磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)動(dòng)態(tài)UPS
磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)一般是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪鐵芯作為機(jī)械能量的存儲(chǔ)介質(zhì),飛輪等器件都被密封在一個(gè)密閉的真空容器內(nèi),以有效地避免空氣阻力的影響,同時(shí)為了降低飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的損耗,提高飛輪的轉(zhuǎn)速和儲(chǔ)能的效率,在飛輪儲(chǔ)能裝置內(nèi)使用磁懸浮技術(shù)對(duì)飛輪加以控制,并利用電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)來(lái)控制電能的輸入和輸出。圖10即為磁懸浮飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能裝置相當(dāng)于一臺(tái)電動(dòng)機(jī),它將外界輸入的電能通過(guò)電力電子裝置驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn),由此將電能轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能(即機(jī)械能)儲(chǔ)存起來(lái)。在正常待機(jī)時(shí)ACTIVEPOWER飛輪的轉(zhuǎn)速可達(dá)到7700r/min。
在市電異常或停電的情況下磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置就轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)。當(dāng)外界需要電能時(shí),飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能就轉(zhuǎn)化為電能,再通過(guò)電力電子裝置轉(zhuǎn)化成各種負(fù)載所需要不同頻率和不同電壓等級(jí)的電能,輸送到外部負(fù)載,以滿足不同負(fù)載的要求。
一旦市電恢復(fù)正常,市電則立即給磁懸浮飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行“充電”,使飛輪的轉(zhuǎn)速又回復(fù)到7700r/min。圖11表示的是CTIVEPOWER動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能UPS系統(tǒng)的構(gòu)成情況。
當(dāng)市電正常時(shí),市電通過(guò)自動(dòng)切換開關(guān)進(jìn)入濾波補(bǔ)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(fù)載的電壓波是高質(zhì)量的。一旦市電故障或異常,自動(dòng)切換開關(guān)就斷開市電并送出柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)命令,同時(shí)率波補(bǔ)償柜一方面給增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)啟動(dòng)模塊用之發(fā)電機(jī)發(fā)電也同時(shí)接通柴油發(fā)電機(jī)的24V起動(dòng)電池啟動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。在這里需要說(shuō)明的是柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)和增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)啟動(dòng)模塊不是同一個(gè)裝置,它是磁懸浮飛輪發(fā)電機(jī)。對(duì)該系統(tǒng)的整個(gè)工作由系統(tǒng)標(biāo)配的監(jiān)控軟件來(lái)監(jiān)控和分析。圖12(a)為ACTIVEPOWER市電故障時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)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(jī)起動(dòng)信號(hào),一般柴油發(fā)動(dòng)機(jī)5s就可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù),到7.5s時(shí)柴油發(fā)電機(jī)已經(jīng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù),但此時(shí)儲(chǔ)能飛輪的轉(zhuǎn)數(shù)尚未降到和柴油發(fā)電機(jī)同步的程度,所以柴油發(fā)電機(jī)此時(shí)處于空轉(zhuǎn)等待狀態(tài),大概等待1s左右儲(chǔ)能飛輪的轉(zhuǎn)數(shù)和柴油發(fā)電機(jī)同步了,即柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率和相位與磁懸浮飛輪發(fā)電機(jī)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(fù)載供電就就由柴油發(fā)電機(jī)來(lái)代替了,這整個(gè)過(guò)程必須在15s以內(nèi)完成,一直到市電恢復(fù)。
圖12(b)給出了更容易理解的電路原理圖。當(dāng)市電正常時(shí),市電通過(guò)輸入斷路器Q1、靜態(tài)開關(guān)S1和扼流圈L1進(jìn)入,并通過(guò)輸出斷路器Q2送到負(fù)載。其中扼流圈L1濾除輸入端帶來(lái)的干擾,L2一路是磁懸浮飛輪發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓經(jīng)一系列變換后的輸出電壓對(duì)經(jīng)L1后電壓波形失真進(jìn)行補(bǔ)償,把高質(zhì)量的電壓輸送到負(fù)載。市電故障或異常時(shí)它又擔(dān)負(fù)著15s后備時(shí)間的任務(wù)。
從圖12(b)中也可以看到該系統(tǒng)也配備了自動(dòng)旁路和維修旁路。
圖13示出的儲(chǔ)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(diǎn):
1、瞬時(shí)大功率、快速充放電、毫秒級(jí)響應(yīng)速度并且放電倍率高;
2、使用壽命長(zhǎng):飛輪儲(chǔ)能不受重復(fù)深度放電的影響,能夠運(yùn)行上千萬(wàn)次,理論壽命超過(guò)20年;
3、工作范圍寬:對(duì)環(huán)境溫度沒有嚴(yán)格要求,無(wú)需建設(shè)空調(diào)機(jī)房;
4、能量轉(zhuǎn)換效率高:電能動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換效率高于98%,儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合效率約95%以上;
5、低損耗、低維護(hù):磁懸浮和真空環(huán)境使機(jī)械損耗可以被忽略,系統(tǒng)維護(hù)周期長(zhǎng);
6、可精確測(cè)量和控制:飛輪儲(chǔ)能可精確測(cè)量轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?gòu)亩_推算出“剩余電量”,實(shí)現(xiàn)精確控制;
7、安全可靠無(wú)污染:飛輪儲(chǔ)能98%以上的材料都是鋼材,無(wú)化學(xué)物質(zhì)釋放,無(wú)化學(xué)爆炸等安全隱患,從生產(chǎn)到應(yīng)用的整個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)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(shí)際工作中,有的要求飛輪的轉(zhuǎn)速高達(dá)40,000～50,0000r/min,一般金屬制成的飛輪無(wú)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(qiáng),進(jìn)一步減少了整個(gè)系統(tǒng)的重量,同時(shí),為了減少充放電過(guò)程中的能量損耗(主要是摩擦力損耗),電機(jī)和飛輪都使用磁軸承,使其懸浮,以減少機(jī)械摩擦;同時(shí)將飛輪和電機(jī)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(dá)到95%左右。
上面介紹的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域:航空、航天、石油、光復(fù)電站電站、風(fēng)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(chǔ)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(yīng)急發(fā)電車引入了飛輪儲(chǔ)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(chǔ)能UPS在數(shù)據(jù)中心的使用情況。
綜上所述,對(duì)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(shì).它們使整機(jī)效率、單機(jī)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(wú)需配置電池組而大大減少,UPS的維護(hù)工作量減輕了,也減少了機(jī)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(wú)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(guó)、歐洲和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的某些半導(dǎo)體芯片廠和軍用系統(tǒng)中得到了較多的應(yīng)用。近年來(lái),它也日益引起國(guó)人的關(guān)注。
（來(lái)源：《數(shù)據(jù)中心建設(shè)+》雜志）
