业界专家解读飞轮储能技术的发展和应用前景

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的技术发展变化也是很大的。但是无论UPS怎样变化,一般都离不开蓄电池。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出来,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,飞轮可以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，悬浮的飞轮在真空中高速旋转，达到7700转/分。在没有市电时,它是由高速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。

目前人们对于飞轮式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的性能也是比较先进的。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。

张老师,请您对飞轮式UPS的应用领域、工作方式及市场前景进一步加以分析。

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，它不仅具有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具有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—飞轮高速旋转,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的适用范围。

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。但这点时间已经可以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的市场前景,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15min500kVA普通静态UPS单机的市场价格相比;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,甚至可以说是静态UPS的鼻祖。然而它与现代科技结合后以崭新的面貌重新展现出来,为高端大功率不间断电源系统的建设提供了新鲜的元素。