1 前言

　　現代信息社會，對于信息時效性要求極高，一旦信息中斷，會帶來不可估量的直接經濟 損失和社會負面影響。近年來，電信運營商、大型數據中心、政府重要部門及大型生產企業 等單位， 對正常的電力保障供應要求越來越高， 因而對于為機房設備及生產設備提供的 UPS 電源系統(即不間斷電源系統)保障的要求越來越苛刻。因此，要求必須提供 365*24 小 時連續不斷的、可靠、安全、高效的電力供應保障。

　　傳統 UPS 電源系統利用了化學蓄電池儲能技術，即利用化學蓄電池作為電能的儲存裝 置，而化學蓄電池存在著諸如占地面積大、故障率高、維護周期密集、維護成本高、使用壽 命短、 受充放電次數的限制， 對環境的污染嚴重以及對工作溫度及其它工作環境指標要求高 等問題。由于人們現在對節能減排的要求，對環境保護的要求，及對化學蓄電池性能特點的 要求不斷提高，在許多領域中，人們已經不能接受化學蓄電池的弊端，而逐漸將目光放在更 加先進的儲能技術方式上，以替代傳統的化學蓄電池儲能技術。

　　如何在取消傳統化學蓄電池的使用而使 UPS 電源系統更加安全可靠?如何取消傳統化 學蓄電池的使用而使 UPS 電源系統更加環保、節能、低耗?如何取消傳統化學蓄電池的使 用而使 UPS 電源系統的投入費用和運行維護費用更加節省同時還能夠節省大量的占地空 間?這些是擺在 UPS 電源系統使用者和 UPS 電源系統制造商面前的新課題。

　　在這種新形勢下，美國 Active Power 公司采用了無需傳統化學蓄電池、綠色環保的磁 懸浮飛輪儲能技術，使 UPS 電源系統的體積大大減小，可靠性、安全性大大提高。這樣既 能夠滿足客戶對 UPS 電源系統整體解決方案的要求，也能滿足客戶對移動性的要求，填補 了市場的空白，成為了市場的新寵。下面我們就處于國際領導地位的美國 Active Power 公司的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統為大家做一個詳細的介紹：

　　2 免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統工作原理

　　磁懸浮飛輪儲能技術是一種技術上更為先進， 成熟， 應用前景廣闊并有很大市場發展潛 力，綠色環保的電能存儲技術。磁懸浮飛輪儲能技術已經越來越受到人們的重視，越來越廣 泛地應用于國內外的許多行業中。

　　雖然目前化學蓄電池儲能技術已經發展得非常成熟，同時也為 UPS 電源行業做出了巨 大的貢獻，但是，隨著技術上的不斷革新，隨著 UPS 電源使用者對 UPS 電源可靠性和可用 性等要求的不斷提高，化學蓄電池作為 UPS 電源的儲能裝置在使用過程中逐漸暴露出了很多問題。據業界統計，UPS 電源的故障 70%是由化學蓄電池所引起的。我們大家知道，發電機啟動是靠幾節化學蓄電池提供啟動電流的，而發電機啟動失敗，90%也是由于化學蓄電池所引起。化學蓄電池存在著諸如占地面積大、故障率高、維護周期密集等等的問題，它已經成為傳統化學蓄電池式 UPS 電源供電系統中最不可靠的 3 個部分之一。

　　以上提到的種種問題已經越來越受到 UPS 電源使用者和 UPS 電源制造商的廣泛關注和 重視。因此，針對以上提到的問題，美國 Active Power 公司利用了磁懸浮飛輪儲能技術替代了傳統的化學蓄電池儲能技術為客戶的關鍵應用系統提供最可靠、最環保的優質電力。

　　(1)磁懸浮飛輪儲能技術工作原理

　　磁懸浮飛輪儲能技術是以高速旋轉的飛輪鐵芯作為機械能量儲存的介質，飛輪等器件被 密閉在一個真空容器內，大大減少了風阻，同時為了減少運轉時的損耗，提高飛輪的轉速和飛輪儲能裝置的效率， 在飛輪儲能裝置內部使用磁懸浮技術對飛輪加以控制， 并利用電動機 /發電機和能量轉換控制系統來控制電能的輸入和輸出。圖 1 為磁懸浮飛輪儲能裝置的結構示意圖。

　　圖 1：磁懸浮飛輪儲能裝置的結構示意圖

　　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，其將外界輸入的電能，通過電力電子裝置驅動飛輪轉動，由此將電能轉化為飛輪轉動的動能(機械能)儲存起來，在正常待機時，使飛輪的轉速達到 7700 轉/每分鐘。

　　在市電異常或停電的情況下，磁懸浮飛輪儲能裝置相當于一臺發電機，當外界需要電能時，飛輪轉動的動能轉化為電能，再通過電力電子裝置變成不同負載所需要的不同頻率、不 同電壓等級的電能，輸出到外部負載，以滿足不同負載的需求。

　　一旦市電恢復正常，則立即對磁懸浮飛輪儲能裝置進行“充電”，使飛輪的轉速達到 7700 轉/每分鐘。

　　(2)免蓄電池磁磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統工作原理

　　免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統是一種采用磁懸浮飛輪儲能技術，在線互動式 的 UPS 電源系統。圖 2 為免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統工作原理框圖。

　　在市電正常的情況下，直接由市電向負載供電，同時利用飛輪裝置儲存能量;在市電偏 低或偏高的情況下，通過 UPS 內部穩壓線路穩壓后向負載供電。

　　在市電異常或停電的情況下，UPS 將儲存在飛輪里的機械能轉化為電能，向外界負載供電，同時在規定時間內，轉為后備發電機向外界負載供電。一旦市電恢復正常，則立即切 換到市電向外界負載供電。

　　免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS 電源系統提供電壓控制、停電保護以及瞬間斷電保護等 等功能，提供良好的穩定的電源，能在關鍵負載、電網電壓下降、波動或停電情況下進行相應的保護。

　　圖 3：免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統工作連接框圖

　　(3)GenSTART 產品介紹

　　在圖3 的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統工作連接框圖中可以看到，在UPS 電源系統和柴油發電機之間有一個GenSTART 產品(可選配置)，叫做增強型發電機啟動模塊，它相當于一個整流設備，從UPS 電源系統獲得一個交流的能量，為柴油發電機提供高達1725 安培( 24 VDC )的備份用的啟動電流，這樣與原有負責柴油發電機啟動的蓄電池組提供的啟動電流形成啟動電流 1+1 的冗余備份關系，因此提高了油機自動啟動的可靠性，從而大大提高了油機供電系統以及整個供電系統的可靠性和安全性。通過在 UPS 電源系統和柴油發電機之間加裝 GenSTART 產品，可以提高柴油發電機啟動成功率達到50 倍。

　　3 免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS 電源系統特點和優勢

　　(1)高可靠性、高安全性

　　高可靠性、對于UPS 的使用者來講，最重要的莫過于UPS 的可靠性和安全性。 免蓄電池磁懸浮飛 輪儲能 UPS 電源系統的高可靠性和高安全性主要體現在以下幾個方面：

　　① 飛輪儲能 UPS 電源系統是一種在線互動式的 UPS 電源系統，與傳統蓄電池式 UPS電源系統相比，飛輪儲能 UPS 電源系統的設計理念更為簡單、實用、有效。傳統蓄電池式 UPS 電源系統要不斷的通過整流器和逆變器轉換電能，因此易造共用點的故障，降低了系統的可靠性。而飛輪儲能 UPS 電源系統是一種在線互動式的 UPS 電源系統，它不僅大大提高了UPS 電源系統整機效率，而且通過相應技術先進的自動穩壓和濾波電路能夠保證為負 載提供穩定而純凈的交流電，從而大大提高了整個供電系統的可靠性和安全性;

　　② 飛輪儲能 UPS 電源系統采用無蓄電池儲能技術。目前，傳統蓄電池式 UPS 電源系統最大的薄弱環節就是蓄電池組，據統計，在傳統蓄電池式 UPS 電源系統返修的過程當中，UPS 故障 70%由蓄電池引起。而飛輪儲能 UPS 電源系統采用創新的免蓄電池磁懸浮飛輪 綠色儲能技術， 免去了傳統蓄電池式 UPS 電源系統因蓄電池而帶來的不可靠性和不穩定性， 因此大大提高了供電系統的可靠性和安全性;

　　③ 飛輪儲能 UPS 電源系統工作壽命長達 20 年，在工作壽命期間系統工作是穩定、可靠而安全的;

　　④ 飛輪儲能 UPS 電源系統采用集整流和逆變于一體的 IGBT 裝置，其平均故障間隔時間(MTBF)達65 年，正是通過選擇這種高可靠性的器件，從而大大提高了飛輪儲能UPS 電源系統的可靠性;

　　⑤ 飛輪儲能 UPS 電源系統有著強大的瞬間斷電保護能力。當市電輸入出現斷點時，由于飛輪儲能UPS 電源系統內的飛輪是在線運行狀態，此時高速旋轉的飛輪立刻轉入發電 機工作輸出狀態，向負載進行供電，因此輸出并沒有出現斷點，完全滿足了不間斷供電。當市電輸入頻繁出現市電斷點時，反復的對飛輪儲能裝置進行充放電， 對飛輪儲能裝置不會產生任何的影響。而對于傳統蓄電池式 UPS 電源系統來講，當市電輸入頻繁出現斷點時，蓄 電池會頻繁的處于充放電狀態，這樣大大降低了蓄電池的性能和使用壽命。所以飛輪儲能 UPS 電源系統對瞬間斷電起到了良好的保護作用，大大提高了整個供電系統的可靠性和安 全性;

　　⑥ 飛輪儲能 UPS 電源系統自動穩壓功能強大。輪儲能 UPS 電源系統內部的自動穩壓調整電路，可以在市電輸入+/-15%的變化范圍內，UPS 電源系統輸出穩定到+/-1%。這樣，我們能夠保證在交流輸入不穩定的情況下，保證向負載提供穩定而可靠的電力;

　　⑦飛輪儲能 UPS 電源系統濾波功能強大。系統內部采用有源動態濾波器，既能夠有效的防止電網干擾，避免市電諧波對負載和 UPS 電源系統產生影響，也能夠有效消除負載 和 UPS 電源系統自身產生的諧波，使其不污染電網。

　　(2)高可用性

　　① 高效率、低能耗。飛輪儲能 UPS 電源系統采用在線互動式 UPS 的設計方式，使系統效率達到 98%，尤其在輕載(20%～30%)環境下，也能夠達到 96%以上的系統效率，由于其系統效率很高， 所以較之傳統蓄電池式 UPS 電源系統大大節省了UPS 運轉耗電量;

　　② 功率因數高。0.99 的高輸入功率因數，對電網有功功率的吸收能力強，對電網影響的程度輕，有效利用電網效能，減少無功損耗，節約電能，降低電網的諧波污染及空間 輻射干擾，輸出功率因數達到 0.9，有著很強的帶載能力;

　　③ 系統采用高集成度模塊化設計、可擴容，支持N+X 冗余備份連接，單機支持

　　120-1500kVA 的配置，提供 N+X 冗余備份連接技術，通過并聯方式單系統容量最大可至 3MVA;

　　④ 完善的自動本地與遠程監控。支持干節點、MODEM、RS-232/485 接口、以太網&SNMP 等監控方式;系統可選的監控軟件為操作員提供了與飛輪儲能 UPS 電源系統進 行人機對話的界面，允許操作者啟動和停止 UPS，改變運行參數和操作模式，顯示系統錯 誤和遙測數據。可實時監控如下信息：輸入輸出電壓，功率因素，輸出電流，飛輪溫度、線 圈溫度、軸承溫度、軸承壓力、飛輪速率，放電數量、真空度等。對市電、柴油發電機組， UPS，切換柜供電狀況實時進行監控;并可將故障以短信方式、撥電話號碼、上網發郵件等 方式自動匯報給用戶的運行維護人員，實現完善的故障回報功能;

　　⑤ 適應極其惡劣的工作環境。設備正常運行溫度范圍：–20°C ～50°C 之間;

　　⑥ 系統噪音低：在一米內小于 70dbA;

　　⑦ 過載能力強：1000%額定負載 / 10 毫秒、500%額定負載 / 1 秒、200%額定負載 / 30 秒、125%額定負載 / 10 分鐘;

　　⑧ 安裝簡單、維護方便;

　　⑨ 節省空間，占地面積小。最高節省 75%的占地面積(同等功率)，只相當于傳統蓄電池式 UPS 電源系統 1/4 的占地面積。

　　綜上所述，以上的這些性能指標，保障了 UPS 電源系統的高可用性。

　　(3)高經濟性

　　① 面積的節省給用戶帶來的獲利：飛輪儲能 UPS 電源系統占地面積小，較之傳統蓄電池式 UPS 電源系統最高節省 75%的占地面積(同等功率)，按 IDC 機房年租金 12 萬元人民幣/㎡的價格估算 (北京地區) 如果飛輪儲能 UPS 電源系統和傳統蓄電池式 UPS 電源系統額定容量同為 500KVA，那么從用戶在 IDC 機房年租金的獲利這方面來講，每年大約能夠為用戶獲利 134 萬元人民幣左右;

　　② 節省電費：飛輪儲能UPS 電源系統效率達到 98%，大大節省了UPS 運轉耗電量，按 1 元人民幣/kWh 的價格估算，如果飛輪儲能 UPS 電源系統和傳統蓄電池式 UPS 電源系統額定容量同為 500KVA， 那么每年大約能夠為用戶節省用電量 50 萬度左右， 即每 年大約能夠為用戶節省電費 50 萬元人民幣左右，即每年大約節省 200 噸左右標準煤的消 耗，即每年大約能夠減少二氧化碳排放量 500 噸左右;

　　③ 購買空調投入成本和空調運轉成本的節省：由于飛輪儲能 UPS 無需加裝空調系統進行散熱， 因此節省了用戶對于空調系統的投入資金; 如果分析空調系統運轉所需要的電 能，通過長時間的系統運轉就能切實的體會到飛輪儲能 UPS 的節能效應;

　　④ 運維費用的節省：由于傳統蓄電池式 UPS 電源系統中的蓄電池部分維護周期密集，故障率高，如果計算購買檢測蓄電池的儀器儀表的成本費用;檢測人員的人工成本費用 (日常);更換部分蓄電池的成本費用(不定期);更換整組蓄電池的成本費用(每隔 3～ 5 年或不定期)，那么傳統蓄電池式 UPS 電源系統的維護成本很高，而飛輪儲能 UPS 電源 系統在 20 年的使用壽命期間，維護量很小，從而產生的運行維護費用較之傳統蓄電池式 UPS 電源系統會大大減少。

　　(4)可維護性

　　飛輪儲能UPS 電源系統維護方便，后期給運維部門和運維人員的壓力和工作量很小，只需要以下的維護：

　　① 每隔 3～6 個月，清洗空氣濾網一次;

　　② 每隔 3～5 年，更換飛輪軸承一次，現場更換只需 30 分鐘;

　　③每隔 1 年，更換真空泵機油一次，現場更換只需 5 分鐘。

　　(5)高環保性

　　飛輪儲能 UPS 電源系統綠色環保， 采用無蓄電池儲能技術： 傳統蓄電池式 UPS 電源系 統中的蓄電池部分對環境的污染嚴重和腐蝕問題難以避免， 二氧化碳排放量十分巨大; 而飛 輪儲能 UPS 電源系統綠色環保，對環境沒有污染，效率高，能耗低，大大減少了發電廠二 氧化碳的排放量。隨著當今社會人們環保意識的不斷增強，在許多領域中，人們已經不能接 受化學蓄電池的弊端，而逐漸將目光放在了更加先進的無蓄電池綠色飛輪儲能方式上了。

　　綜上所述， 與傳統蓄電池式 UPS 電源系統相比，飛輪儲能 UPS 電源系統有著很多優勢。這些優勢包括：節省空間、安裝成本低廉、節約運轉耗電量、不使用空調系統、不使用危害 環境的蓄電池、 減少施加在機房上的結構重量、不存在與發電機的兼容性問題、可靠性更高， 無需支付更換蓄電池的巨大費用等等。

　　4 免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統的主要電氣性能指標

　　(1)輸入

　　①輸入電壓：380/400/415 VAC，3 相+中線;

　　② 輸入電壓可變范圍：±15%;

　　③ 輸入功率因數 ≥0.99; 輸入電流諧波失真 ：100%線性負載時<3%;

　　④100%非線性負載時<8%;

　　⑤輸入頻率：50Hz±10%。

　　(2)輸出

　　① 輸出電壓： 380/400/415 VAC，3 相+中線;

　　② 輸出電壓穩定精度 ：±1%;

　　③ 輸出頻率： 50Hz±0.2%;

　　④輸出電壓波形失真 ：100%線性負載時<3%;100%非線性負載時<5%;

　　⑤系統效率： 98%;

　　⑥ 輸出功率因數 ：0.9;

　　⑦過載能力： 1000%負載 / 10 毫秒;500%負載 -/1 秒;200% -/30 秒;125%負載 -/10 分鐘。 】

　　(3)環境指標

　　① 噪音： 在一米之內<70dB(A);

　　② 正常運行溫度范圍 ：-20℃～50℃;

　　③ 相對濕度： 0%至 95%，不結露;

　　④工作海拔：1000 米(不降低額定值情況下)。

　　5 系統應用介紹

　　2007 年 9 月 30 日由北京泰萊克信息系統技術開發有限公司總代理的美國 Active Power 公司的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統已成功在中國網通(集團)山西省通 信公司太原第二樞紐樓開通運行，運行穩定，效果良好。該電源系統圖片見附錄。

　　6 結語

　　隨著我國對節能減排工作的重視程度不斷提高， 隨著當今社會人們節約資源意識和環保 意識的不斷增強， 在許多領域中人們已經不能夠接受化學蓄電池的弊端， 而逐漸將目光放在 技術更為先進的儲能方式上。

　　我們相信， 隨著 UPS 技術的不斷革新， 隨著 UPS 行業的發展， 隨著 UPS 使用者對 UPS 可靠性和可用性等要求的不斷提高，這種技術更先進、高可靠、高品質、節能減排、高效低 耗、綠色環保的最新一代免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 產品必將在中國通信運營商、大型 數據(物流)中心、石油石化、銀行、政府、醫療、電子、大型工礦企業、民航、軍隊等行 業得到廣泛和大量的應用。

　　附錄： 山西網通太原第二樞紐樓動力機房運行的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能 UPS 電源系統。