磁懸浮飛輪儲能技術(shù)動態(tài)UPS
磁懸浮飛輪儲能技術(shù)一般是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪鐵芯作為機械能量的存儲介質(zhì),飛輪等器件都被密封在一個密閉的真空容器內(nèi),以有效地避免空氣阻力的影響,同時為了降低飛輪旋轉(zhuǎn)時的損耗,提高飛輪的轉(zhuǎn)速和儲能的效率,在飛輪儲能裝置內(nèi)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10即為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于一臺電動機,它將外界輸入的電能通過電力電子裝置驅(qū)動飛輪旋轉(zhuǎn),由此將電能轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動的動能(即機械能)儲存起來。在正常待機時ACTIVEPOWER飛輪的轉(zhuǎn)速可達到7700r/min。
在市電異常或停電的情況下磁懸浮飛輪儲能裝置就轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機。當外界需要電能時,飛輪轉(zhuǎn)動的動能就轉(zhuǎn)化為電能,再通過電力電子裝置轉(zhuǎn)化成各種負載所需要不同頻率和不同電壓等級的電能,輸送到外部負載,以滿足不同負載的要求。
一旦市電恢復正常,市電則立即給磁懸浮飛輪儲能裝置進行“充電”,使飛輪的轉(zhuǎn)速又回復到7700r/min。圖11表示的是CTIVEPOWER動態(tài)儲能UPS系統(tǒng)的構(gòu)成情況。
當市電正常時,市電通過自動切換開關(guān)進入濾波補償柜(暫這樣稱呼)將輸入電壓正弦波中的干擾和失真加以整理,使其送到關(guān)鍵負載的電壓波是高質(zhì)量的。一旦市電故障或異常,自動切換開關(guān)就斷開市電并送出柴油發(fā)電機起動命令,同時率波補償柜一方面給增強型發(fā)電機啟動模塊用之發(fā)電機發(fā)電也同時接通柴油發(fā)電機的24V起動電池啟動柴油發(fā)動機。在這里需要說明的是柴油發(fā)電機的發(fā)電機和增強型發(fā)電機啟動模塊不是同一個裝置,它是磁懸浮飛輪發(fā)電機。對該系統(tǒng)的整個工作由系統(tǒng)標配的監(jiān)控軟件來監(jiān)控和分析。圖12(a)為ACTIVEPOWER市電故障時的轉(zhuǎn)換時間順序。為了方便介紹,假如市電在0.0s停電,在2.0s～3.0s之間發(fā)出柴油發(fā)電機起動信號,一般柴油發(fā)動機5s就可以達到額定轉(zhuǎn)數(shù),到7.5s時柴油發(fā)電機已經(jīng)達到額定轉(zhuǎn)數(shù),但此時儲能飛輪的轉(zhuǎn)數(shù)尚未降到和柴油發(fā)電機同步的程度,所以柴油發(fā)電機此時處于空轉(zhuǎn)等待狀態(tài),大概等待1s左右儲能飛輪的轉(zhuǎn)數(shù)和柴油發(fā)電機同步了,即柴油發(fā)電機的輸出電壓頻率和相位與磁懸浮飛輪發(fā)電機發(fā)出的電壓經(jīng)一系列變換后的輸出電壓一致了,二者馬上鎖相,此后的負載供電就就由柴油發(fā)電機來代替了,這整個過程必須在15s以內(nèi)完成,一直到市電恢復。
圖12(b)給出了更容易理解的電路原理圖。當市電正常時,市電通過輸入斷路器Q1、靜態(tài)開關(guān)S1和扼流圈L1進入,并通過輸出斷路器Q2送到負載。其中扼流圈L1濾除輸入端帶來的干擾,L2一路是磁懸浮飛輪發(fā)電機發(fā)出的電壓經(jīng)一系列變換后的輸出電壓對經(jīng)L1后電壓波形失真進行補償,把高質(zhì)量的電壓輸送到負載。市電故障或異常時它又擔負著15s后備時間的任務。
從圖12(b)中也可以看到該系統(tǒng)也配備了自動旁路和維修旁路。
圖13示出的儲能飛輪使飛輪的轉(zhuǎn)數(shù)提升到5位數(shù)。結(jié)構(gòu)上的變化,使其具有了如下的優(yōu)點:
1、瞬時大功率、快速充放電、毫秒級響應速度并且放電倍率高;
2、使用壽命長:飛輪儲能不受重復深度放電的影響,能夠運行上千萬次,理論壽命超過20年;
3、工作范圍寬:對環(huán)境溫度沒有嚴格要求,無需建設(shè)空調(diào)機房;
4、能量轉(zhuǎn)換效率高:電能動能之間的轉(zhuǎn)換效率高于98%,儲能系統(tǒng)綜合效率約95%以上;
5、低損耗、低維護:磁懸浮和真空環(huán)境使機械損耗可以被忽略,系統(tǒng)維護周期長;
6、可精確測量和控制:飛輪儲能可精確測量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從而精確推算出“剩余電量”,實現(xiàn)精確控制;
7、安全可靠無污染:飛輪儲能98%以上的材料都是鋼材,無化學物質(zhì)釋放,無化學爆炸等安全隱患,從生產(chǎn)到應用的整個環(huán)節(jié)對環(huán)境友好;
8、大規(guī)模制造成本大幅度降低:飛輪主要材質(zhì)為鋼材,大規(guī)模制造后成本急劇下降,非常接近鋼材成本;
9、殘值高:“廢舊飛輪電池”可直接回收利用,殘值高,二次回收成本低;
10、由于在實際工作中,有的要求飛輪的轉(zhuǎn)速高達40,000～50,0000r/min,一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉(zhuǎn)速,所以這樣的飛輪一般都采用碳纖維制成,既輕又強,進一步減少了整個系統(tǒng)的重量,同時,為了減少充放電過程中的能量損耗(主要是摩擦力損耗),電機和飛輪都使用磁軸承,使其懸浮,以減少機械摩擦;同時將飛輪和電機放置在真空容器中,以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率(輸入輸出)可以達到95%左右。
上面介紹的飛輪儲能技術(shù)廣泛地應用在各個領(lǐng)域:航空、航天、石油、光復電站電站、風力發(fā)電站和火力發(fā)電廠、石油和鐵路,甚至充電樁等,磁懸浮儲能飛輪技術(shù)從高科技領(lǐng)域一直到日常生活的民用環(huán)境到處開花結(jié)果。
從表2中可以看出應急發(fā)電車引入了飛輪儲能UPS技術(shù)后,使它的功能有了很大程度的提升。該技術(shù)在數(shù)據(jù)中心仍然有出色的表現(xiàn)。圖14示出了飛輪儲能UPS在數(shù)據(jù)中心的使用情況。
綜上所述,對于市電環(huán)境良好的用戶而言,飛輪UPS在如下技術(shù)性能上均有明顯的優(yōu)勢.它們使整機效率、單機的最大輸出功率、抗輸出短路能力、輸入功率因數(shù)、輸出有功功率能力、允許的工作溫度范圍、可靠性和EMC(電磁兼容性),以及因無需配置電池組而大大減少,UPS的維護工作量減輕了,也減少了機房的占用面積,等等,諸多方面。其中,尤以可靠性高、節(jié)能降耗效果顯著。無需配置故障率偏高的蓄電池組等更加引人注目。有鑒于此,在美國、歐洲和我國臺灣地區(qū)的某些半導體芯片廠和軍用系統(tǒng)中得到了較多的應用。近年來,它也日益引起國人的關(guān)注。
（來源：《數(shù)據(jù)中心建設(shè)+》雜志）
