請四位業(yè)界資深的電源專家和發(fā)電機專家就飛輪儲能UPS(以下簡稱飛輪UPS)技術(shù)的發(fā)展和應用前景進行闡述和分析。
鐘景華,高級工程師,現(xiàn)任中國電子工程設計院副總工程師、世源科技工程有限公司總電氣師,現(xiàn)任中國信息化推進聯(lián)盟數(shù)據(jù)中心機房技術(shù)專業(yè)委員會副理事長、全國工程建設標準設計弱電專業(yè)專家委員會委員、全國建筑物電氣裝置標準化技術(shù)委員會委員等職務。
目前數(shù)據(jù)中心面臨的問題是什么?數(shù)據(jù)中心大型化對供電系統(tǒng)提出了什么樣的要求?飛輪UPS在可靠性方面有什么特點?
鐘景華:數(shù)據(jù)中心最大的問題就是耗電量巨大,少則幾千千瓦,多則幾萬千瓦,大型數(shù)據(jù)中心每年消耗幾億度電。而所有的數(shù)據(jù)中心都是由UPS系統(tǒng)進行供電。根據(jù)IT設備廠商要求,IT設備需用UPS供電。因為UPS保證了電源質(zhì)量,可以消除市電中的各種高頻雜波、電壓浪涌、陷落、瞬間斷電等電力*對信息設備的危害,保證信息網(wǎng)絡時刻安全運行。而UPS和負載的大量應用導致數(shù)據(jù)中心的耗電量居高不下。
供電系統(tǒng)首先是提供足夠的容量,數(shù)據(jù)中心每小時用幾萬度電都是正常的,數(shù)據(jù)中心越大耗電量越大;其次要求可靠性非常高,數(shù)據(jù)中心第一要點就是高可靠性,然后才能談節(jié)能。實現(xiàn)高可靠性,一是靠供電電網(wǎng)本身保障,二是靠UPS和柴油發(fā)電機提供不間斷的電源。
從可靠性方面看,人們的顧慮是在飛輪的持續(xù)時間上。對于大型數(shù)據(jù)中心來說,飛輪UPS可以提供15s的保障時間,這個過程可以保證柴油發(fā)電機正常起動,保持數(shù)據(jù)中心電源不間斷。我相信未來會有更多的飛輪UPS應用到模塊數(shù)據(jù)中心或者集裝箱式數(shù)據(jù)中心。在國外的數(shù)據(jù)中心也有采用飛輪UPS進行供電,在國內(nèi)還需要一些具體的經(jīng)驗與數(shù)據(jù)。
張乃國,清華大學信息科學技術(shù)學院副教授。中國電源學會交流電源專業(yè)委員會顧問。主要研究方向為電力電子技術(shù)和UPS技術(shù)。在專業(yè)學報和技術(shù)刊物上曾發(fā)表60余篇有關(guān)文章,著書20余冊,曾取得10多項科研成果。
作為電力電子行業(yè)專家,請您談談磁懸浮飛輪UPS技術(shù)和應用前景好嗎?
張乃國:當前在我國通信、金融、電力、交通、教育和政府等部門的機房或數(shù)據(jù)中心廣泛采用的是用半導體器件構(gòu)成的靜止式UPS供電系統(tǒng)。為了防止市電故障或者突然中斷造成的損害，一般是利用蓄電池作為后備電源。具體辦法是:當市電中斷時將蓄電池儲存的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，供電給負載，使負載不間斷運行。
早在上世紀60年代就有飛輪儲能技術(shù)的應用,但由于種種原因一直沒有突破性的進展。直到上世紀90年代,由于電路拓撲技術(shù)的發(fā)展、碳纖維材料的廣泛應用,以及全世界范圍對電池污染的日益重視,這種儲能方式又重新燃起了人們的研發(fā)熱情,得到快速的發(fā)展。近年來,由于以下三方面的突破,給飛輪儲能帶來了新的活力:一是高強度碳素纖維和玻璃纖維的出現(xiàn),提高了飛輪的轉(zhuǎn)速,大大增加了單位質(zhì)量的動能儲量;二是電力電子技術(shù)的新進展,給飛輪電機與系統(tǒng)的能量交換提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ);三是電磁懸浮+超導磁懸浮技術(shù)的發(fā)展,配合真空技術(shù),極大地降低了機械摩擦與風力的損耗。飛輪UPS顯示出更加廣闊的應用前景,迅速從實驗室走向社會。目前,飛輪UPS逐漸被業(yè)界人士所認知。
在國內(nèi)市場,近兩年引進的飛輪式UPS,徹底改變了UPS供電系統(tǒng)中利用鉛酸蓄電池進行儲能的方式,創(chuàng)造性地采用真空懸浮式的飛輪儲能技術(shù)取代了蓄電池。簡單地說,在市電正常時,由市電給負載供電,同時使電動機帶動兩百公斤重的飛輪在真空中旋轉(zhuǎn);一旦市電中斷,由飛輪利用其慣性能量帶動發(fā)電機(與上述電動機是一個電機)發(fā)電,這個時間完全可以使柴油發(fā)電機起動并達到穩(wěn)定運行,從而實現(xiàn)了不間斷供電。
可見,這種解決方案是用飛輪取代了大量蓄電池,而且飛輪設備對于環(huán)境溫度的要求不高,從而節(jié)約了大量的空調(diào)制冷設備和電力消耗。這里的蓄電池一般是鉛酸蓄電池，大家知道，重金屬鉛和硫酸都是污染環(huán)境的原材料，現(xiàn)在我國政府號召電池生產(chǎn)廠家回收廢電池，但是許多電池在邊遠和高山地區(qū)應用,很難運輸，只好丟棄在各地，對當?shù)氐沫h(huán)境造成了嚴重的污染。
從上述不用蓄電池和大量節(jié)省空調(diào)設備兩個方面計算,就可以節(jié)約大量的運營成本和CO2的排放,是綠色環(huán)保的好產(chǎn)品,應當大力推廣。
王鴻藻,石油勘探開發(fā)科學研究院高級工程師。長期從事電氣自動化專業(yè)的工作以及電機生產(chǎn)與科研工作。從事UPS技術(shù)工作20余年,曾發(fā)表多篇有關(guān)文章?，F(xiàn)為本刊編委。
王老師,您作為UPS行業(yè)專家,請您談談傳統(tǒng)UPS面臨的問題以及磁懸浮飛輪UPS的主要工作原理。
王鴻藻:UPS的應用已經(jīng)有幾十年的歷史了,UPS的技術(shù)發(fā)展變化也是很大的。但是無論UPS怎樣變化,一般都離不開蓄電池。因而人們認為沒有蓄電池的UPS就不能稱之為UPS。其實這種看法是片面的。
當前在UPS供電系統(tǒng)中大量使用蓄電池,也帶來一些問題:蓄電池在制造和再生恢復的生產(chǎn)過程中,造成對環(huán)境的污染。蓄電池是UPS供電系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié),其故障率是最高的,70%以上UPS系統(tǒng)的故障是由蓄電池造成的。輕則不能放電,重則蓄電池著火,都會造成重大損失。蓄電池系統(tǒng)運行成本高,主要有兩點:一是蓄電池壽命短,更換周期短;二是蓄電池對環(huán)境溫度要求較苛刻,導致空調(diào)耗電費用高。另外蓄電池組的擺放需要占用較大的空間。
飛輪UPS就是要擺脫使用蓄電池的問題,是一種應運而生的新型UPS。它是用飛輪儲能,在無市電時,將飛輪儲存的能量釋放出來,轉(zhuǎn)換為電能,給逆變器供電,使得逆變器能夠繼續(xù)供電一段時間,這就代替了蓄電池。
飛輪式UPS的核心部件是飛輪裝置,飛輪可以理解為是一個電動機/發(fā)電機裝置。在有市電時,它是由逆變器給電磁線圈供電，使之成為一個電動機，懸浮的飛輪在真空中高速旋轉(zhuǎn)，達到7700轉(zhuǎn)/分。在沒有市電時,它是由高速旋轉(zhuǎn)的飛輪釋放能量，成為一個發(fā)電機給逆變器供電。因而整個UPS繼續(xù)運行向負載供電達到不間斷電源的要求。
目前人們對于飛輪式UPS還有一些疑慮,飛輪給逆變器送電,逆變器繼續(xù)供電,能夠維持多長時間呢?按負載滿載計算,可以供給15s。這短短的15s夠用嗎?這就決定于供電電源系統(tǒng)。一般UPS供電系統(tǒng)的電源至少有兩路,備用一路可能是另外一路電源,也可能是柴油發(fā)電機組。如果是另外一路電源,用ATS自動轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時間也就1s左右,飛輪的備用時間足夠。若備用一路是柴油發(fā)電機組,從柴油發(fā)電機起動到逆變器跟蹤同步鎖相投入,也不超過12s,所以15s的備用時間也足夠了?？梢圆槐赜刑囝檻]。
磁懸浮式飛輪儲能UPS的性能也是比較先進的。其輸出電壓穩(wěn)定度、過載能力、輸入電流諧波含量、輸入功率因數(shù)等指標也是先進的,另外,其效率和占地面積等指標也是很好的,可以稱之為綠色電源。
磁懸浮式飛輪儲能UPS可以并聯(lián)運行,特別適合于大容量的系統(tǒng)運行。在大型IT系統(tǒng)、工業(yè)自動控制系統(tǒng)、制造業(yè)等都有很多應用案例。在這些領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的發(fā)展前途。據(jù)悉,目前,谷歌、微軟、雅虎等國際知名公司均已采用磁懸浮式飛輪儲能UPS系統(tǒng)。它融合了最新的磁懸浮技術(shù)、電力電子技術(shù)、新材料技術(shù)、真空技術(shù),進一步減小了運行能量損耗。作為一種新型的電能儲存方式,它與傳統(tǒng)蓄電池相比所具有的優(yōu)勢和市場潛力,引起人們的高度關(guān)注。
在當今的UPS供電系統(tǒng)中,常用的是兩路電源加柴油發(fā)電機的電源系統(tǒng),兩路UPS雙母線供電系統(tǒng)。使用飛輪式UPS更加可靠,它將會有更廣泛的應用。
張振毅,航天科技集團710研究所高級工程師。長期從事柴油發(fā)電機組的研究與技術(shù)工作,具有深厚的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗?，F(xiàn)為中國電源學會交流電源專業(yè)委員會委員,本刊編委。
張老師,請您對飛輪式UPS的應用領(lǐng)域、工作方式及市場前景進一步加以分析。
張振毅:同步發(fā)電機和電動機(在飛輪式UPS技術(shù)的翻譯文稿中,亦譯作同步補償機)共用一個特制的轉(zhuǎn)子，它不僅具有發(fā)電機轉(zhuǎn)子和電動機轉(zhuǎn)子應有的磁電功能，而且更具有高速轉(zhuǎn)動的飛輪的功能?？煞Q其為:轉(zhuǎn)子—飛輪。將這樣的同步發(fā)電機與電動機制作成一體，就是飛輪式UPS的基本構(gòu)成。飛輪質(zhì)量大，其外形與材質(zhì)都使其具有良好的磁電轉(zhuǎn)換性能。它轉(zhuǎn)動得越快則獲得的動能和慣性越大，因而是動態(tài)UPS的能量轉(zhuǎn)換核心。
有時,電能通過動態(tài)UPS內(nèi)的輔助電路,一路直接供給負載,一路輸向同步發(fā)電機/電動機。電動機勵磁繞組產(chǎn)生的交變磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子—飛輪高速旋轉(zhuǎn),為使其得到最大的動能,轉(zhuǎn)速通常在每分鐘5000轉(zhuǎn)到8000轉(zhuǎn)。市電突然中斷,則轉(zhuǎn)子—飛輪依靠已有的動能慣性地繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。其磁場使得同步發(fā)電機的電樞繞組輸出電能,通過輔助電路使用電設備得以不間斷供電。
然而,畢竟轉(zhuǎn)子—飛輪儲備的動能是有限的。如果單獨用飛輪UPS做不間斷供電,則其標準動能緩沖時間(相當于靜態(tài)UPS的后備支持時間)與其所帶的負載量有很大的關(guān)系。一般負載量為100%時,其后備時間為15s;75%負載時,后備時間為20s;50%負載時,后備時間為30s;25%負載時,后備時間為56s。這與利用蓄電池作為儲能設備的普通靜態(tài)UPS相比,其延遲(后備)時間太短。
飛輪UPS是依靠機械裝置儲能及能量轉(zhuǎn)換,所以從成本和市場競爭力考慮,其容量不可能制造得太小。常見的輸出功率在200～1600kVA左右。這就限制了飛輪UPS的適用范圍。
而在電力、化工、能源、大型數(shù)據(jù)中心等負載量較大的行業(yè)領(lǐng)域,飛輪UPS的優(yōu)越性就尤為突出。它完全摒棄了大容量、大數(shù)量的蓄電池組。既可節(jié)省機房面積又可減少維護工作量,還有利于環(huán)保節(jié)能。雖然飛輪UPS在100%負載情況下,僅能支撐15s。但這點時間已經(jīng)可以滿足現(xiàn)代柴油發(fā)電機組從起動到輸出電壓穩(wěn)定之所需。
至于飛輪UPS的市場前景,我認為飛輪UPS成套性比較完整,都采用了業(yè)界先進的機電一體化技術(shù)和智能調(diào)控系統(tǒng)。以其500kVA的飛輪UPS單機與延時15min500kVA普通靜態(tài)UPS單機的市場價格相比;兩者并無太大的差異。而從長遠上看,飛輪UPS的可靠性、可用性、環(huán)保效益是最佳選擇的考慮因素。因此,在大功率UPS市場中,飛輪UPS的前景是十分明朗的。
飛輪UPS雖不是新生事物,甚至可以說是靜態(tài)UPS的鼻祖。然而它與現(xiàn)代科技結(jié)合后以嶄新的面貌重新展現(xiàn)出來,為高端大功率不間斷電源系統(tǒng)的建設提供了新鮮的元素。
