1 前言
現(xiàn)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(jīng)濟損失和社會負面影響。近年來,電信運營商、大型數(shù)據(jù)中心、政府重要部門及大型生產(chǎn)企業(yè)等單位,對正常的電力保障供應(yīng)要求越來越高,因而對于為機房設(shè)備及生產(chǎn)設(shè)備提供的UPS電源系統(tǒng)(即不間斷電源系統(tǒng))保障的要求越來越苛刻。因此,要求必須提供365*24小時連續(xù)不斷的、可靠、安全、高效的電力供應(yīng)保障。
傳統(tǒng)UPS電源系統(tǒng)利用了化學蓄電池儲能技術(shù),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(shù)的限制,對環(huán)境的污染嚴重以及對工作溫度及其它工作環(huán)境指標要求高等問題。由于人們現(xiàn)在對節(jié)能減排的要求,對環(huán)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(lǐng)域中,人們已經(jīng)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(shù)方式上,以替代傳統(tǒng)的化學蓄電池儲能技術(shù)。
如何在取消傳統(tǒng)化學蓄電池的使用而使UPS電源系統(tǒng)更加安全可靠?如何取消傳統(tǒng)化學蓄電池的使用而使UPS電源系統(tǒng)更加環(huán)保、節(jié)能、低耗?如何取消傳統(tǒng)化學蓄電池的使用而使UPS電源系統(tǒng)的投入費用和運行維護費用更加節(jié)省同時還能夠節(jié)省大量的占地空間?這些是擺在UPS電源系統(tǒng)使用者和UPS電源系統(tǒng)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(tǒng)化學蓄電池、綠色環(huán)保的磁懸浮飛輪儲能技術(shù),使UPS電源系統(tǒng)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(tǒng)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(lǐng)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(tǒng)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(tǒng)工作原理
磁懸浮飛輪儲能技術(shù)是一種技術(shù)上更為先進,成熟,應(yīng)用前景廣闊并有很大市場發(fā)展?jié)摿?,綠色環(huán)保的電能存儲技術(shù)。磁懸浮飛輪儲能技術(shù)已經(jīng)越來越受到人們的重視,越來越廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外的許多行業(yè)中。
雖然目前化學蓄電池儲能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟,同時也為UPS電源行業(yè)做出了巨大的貢獻,但是,隨著技術(shù)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(jù)業(yè)界統(tǒng)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(fā)電機啟動是靠幾節(jié)化學蓄電池提供啟動電流的,而發(fā)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(jīng)成為傳統(tǒng)化學蓄電池式UPS電源供電系統(tǒng)中最不可靠的3個部分之一。
以上提到的種種問題已經(jīng)越來越受到UPS電源使用者和UPS電源制造商的廣泛關(guān)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(shù)替代了傳統(tǒng)的化學蓄電池儲能技術(shù)為客戶的關(guān)鍵應(yīng)用系統(tǒng)提供最可靠、最環(huán)保的優(yōu)質(zhì)電力。
(1)磁懸浮飛輪儲能技術(shù)工作原理
磁懸浮飛輪儲能技術(shù)是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪鐵芯作為機械能量儲存的介質(zhì),飛輪等器件被密閉在一個真空容器內(nèi),大大減少了風阻,同時為了減少運轉(zhuǎn)時的損耗,提高飛輪的轉(zhuǎn)速和飛輪儲能裝置的效率,在飛輪儲能裝置內(nèi)部使用磁懸浮技術(shù)對飛輪加以控制,并利用電動機/發(fā)電機和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)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(jié)構(gòu)示意圖。
圖1:磁懸浮飛輪儲能裝置的結(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(qū)動飛輪轉(zhuǎn)動,由此將電能轉(zhuǎn)化為飛輪轉(zhuǎn)動的動能(機械能)儲存起來,在正常待機時,使飛輪的轉(zhuǎn)速達到7700轉(zhuǎn)/每分鐘。
在市電異?;蛲k姷那闆r下,磁懸浮飛輪儲能裝置相當于一臺發(fā)電機,當外界需要電能時,飛輪轉(zhuǎn)動的動能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速達到7700轉(zhuǎn)/每分鐘。
(2)免蓄電池磁磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作原理
免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)是一種采用磁懸浮飛輪儲能技術(shù),在線互動式的UPS電源系統(tǒng)。圖2為免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作原理框圖。
圖2:免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)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(nèi)部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后向負載供電。
在市電異?;蛲k姷那闆r下,UPS將儲存在飛輪里的機械能轉(zhuǎn)化為電能,向外界負載供電,同時在規(guī)定時間內(nèi),轉(zhuǎn)為后備發(fā)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(tǒng)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(wěn)定的電源,能在關(guān)鍵負載、電網(wǎng)電壓下降、波動或停電情況下進行相應(yīng)的保護。
圖3為免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作連接框圖。
圖3:免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作連接框圖
(3)GenSTART產(chǎn)品介紹
在圖3的免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作連接框圖中可以看到,在UPS電源系統(tǒng)和柴油發(fā)電機之間有一個GenSTART產(chǎn)品(可選配置),叫做增強型發(fā)電機啟動模塊,它相當于一個整流設(shè)備,從UPS電源系統(tǒng)獲得一個交流的能量,為柴油發(fā)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(fā)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(guān)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(tǒng)以及整個供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。通過在UPS電源系統(tǒng)和柴油發(fā)電機之間加裝GenSTART產(chǎn)品,可以提高柴油發(fā)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(tǒng)特點和優(yōu)勢
(1)高可靠性、高安全性
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(tǒng)的高可靠性和高安全性主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
① 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)是一種在線互動式的UPS電源系統(tǒng),與傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)相比,飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)的設(shè)計理念更為簡單、實用、有效。傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)要不斷的通過整流器和逆變器轉(zhuǎn)換電能,因此易造共用點的故障,降低了系統(tǒng)的可靠性。而飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)是一種在線互動式的UPS電源系統(tǒng),它不僅大大提高了UPS電源系統(tǒng)整機效率,而且通過相應(yīng)技術(shù)先進的自動穩(wěn)壓和濾波電路能夠保證為負載提供穩(wěn)定而純凈的交流電,從而大大提高了整個供電系統(tǒng)的可靠性和安全性;
② 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)采用無蓄電池儲能技術(shù)。目前,傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)最大的薄弱環(huán)節(jié)就是蓄電池組,據(jù)統(tǒng)計,在傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)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(tǒng)采用創(chuàng)新的免蓄電池磁懸浮飛輪綠色儲能技術(shù),免去了傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)因蓄電池而帶來的不可靠性和不穩(wěn)定性,因此大大提高了供電系統(tǒng)的可靠性和安全性;
③ 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)工作壽命長達20年,在工作壽命期間系統(tǒng)工作是穩(wěn)定、可靠而安全的;
④ 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性;
⑤ 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)有著強大的瞬間斷電保護能力。當市電輸入出現(xiàn)斷點時,由于飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)內(nèi)的飛輪是在線運行狀態(tài),此時高速旋轉(zhuǎn)的飛輪立刻轉(zhuǎn)入發(fā)電機工作輸出狀態(tài),向負載進行供電,因此輸出并沒有出現(xiàn)斷點,完全滿足了不間斷供電。當市電輸入頻繁出現(xiàn)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(chǎn)生任何的影響。而對于傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)來講,當市電輸入頻繁出現(xiàn)斷點時,蓄電池會頻繁的處于充放電狀態(tài),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(tǒng)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(tǒng)的可靠性和安全性;
⑥ 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)自動穩(wěn)壓功能強大。飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)內(nèi)部的自動穩(wěn)壓調(diào)整電路,可以在市電輸入+/-15%的變化范圍內(nèi),將UPS電源系統(tǒng)輸出穩(wěn)定到+/-1%。這樣,我們能夠保證在交流輸入不穩(wěn)定的情況下,保證向負載提供穩(wěn)定而可靠的電力;
⑦ 飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)濾波功能強大。系統(tǒng)內(nèi)部采用有源動態(tài)濾波器,既能夠有效的防止電網(wǎng)干擾,避免市電諧波對負載和UPS電源系統(tǒng)產(chǎn)生影響,也能夠有效消除負載和UPS電源系統(tǒng)自身產(chǎn)生的諧波,使其不污染電網(wǎng)。
(2)高可用性
① 高效率、低能耗。飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)采用在線互動式UPS的設(shè)計方式,使系統(tǒng)效率達到98%,尤其在輕載(20%~30%)環(huán)境下,也能夠達到96%以上的系統(tǒng)效率,由于其系統(tǒng)效率很高,所以較之傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)大大節(jié)省了UPS運轉(zhuǎn)耗電量;
② 功率因數(shù)高。0.99的高輸入功率因數(shù),對電網(wǎng)有功功率的吸收能力強,對電網(wǎng)影響的程度輕,有效利用電網(wǎng)效能,減少無功損耗,節(jié)約電能,降低電網(wǎng)的諧波污染及空間輻射干擾,輸出功率因數(shù)達到0.9,有著很強的帶載能力;
③ 系統(tǒng)采用高集成度模塊化設(shè)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(shù),通過并聯(lián)方式單系統(tǒng)容量最大可至3MVA;
④ 完善的自動本地與遠程監(jiān)控。支持干節(jié)點、MODEM、RS-232/485接口、以太網(wǎng)&SNMP等監(jiān)控方式;系統(tǒng)可選的監(jiān)控軟件為操作員提供了與飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)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(shù)和操作模式,顯示系統(tǒng)錯誤和遙測數(shù)據(jù)。可實時監(jiān)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(shù)量、真空度等。對市電、柴油發(fā)電機組,UPS,切換柜供電狀況實時進行監(jiān)控;并可將故障以短信方式、撥電話號碼、上網(wǎng)發(fā)郵件等方式自動匯報給用戶的運行維護人員,實現(xiàn)完善的故障回報功能;
⑤ 適應(yīng)極其惡劣的工作環(huán)境。設(shè)備正常運行溫度范圍:–20°C ~50°C之間;
⑥ 系統(tǒng)噪音低:在一米內(nèi)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(jié)省空間,占地面積小。最高節(jié)省75%的占地面積(同等功率),只相當于傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)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(tǒng)的高可用性。
(3)高經(jīng)濟性
① 面積的節(jié)省給用戶帶來的獲利:飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)占地面積小,較之傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)最高節(jié)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(qū)),如果飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)和傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)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(jié)省電費:飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)效率達到98%,大大節(jié)省了UPS運轉(zhuǎn)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(tǒng)和傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)額定容量同為500KVA,那么每年大約能夠為用戶節(jié)省用電量50萬度左右,即每年大約能夠為用戶節(jié)省電費50萬元人民幣左右,即每年大約節(jié)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(diào)投入成本和空調(diào)運轉(zhuǎn)成本的節(jié)?。河捎陲w輪儲能UPS無需加裝空調(diào)系統(tǒng)進行散熱,因此節(jié)省了用戶對于空調(diào)系統(tǒng)的投入資金;如果分析空調(diào)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)所需要的電能,通過長時間的系統(tǒng)運轉(zhuǎn)就能切實的體會到飛輪儲能UPS的節(jié)能效應(yīng);
④ 運維費用的節(jié)省:由于傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)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(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)的維護成本很高,而飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)在20年的使用壽命期間,維護量很小,從而產(chǎn)生的運行維護費用較之傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)會大大減少。
(4)可維護性
飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)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(wǎng)一次;
② 每隔3~5年,更換飛輪軸承一次,現(xiàn)場更換只需30分鐘;
③ 每隔1年,更換真空泵機油一次,現(xiàn)場更換只需5分鐘。
(5)高環(huán)保性
飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)綠色環(huán)保,采用無蓄電池儲能技術(shù):傳統(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)中的蓄電池部分對環(huán)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(tǒng)綠色環(huán)保,對環(huán)境沒有污染,效率高,能耗低,大大減少了發(fā)電廠二氧化碳的排放量。隨著當今社會人們環(huán)保意識的不斷增強,在許多領(lǐng)域中,人們已經(jīng)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(tǒng)蓄電池式UPS電源系統(tǒng)相比,飛輪儲能UPS電源系統(tǒng)有著很多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括:節(jié)省空間、安裝成本低廉、節(jié)約運轉(zhuǎn)耗電量、不使用空調(diào)系統(tǒng)、不使用危害環(huán)境的蓄電池、減少施加在機房上的結(jié)構(gòu)重量、不存在與發(fā)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(tǒng)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(shù) ≥0.99;
④ 輸入電流諧波失真 :100%線性負載時<3%;100%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(wěn)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(tǒng)效率: 98%;
⑥ 輸出功率因數(shù) :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(huán)境指標
① 噪音: 在一米之內(nèi)<70dB(A);
② 正常運行溫度范圍 :-20℃~50℃;
③ 相對濕度: 0%至95%,不結(jié)露;
④ 工作海拔: 1000米(不降低額定值情況下)。
5 系統(tǒng)應(yīng)用介紹
2007年9月30日由北京泰萊克信息系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)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(tǒng)已成功在中國網(wǎng)通(集團)山西省通信公司太原第二樞紐樓開通運行,運行穩(wěn)定,效果良好。該電源系統(tǒng)圖片見附錄。
6 結(jié)語
隨著我國對節(jié)能減排工作的重視程度不斷提高,隨著當今社會人們節(jié)約資源意識和環(huán)保意識的不斷增強,在許多領(lǐng)域中人們已經(jīng)不能夠接受化學蓄電池的弊端,而逐漸將目光放在技術(shù)更為先進的儲能方式上。
我們相信,隨著UPS技術(shù)的不斷革新,隨著UPS行業(yè)的發(fā)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(shù)更先進、高可靠、高品質(zhì)、節(jié)能減排、高效低耗、綠色環(huán)保的最新一代免蓄電池磁懸浮飛輪儲能UPS產(chǎn)品必將在中國通信運營商、大型數(shù)據(jù)(物流)中心、石油石化、銀行、政府、醫(yī)療、電子、大型工礦企業(yè)、民航、軍隊等行業(yè)得到廣泛和大量的應(yīng)用。
附錄:
山西網(wǎng)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(tǒng)。