何化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。旋轉(zhuǎn)時的飛輪是純粹的機(jī)械運(yùn)動，飛輪在轉(zhuǎn)動時的動能為：

式中： J為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，ω為飛輪旋轉(zhuǎn)的角速度。

2 飛輪儲能設(shè)計

    飛輪儲能系統(tǒng)由高速飛輪、軸承支撐系統(tǒng)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、功率變換器、電子控制系統(tǒng)和真空泵、緊急備用軸承等附加設(shè)備組成。谷值負(fù)荷時，飛輪儲能系統(tǒng)由工頻電網(wǎng)提供電能，帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，以動能的形式儲存能量，完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；出現(xiàn)峰值負(fù)荷時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為原動機(jī)拖動電機(jī)發(fā)電， 經(jīng)功率經(jīng)功率變換器輸出電流和電壓，完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

2.1 飛輪儲能載體設(shè)計

    受限于建筑面積、建筑成本、構(gòu)建時間、能源消耗、維修運(yùn)營等諸多因素，具備快速部署能力、方式更加靈活、運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)可靠的箱式數(shù)據(jù)中心日益成為市場新寵。本飛輪儲能系統(tǒng)選擇集成飛輪UPS的模塊化不間斷供電系統(tǒng)的可移動集裝箱作為飛輪儲能的載體。

    飛輪儲能集裝箱是模塊化、移動式持續(xù)電源系統(tǒng)，由4個標(biāo)準(zhǔn)部分組成，基于Active Power公司的高效及高彈性結(jié)構(gòu)，飛輪儲能集裝箱系統(tǒng)可被快速裝配及應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱便可容納整套電源系統(tǒng)，集裝箱可被放置在諸如房頂、閑置的裝卸間、院落甚至停車廠之類的場所。

    另外，飛輪儲能集裝箱具有高度靈活性，是專為不斷變化使用地點(diǎn)而設(shè)計的電源系統(tǒng)。它的功率范圍從200 kW到800 kW不等，是完全可以擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，可隨用戶需求擴(kuò)容備用電源。傳統(tǒng)備用電源需單個部件現(xiàn)場組裝，而飛輪儲能集裝箱系統(tǒng)是由工廠完成全部組裝、檢測及定制工作，擁有全程質(zhì)量保證。其效率很高，但占用空間卻很小，只占用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心1/4的面積，所以用戶可在現(xiàn)場限制條件下迅速部署具有安全防護(hù)特點(diǎn)的飛輪儲能集裝箱系統(tǒng)。這套系統(tǒng)可斷開后運(yùn)輸?shù)叫碌牡胤剑趲仔r之內(nèi)便可重新啟動運(yùn)行。

2.2  飛輪關(guān)鍵部分設(shè)計

    飛輪的原理簡單，主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方法已經(jīng)基本明確，但要實(shí)現(xiàn)起來卻并不容易,要突破的關(guān)鍵技術(shù)有：(1)飛輪轉(zhuǎn)子的設(shè)計：轉(zhuǎn)子動力學(xué)，強(qiáng)度和密度的優(yōu)化 ；(2)磁軸承和真空設(shè)計：低功耗，動力設(shè)計，高轉(zhuǎn)速，長壽命；(3)功率電子電路：高效率，高可靠性，低功耗電動\發(fā)電機(jī)；(4)安全及保護(hù)特性：不可預(yù)期動量傳遞，防止轉(zhuǎn)子爆炸可能性，安全輕型保護(hù)殼設(shè)計；(5)機(jī)械備份軸承：磁軸承失效時支撐轉(zhuǎn)子。

    本文設(shè)計了一種可以完成以上要求的飛輪，此飛輪主要依托于超導(dǎo)磁懸浮原理。超導(dǎo)磁懸浮原理：當(dāng)將一塊永磁體的一個極對準(zhǔn)超導(dǎo)體并接近超導(dǎo)體時，超導(dǎo)體上便產(chǎn)生了感應(yīng)電流，該電流產(chǎn)生的磁場剛好與永磁的磁場相反，于是二者便產(chǎn)生了斥力。由于超導(dǎo)體的電阻為零，感生電流強(qiáng)度將維持不變。若永磁體沿垂直方向接近超導(dǎo)體，永磁體將懸空停在自身重量等于斥力的位置上，而且對上下左右的干擾都產(chǎn)生抗力，干擾力消除后仍能回到原來位置，從而形成穩(wěn)定的磁懸浮。超導(dǎo)磁懸浮原理的出現(xiàn)能夠減少軸承損耗，使能夠滿足要求的飛輪設(shè)計成為可能，圖2所示為飛輪結(jié)構(gòu)圖。

    飛輪主要由上部磁力空間、固定器、飛輪內(nèi)腔、軸承套件和飛輪轉(zhuǎn)子組成。其中，上部形成的磁力空間可以減輕飛輪轉(zhuǎn)子重量對底部軸承的壓力從而減小摩擦力；飛輪內(nèi)腔被真空泵抽成真空狀態(tài)以減小旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的空氣摩擦力；軸承套件和固定器主要用來固定轉(zhuǎn)子，并且可以更換；供電正常時，飛輪轉(zhuǎn)子在電力驅(qū)動下轉(zhuǎn)速不斷升高，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，類似一臺發(fā)動機(jī)；當(dāng)供電中斷時，在磁力空間中旋轉(zhuǎn)的飛輪，就類似于一個短時供電的發(fā)電機(jī)。在有電力驅(qū)動的情況下，飛輪的持續(xù)轉(zhuǎn)速能到達(dá)7 700 r/min，當(dāng)電力出現(xiàn)中斷時，飛輪靠慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時飛輪類似于發(fā)電機(jī)，將動能轉(zhuǎn)化為電能。

    由于飛輪的獨(dú)特的設(shè)計方式，使得飛輪可以在摩擦很小的真空環(huán)境中持續(xù)旋轉(zhuǎn)，并且飛輪可以在磁力環(huán)境及軸承的支撐下轉(zhuǎn)動達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，同時也減輕了軸承的壓力，增加了軸承的壽命，轉(zhuǎn)速達(dá)到 50%, 系統(tǒng)已可以對外進(jìn)行放電。

2.3  輸入輸出電源的設(shè)計與保護(hù)

2.3.1  電壓調(diào)節(jié)設(shè)計

    本文采用的電壓調(diào)節(jié)為連續(xù)電壓調(diào)節(jié)，主要是通過變換器和市電的線性電抗器調(diào)節(jié)無功電流間接調(diào)節(jié)電壓。例如，當(dāng)輸入電壓低，電流相位超前時，變換器提供無功電流；當(dāng)輸入電壓高，電流相位滯后時，變換器吸收無功電流；當(dāng)輸入電壓正常時，不提供無功電流補(bǔ)償，功率因數(shù)為1。圖3所示為電壓調(diào)節(jié)原理圖，補(bǔ)償完的電壓如圖4所示。

2.3.2  諧波消除設(shè)計

    本文中飛輪儲能設(shè)備的UPS控制單元采用數(shù)字信號處理技術(shù)初六電流諧波測量負(fù)載電流諧波，變換器提供諧波電流，并維持輸出電壓的正弦波形，其中負(fù)載諧波不會影響到輸入波形。圖5為諧波消除后的波形圖。

2.3.3  變化電壓窗口

    此飛輪儲能系統(tǒng)可以做到50 μs對電壓值取樣一次，并且工廠設(shè)定點(diǎn)在當(dāng)前電壓的±15%，從而可以避免瞬態(tài)變化引起的頻繁放電。

    并且，此系統(tǒng)可以在電壓擾動時，在1 ms內(nèi)恢復(fù)到設(shè)定電壓。從檢測到恢復(fù)電壓耗時100 μs，1 ms內(nèi)從檢測完全恢復(fù)電壓。該系統(tǒng)能夠保護(hù)使用者的重要負(fù)載，即便是非常大的電壓擾動。圖6所示為輸入電壓變化曲線圖。

2.3.4  UPS保護(hù)

    CSUPS必須滿足下列條件開始放電：

    （1）一個周期內(nèi)電壓有效值偏離預(yù)設(shè)極限范圍(工廠設(shè)定在 +/- 10%)。

    （2）瞬態(tài)電壓擾動超過預(yù)設(shè)的瞬態(tài)電壓調(diào)節(jié)設(shè)定范(工廠設(shè)定在 +/- 15%)。

    （3）輸入頻率超出預(yù)設(shè)的調(diào)節(jié)范圍。

    滿載時輸入電壓在調(diào)節(jié)窗口內(nèi), +/- 10% ,300系列CSUPS保持輸出電壓在+/- 2%的范圍內(nèi)。

2.4  顯示面板設(shè)計

    ATS面板共有10個LED顯示燈，其中單色顯示燈為7個(L1/L2/L3/L4/L5/L6/L10)，多色顯示燈為3個(L7/L78/L9)，如圖7所示。

    每個LED燈的顯示功能如下：

    L1：市電線上信號燈。如果市電線上有市電存在于輸入端，則L1會顯示為綠色。

    L2：油機(jī)在線信號燈。如果油機(jī)已經(jīng)啟動并且處于正常發(fā)電狀態(tài)，則L2會顯示為綠色。如果市電油機(jī)兩路都有輸入，則L1/L2燈可以同時顯示為綠色。

    L3：轉(zhuǎn)換開關(guān)在市電信號燈。如果ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)的觸點(diǎn)處于市電端，則L3會顯示為綠色。

    L4：轉(zhuǎn)換開關(guān)在油機(jī)信號燈。如果ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)的觸點(diǎn)處于油機(jī)端，則L4會顯示為綠色。由于轉(zhuǎn)換開關(guān)的觸頭一定在任一輸入端，因此L3和L4不可能同時點(diǎn)亮。

    L5：UPS輸入開關(guān)信號燈。當(dāng)UPS輸入開關(guān)1QF閉合時，L5會顯示為綠色。

    L6：UPS輸出開關(guān)信號燈。當(dāng)UPS輸出開關(guān)閉合時，L5會顯示為綠色。

    L7：UPS旁路開關(guān)信號燈。當(dāng)UPS處于維修旁路時（2QF閉合），L7會顯示為綠色。當(dāng)2QF未處于互鎖時，即2QF可以閉合時，L7顯示為黃色。

    L8：油機(jī)狀態(tài)顯示燈。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)處于自動狀態(tài)時，L8顯示為綠色，同時AUTO字體會顯示為綠色。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)處于自動狀態(tài)有報警信號時，L8會顯示為紅色閃爍。當(dāng)柴油機(jī)處于手動狀態(tài)時，L8會顯示為黃色。

    L9：UPS狀態(tài)顯示燈。當(dāng)UPS處于在線狀態(tài)時，L9顯示為綠色。當(dāng)UPS處于脫機(jī)狀態(tài)時，L9顯示為紅色。當(dāng)UPS的狀態(tài)為不在線、不在旁路同時無報警、無提醒時，L9顯示為黃色。當(dāng)UPS狀態(tài)為在線但有報警時，L9顯示為綠色閃爍。當(dāng)UPS狀態(tài)為內(nèi)部旁路但無報警、無提醒時，L9顯示為紅色閃爍。

    L10: GENSTART狀態(tài)顯示燈。當(dāng)Genstart處于自動可用狀態(tài)時，L10會顯示為綠色。

2.5  性能指標(biāo)

    （1）輸出電壓穩(wěn)定在額定電壓 +/-1%；

    （2）輸出頻率為50 Hz (+/- 0.2%頻率漂移)；

    （3）輸出THVD <3%線性負(fù)載 <5%非線性負(fù)載；

    （4）當(dāng)電壓過載1 000%時可以維持10 ms,當(dāng)電壓過載500%時可以維持1 s,當(dāng)電壓過載200%時可以維持30 s；

    （5）輸入電壓范圍10%~15%；

    （6）輸入功率因數(shù) 0.99；

    （7）輸入諧波<3%；

    （8）浪涌抑制器符合 IEEE587標(biāo)準(zhǔn)；

    （10）采用全模塊式設(shè)計；

    （11）智能化的高效率的冗余切換。

3  系統(tǒng)特點(diǎn)

    本文中設(shè)計的飛輪儲能系統(tǒng)因?yàn)樵O(shè)計方法特別，具備了下面幾種優(yōu)勢：

    （1）零毫秒級

    零毫秒級不間斷供電，提供最高級別的電力保障。系統(tǒng)采用目前全球最先進(jìn)的飛輪儲能UPS供電設(shè)備，實(shí)時在線，可以為重要負(fù)載提供真正意義上的零毫秒級斷電保護(hù)。

    （2）高續(xù)航力

    飛輪儲能UPS與柴油發(fā)電機(jī)組通過智能化過程控制，實(shí)現(xiàn)重要負(fù)載的不間斷、長時間供電。

    （3）高可靠性

    飛輪磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用，消除了傳統(tǒng)UPS中的不可靠成分，可靠性能達(dá)到99.999 99%，可以適應(yīng)各種復(fù)雜工作環(huán)境，對環(huán)境溫度要求低，啟動溫度為-20℃~40℃，運(yùn)行溫度為0℃~40℃。

    （4）高效率

    受益于先進(jìn)的飛輪儲能技術(shù)，系統(tǒng)效率高達(dá)98%。

    （5）維護(hù)簡便

    超長使用壽命，在性能和效率不隨時間下降的同時，更可以保證超過20年的使用壽命，期間無需更換儲能模塊。

    （6）整體噪音低

    采用了飛輪技術(shù)，具有恒定轉(zhuǎn)速、低噪音、低摩擦等特點(diǎn)，降低了操作時的噪音排放。

    （7）低碳技能

    移動式飛輪儲能應(yīng)急供電系統(tǒng)使得發(fā)電機(jī)組處于冷備份狀態(tài)，可以有效降低燃料消耗，從而節(jié)省燃料費(fèi)用，同時減少對環(huán)境的影響。

4  系統(tǒng)測試結(jié)果及應(yīng)用

    在本文中，對飛輪儲能不間斷電源帶負(fù)載性能進(jìn)行了測試，圖8為無負(fù)載1 pF電容測試圖，該測試為應(yīng)用備用1 pF電容同時突然斷開負(fù)載；圖9為在有負(fù)載運(yùn)行的情況下突然加上1 pF備用電容的測試波形圖；圖10為在飛輪儲能輸出測加上1 pF電容的波形圖；圖11為從備用側(cè)轉(zhuǎn)化為旁路時靜態(tài)旁路的波形圖；圖12為從斷開供電電源，飛輪儲能設(shè)備代替供電電源時的波形圖。

    分析上述波形圖可知，當(dāng)市電斷電時，飛輪儲能電池開始供電，并且在經(jīng)過2.51 ms后，供電電壓恢復(fù)正常，能夠保證負(fù)載的用電要求并且能做到零毫秒級、不間斷、長時間、高質(zhì)量的電力供給。

    在本文中所描述的移動式飛輪儲能設(shè)備已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到許多活動和場合中作為備用電源，為電力系統(tǒng)提供了安全可靠的保障。例如，在2009年國慶60周年天安門閱兵及慶典中運(yùn)用此飛輪作為應(yīng)急供電系統(tǒng)；2010年上海世博會應(yīng)用此飛輪儲能為世博會關(guān)鍵電源提供保障；2011年金磚四國會議&博鱉亞洲論壇采用此設(shè)備確保急轉(zhuǎn)四國會議零毫秒不間斷供電；2014年北京APEC會議采用飛輪儲能系統(tǒng)執(zhí)行會議保電任務(wù)。

5  結(jié)論

    本文通過設(shè)計移動式飛輪儲能系統(tǒng)的載體、飛輪和輸入輸出電壓，能夠保證輸出穩(wěn)定可靠的輸出電壓和電流。并通過對產(chǎn)片的測試，表明此飛輪儲能具備零毫秒級、不間斷、長時間、高質(zhì)量的電力供給的優(yōu)勢。

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作者信息:

張宏炯，陳建樹，王家蓬，馬文營，錢葉牛

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