飞轮UPS——供电系统的新动力

  ]随着全球节能减排的意识不断高涨,提高能效和利用可再次生产的能源已成为众多国家的重点战略和政策导向以及电源产业高质量发展的主要趋势。传统UPS供电系统其技术和产品经过40多年的发展取得了很大的进步,但仍然在安全性、...

  随着全球节能减排的意识不断高涨,提高能效和利用可再次生产的能源已成为众多国家的重点战略和政策导向以及电源产业高质量发展的主要趋势。传统UPS供电系统其技术和产品经过40多年的发展取得了很大的进步,但仍然在安全性、可靠性及高耗能方面问题凸显,存在着一些不足和缺陷。因此,怎么样提高电源转换效率,找到一种低耗高效的供电系统成为业界关注的焦点,而传统UPS供电系统要加速向更高效的绿色节能的UPS供电系统演进。 而据国外新闻媒体报道,飞轮UPS作为一种电能储存方式,提供高可靠的稳定电源,可提供几秒到几分钟的电能,最近一段时间足已保证用户进行电源切换。而它与传统使用蓄电池的UPS相比所具有的优势和市场潜力,引起了人们的密切关注,那么业界专家对此是怎么样看待的呢?为此,本刊记者邀请四位业界资深的电源专家和发电机专家就飞轮储能UPS(以下简称飞轮UPS)技术的发展和应用前景进行阐述和分析。钟景华,高级工程师,现任中国电子工程设计院副总工程师、世源科技工程有限公司总电气师,现任中国信息化推进联盟数据中心机房技术专业委员会副理事长、全国工程建设标准设计弱电专业专家委员会委员、全国建筑物电气装置标准化技术委员会委员等职务。记者:钟老师,目前数据中心面临的问题是什么?数据中心大型化对供电系统提出了什么样的要求?飞轮UPS在可靠性方面有什么特点?钟景华:数据中心最大的问题是耗电量巨大,少则几千千瓦,多则几万千瓦,大型数据中心每年消耗几亿度电。而所有的数据中心都是由UPS系统来进行供电。根据IT设备厂商要求,IT设备需用UPS供电。因为UPS保证了电源质量,可以消除市电中的各种高频杂波、电压浪涌、陷落、瞬间断电等电力*对信息设备的危害,保证信息网络时刻安全运作。而UPS和负载的大量应用导致数据中心的耗电量居高不下。供电系统首先是提供足够的容量,数据中心每小时用几万度电都是正常的,数据中心越大耗电量越大;其次要求可靠性非常高,数据中心第一要点就是高可靠性,然后才能谈节能。实现高可靠性,一是靠供电电网本身保障,二是靠UPS和柴油发电机提供不间断的电源。从可靠性方面看,人们的顾虑是在飞轮的维持的时间上。对于大型数据中心来说,飞轮UPS能够给大家提供15s的保障时间,这样的一个过程能够保证柴油发电机正常起动,保持数据中心电源不间断。我相信未来会有更多的飞轮UPS应用到模块数据中心或者集装箱式数据中心。在国外的数据中心也有采用飞轮UPS进行供电,在国内还需要一些具体的经验与数据。张乃国,本刊主编,清华大学信息科学技术学院副教授。中国电源学会交流电源专业委员会顾问。主要研究方向为电力电子技术和UPS技术。在专业学报和技术刊物上曾发表60余篇有关文章,著书20余册,曾取得10多项科研成果。记者:张老师,您作为电力电子行业专家,请您谈谈磁悬浮飞轮UPS技术和应用前景。张乃国:当前在我国通信、金融、电力、交通、教育和政府等部门的机房或数据中心广泛采用的是用半导体器件构成的静止式UPS供电系统。为避免市电故障或者突然中断造成的损害，一般是利用蓄电池作为后备电源。具体办法是:当市电中断时将蓄电池储存的直流电通过逆变器转换成交流电，供电给负载，使负载不间断运行。早在上世纪60年代就有飞轮储能技术的应用,但由于种种原因一直没有突破性的进展。直到上世纪90年代,由于电路拓扑技术的发展、碳纤维材料的广泛应用,以及全世界范围对电池污染的日益重视,这种储能方式又重新燃起了人们的研发热情,得到快速的发展。近年来,由于以下三方面的突破,给飞轮储能带来了新的活力:一是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现,提高了飞轮的转速,大幅度提升了单位质量的动能储量;二是电力电子技术的新进展,给飞轮电机与系统的能量交换提供了坚实的技术基础;三是电磁悬浮+超导磁悬浮技术的发展,配合真空技术,极大地降低了机械摩擦与风力的损耗。飞轮UPS显示出更加广阔的应用前景,迅速从实验室走向社会。目前,飞轮UPS逐渐被业界人士所认知。在国内市场,近两年引进的飞轮式UPS,彻底改变了UPS供电系统中利用铅酸蓄电池进行储能的方式,创造性地采用真空悬浮式的飞轮储能技术取代了蓄电池。简单地说,在市电正常时,由市电给负载供电,同时使电动机带动两百公斤重的飞轮在真空中旋转;一旦市电中断,由飞轮利用其惯性能量带动发电机(与上述电动机是一个电机)发电,这一段时间可完全使柴油发电机起动并达到稳定运行,以此来实现了不间断供电。可见,这种解决方案是用飞轮取代了大量蓄电池,而且飞轮设备对于环境和温度的要求不高,从而节约了大量的空调制冷设备和电力消耗。这里的蓄电池一般是铅酸蓄电池，各位明白，重金属铅和硫酸都是对环境造成污染的原材料，现在我国政府号召电池生产厂商回收废电池，但是许多电池在边远和高山地区应用,很难运输，只好丢弃在各地，对当地的环境造成了严重的污染。从上述不用蓄电池和大量节省空调设备两个方面计算,就能节约大量的经营成本和CO2的排放,是绿色环保的好产品,应当大力推广。王鸿藻,石油勘探开发科学研究院高级工程师。长期从事电气自动化专业的工作以及电机生产与科研工作。从事UPS技术工作20余年,曾发表多篇有关文章。现为本刊编委。记者:王老师,您作为UPS行业专家,请您谈谈传统UPS面临的问题以及磁悬浮飞轮UPS的主要工作原理。王鸿藻:UPS的应用已经有几十年的历史了,UPS的技术发展变化也非常大的。但是无论UPS怎样变化,一般不能离开蓄电池。因而人们认为没有蓄电池的UPS就不能称之为UPS。其实这种看法是片面的。当前在UPS供电系统中大量使用蓄电池,也带来一些问题:蓄电池在制造和再生恢复的生产的全部过程中,造成对环境的污染。蓄电池是UPS供电系统中最薄弱的环节,其故障率是最高的,70%以上UPS系统的故障是由蓄电池造成的。轻则不能放电,重则蓄电池着火,都会造成重大损失。蓄电池系统运行成本高,主要有两点:一是蓄电池寿命短,更换周期短;二是蓄电池对环境和温度要求较苛刻,导致空调耗电费用高。另外蓄电池组的摆放需要占用较大的空间。飞轮UPS就是要摆脱使用蓄电池的问题,是一种应运而生的新型UPS。它是用飞轮储能,在无市电时,将飞轮储存的能量释放开来,转换为电能,给逆变器供电,使得逆变器能够继续供电一段时间,这就代替了蓄电池。飞轮式UPS的核心部件是飞轮装置,飞轮能够理解为是一个电动机/发电机装置。在有市电时,它是由逆变器给电磁线圈供电，使之成为一个电动机，悬浮的飞轮在线转/分。在没有市电时,它是由非常快速地旋转的飞轮释放能量，成为一个发电机给逆变器供电。因而整个UPS继续运行向负载供电达到不间断电源的要求。目前人类对于飞轮式UPS还有一些疑虑,飞轮给逆变器送电,逆变器继续供电,能够维持多长时间呢?按负载满载计算,可以供给15s。这短短的15s够用吗?这就决定于供电电源系统。一般UPS供电系统的电源至少有两路,备用一路可能是另外一路电源,也可能是柴油发电机组。如果是另外一路电源,用ATS自动转换,转换时间也就1s左右,飞轮的备用时间足够。若备用一路是柴油发电机组,从柴油发电机起动到逆变器跟踪同步锁相投入,也不超过12s,所以15s的备用时间也足够了。可以不必有太多顾虑。磁悬浮式飞轮储能UPS的性能非常先进的。其输出电压稳定度、过载能力、输入电流谐波含量、输入功率因数等指标也是先进的,另外,其效率和占地面积等指标也是很好的,可以称之为绿色电源。磁悬浮式飞轮储能UPS可以并联运行,特别适合于大容量的系统运行。在大型IT系统、工业自动控制系统、制造业等都有很多应用案例。在这些领域将有广阔的发展前途。据悉,目前,谷歌、微软、雅虎等国际知名公司均已采用磁悬浮式飞轮储能UPS系统。它融合了最新的磁悬浮技术、电力电子技术、新材料技术、真空技术,进一步减小了运行能量损耗。作为一种新型的电能储存方式,它与传统蓄电池相比所具有的优势和市场潜力,引起人们的高度关注。在当今的UPS供电系统中,常用的是两路电源加柴油发电机的电源系统,两路UPS双母线供电系统。使用飞轮式UPS更加可靠,它将会有更广泛的应用。张振毅,航天科技集团710研究所高级工程师。长期从事柴油发电机组的研究与技术工作,具有深厚的理论基础和丰富的实践经验。现为中国电源学会交流电源专业委员会委员,本刊编委。记者:张老师,请您对飞轮式UPS的应用领域、工作方式及未来市场发展的潜力进一步加以分析。张振毅:同步发电机和电动机(在飞轮式UPS技术的翻译文稿中,亦译作同步补偿机)共用一个特制的转子，它不仅仅具备发电机转子和电动机转子应有的磁电功能，而且更具有高速转动的飞轮的功能。可称其为:转子—飞轮。将这样的同步发电机与电动机制作成一体，就是飞轮式UPS的基本构成。飞轮质量大，其外形与材质都使其拥有非常良好的磁电转换性能。它转动得越快则获得的动能和惯性越大，因而是动态UPS的能量转换核心。有市电时,电能通过动态UPS内的辅助电路,一路直接供给负载,一路输向同步发电机/电动机。电动机励磁绕组产生的交变磁场驱动转子—飞轮非常快速地旋转,为使其得到最大的动能,转速通常在每分钟5000转到8000转。市电突然中断,则转子—飞轮依靠已有的动能惯性地继续旋转。其磁场使得同步发电机的电枢绕组输出电能,通过辅助电路使用电设备得以不间断供电。然而,毕竟转子—飞轮储备的动能是有限的。如果单独用飞轮UPS做不间断供电,则其标准动能缓冲时间(相当于静态UPS的后备支持时间)与其所带的负载量有很大的关系。一般负载量为100%时,其后备时间为15s;75%负载时,后备时间为20s;50%负载时,后备时间为30s;25%负载时,后备时间为56s。这与利用蓄电池作为储能设备的普通静态UPS相比,其延迟(后备)时间太短。飞轮UPS是依靠机械装置储能及能量转换,所以从成本和市场竞争力考虑,其容量不可能制造得太小。常见的输出功率在200～1600kVA左右。这就限制了飞轮UPS的适合使用的范围。而在电力、化工、能源、大型数据中心等负载量较大的行业领域,飞轮UPS的优越性就尤为突出。它完全摒弃了大容量、大数量的蓄电池组。既可节省机房面积又可减少维护工作量,还有利于环保节能。虽然飞轮UPS在100%负载情况下,仅能支撑15s。但这点时间已能满足现代柴油发电机组从起动到输出电压稳定之所需。至于飞轮UPS的未来市场发展的潜力,我认为飞轮UPS成套性比较完整,都采用了业界先进的机电一体化技术和智能调控系统。以其500kVA的飞轮UPS单机与延时15min 500kVA普通静态UPS单机的市场行情报价相比;两者并无太大的差异。而从长远上看,飞轮UPS的可靠性、可用性、环保效益是最佳选择的考虑因素。因此,在大功率UPS市场中,飞轮UPS的前景是十分明朗的。飞轮UPS虽不是新生事物,甚至能够说是静态UPS的鼻祖。然而它与现代科技结合后以崭新的面貌重新体现出来,为高端大功率不间断电源系统的建设提供了新鲜的元素。记者手记目前,全球各工业强国正在大力开展储能飞轮技术的研究,该技术已有少量的应用与试运行。虽然目前用户对飞轮UPS技术和产品的认识和接受需要一定的时间和过程，但我们始终相信通过使用户得到满足需求和各种成功案例的推广以及对飞轮UPS认识度的提升，在不久的将来，磁悬浮式飞轮储能UPS技术和产品一定会为各行业用户所接受和应用。■