0  引言

    當下，電能的產生和輸送還是主要依賴于集中發電、遠距離輸電的方式。這種輸電方式占了全世界90%的供電。但是這種輸電方式有著很大的弊端，例如，電力要求量的增加導致電壓不穩，線路和發電問題導致的輸電中斷^[1]。

    由于上面的集中供電的弊端，人們逐漸意識改變供電方式的重要性，但是風能、太陽能等能源由于供電量少，能源轉換率低，不能代替之前的供電方式，因此分布式供電的作用被凸顯出來。所謂的分布式供電，就是指各種獨立的供電設備（容量為10 kW~50 kW）與儲能設備結合在一起，用于改善當前用的輸電系統，提高輸電系統的可靠性。

    飛輪儲能技術就是一種分布式供電方式，如果合理利用，能夠承擔一個城市20%的供電，甚至可以替代UPS系統。

    如今，能量儲存技術成為了一個世界性熱門課題。而飛輪儲能技術因為操作簡單且供電靈活受到了相關專家和企業的關注。在20世紀50年代，飛輪儲能技術已經被提出，并有部分應用于汽車上，由于當時硬件與科技的限制，此技術一直沒有得到廣泛的推廣和應用^[2-3]。近年來，由于磁懸浮技術的發展，高強度材料的出現和能量轉換技術的提高^[4]促進了飛輪儲能技術的發展，從而使飛輪儲能技術在諸多領域得到應用。

    現在，許多科技強國都在設計飛輪儲能技術的研究，并且把飛輪儲能技術轉向了市場，使其市場化、產業化，并已經開始應用于航天航空、軍事設備、醫療設備、通信設備等領域^[5-6]。美國、德國、日本等發達國家對飛輪儲能技術的開發和應用比較多。日本已經制造出在世界上容量最大的變頻調速飛輪蓄能發電系統(容量為26.5 MVA ,電壓為1 100 V ,轉速為510 690 r/min ,轉動慣量為710 t·m²。美國馬里蘭大學也已研究出用于電力調峰的24 kWh的電磁懸浮飛輪系統。飛輪重172.8 kg, 工作轉速范圍為11 610~46 345 r/min, 破壞轉速為48 784 r/min, 系統輸出恒壓110~240 V, 全程效率為81%。經濟分析表明, 運行3 年時間可收回全部成本。飛輪儲能技術在美國發展得很成熟,他們制造出一種裝置,在空轉時的能量損耗達到每小時0.1%。

    本文所描述的移動式飛輪儲能應急供電系統主要針對于各種重大慶典、會議和活動。該系統可以為客戶提供最高級別的電力供電保障。

1  飛輪儲能原理介紹

    飛輪儲能技術是新興的電能儲存技術，它與超導儲能技術、燃料電池技術一樣，都是近年來出現的有很大發展前景的儲能技術。雖然目前化學電池儲能技術已經發展得非常成熟，但是化學電池儲能技術存在著諸如充放電次數的限制、對環境的污染嚴重以及對工作環境溫度高等問題。這樣就使新興的儲能技術越來越受到人們的重視，尤其是飛輪儲能技術，已經開始越來越廣泛地應用于國內外的許多行業中。飛輪儲能最基本的工作原理是將外界輸入的電能通過電動機轉化為飛輪轉動的動能儲存起來，當外界需要電能時，通過發電機將飛輪的動能轉化為電能，輸出到外部負載。為了減少空閑運轉時的損耗，提高飛輪的轉速和飛輪儲能裝置的效率，飛輪儲能裝置軸承使用非接觸式的磁懸浮軸承技術，將電機和飛輪都密封在一個真空容器內，以減少風阻，保障系統的正常運行。圖1所示是飛輪儲能的工作原理圖。

    飛輪儲能的具體工作原理如下：

    （1）市電正常供電時，ATS雙電源切換開關選擇市電側供電，通過飛輪儲能UPS對負載供電。

    （2）市電中斷或者故障時，飛輪儲能UPS對負載供電，并延時發送油機啟動信號啟動油機。油機啟動后，ATS雙電源切換開關選擇油機側供電，通過飛輪儲能UPS對負載供電，同時對飛輪儲能UPS充電。

    （3）市電恢復2 min后，飛輪儲能UPS系統判斷市電正常后，ATS雙電源切換開關選擇市電側供電，3 min后，發出油機停機信號。

    （4）當市電出現瞬間斷電時，直接由飛輪儲能UPS對負載供電，不啟動油機，實現不間斷供電。

    （5）旁路開關是維護旁路開關或單獨使用油機應急供電時使用的開關，不通過飛輪儲能UPS，由油機直接對負載供電。

    飛輪儲能裝置中有一個內置電機，它既是電動機也是發電機。在充電時，它作為電動機給飛輪加速；當放電時，它又作為發電機給外設供電，此時飛輪的轉速不斷下降；而當飛輪空閑運轉時，整個裝置則以最小損耗運行。

    飛輪儲能器中沒有任何化學活性物質，也沒有任何化學反應發生。旋轉時的飛輪是純粹的機械運動，飛輪在轉動時的動能為：

式中： J為飛輪的轉動慣量，ω為飛輪旋轉的角速度。

2 飛輪儲能設計

    飛輪儲能系統由高速飛輪、軸承支撐系統、電動機、發電機、功率變換器、電子控制系統和真空泵、緊急備用軸承等附加設備組成。谷值負荷時，飛輪儲能系統由工頻電網提供電能，帶動飛輪高速旋轉，以動能的形式儲存能量，完成電能到機械能的轉換；出現峰值負荷時，高速旋轉的飛輪作為原動機拖動電機發電， 經功率經功率變換器輸出電流和電壓，完成機械能到電能的轉換。

2.1 飛輪儲能載體設計

    受限于建筑面積、建筑成本、構建時間、能源消耗、維修運營等諸多因素，具備快速部署能力、方式更加靈活、運行更加經濟可靠的箱式數據中心日益成為市場新寵。本飛輪儲能系統選擇集成飛輪UPS的模塊化不間斷供電系統的可移動集裝箱作為飛輪儲能的載體。

    飛輪儲能集裝箱是模塊化、移動式持續電源系統，由4個標準部分組成，基于Active Power公司的高效及高彈性結構，飛輪儲能集裝箱系統可被快速裝配及應用。標準的集裝箱便可容納整套電源系統，集裝箱可被放置在諸如房頂、閑置的裝卸間、院落甚至停車廠之類的場所。

    另外，飛輪儲能集裝箱具有高度靈活性，是專為不斷變化使用地點而設計的電源系統。它的功率范圍從200 kW到800 kW不等，是完全可以擴展的結構，可隨用戶需求擴容備用電源。傳統備用電源需單個部件現場組裝，而飛輪儲能集裝箱系統是由工廠完成全部組裝、檢測及定制工作，擁有全程質量保證。其效率很高，但占用空間卻很小，只占用傳統數據中心1/4的面積，所以用戶可在現場限制條件下迅速部署具有安全防護特點的飛輪儲能集裝箱系統。這套系統可斷開后運輸到新的地方，在幾小時之內便可重新啟動運行。

2.2  飛輪關鍵部分設計

    飛輪的原理簡單，主要結構和運行方法已經基本明確，但要實現起來卻并不容易,要突破的關鍵技術有：(1)飛輪轉子的設計：轉子動力學，強度和密度的優化 ；(2)磁軸承和真空設計：低功耗，動力設計，高轉速，長壽命；(3)功率電子電路：高效率，高可靠性，低功耗電動\發電機；(4)安全及保護特性：不可預期動量傳遞，防止轉子爆炸可能性，安全輕型保護殼設計；(5)機械備份軸承：磁軸承失效時支撐轉子。

    本文設計了一種可以完成以上要求的飛輪，此飛輪主要依托于超導磁懸浮原理。超導磁懸浮原理：當將一塊永磁體的一個極對準超導體并接近超導體時，超導體上便產生了感應電流，該電流產生的磁場剛好與永磁的磁場相反，于是二者便產生了斥力。由于超導體的電阻為零，感生電流強度將維持不變。若永磁體沿垂直方向接近超導體，永磁體將懸空停在自身重量等于斥力的位置上，而且對上下左右的干擾都產生抗力，干擾力消除后仍能回到原來位置，從而形成穩定的磁懸浮。超導磁懸浮原理的出現能夠減少軸承損耗，使能夠滿足要求的飛輪設計成為可能，圖2所示為飛輪結構圖。

    飛輪主要由上部磁力空間、固定器、飛輪內腔、軸承套件和飛輪轉子組成。其中，上部形成的磁力空間可以減輕飛輪轉子重量對底部軸承的壓力從而減小摩擦力；飛輪內腔被真空泵抽成真空狀態以減小旋轉中產生的空氣摩擦力；軸承套件和固定器主要用來固定轉子，并且可以更換；供電正常時，飛輪轉子在電力驅動下轉速不斷升高，達到額定轉速，類似一臺發動機；當供電中斷時，在磁力空間中旋轉的飛輪，就類似于一個短時供電的發電機。在有電力驅動的情況下，飛輪的持續轉速能到達7 700 r/min，當電力出現中斷時，飛輪靠慣性繼續旋轉，此時飛輪類似于發電機，將動能轉化為電能。

    由于飛輪的獨特的設計方式，使得飛輪可以在摩擦很小的真空環境中持續旋轉，并且飛輪可以在磁力環境及軸承的支撐下轉動達到最佳運行狀態，同時也減輕了軸承的壓力，增加了軸承的壽命，轉速達到 50%, 系統已可以對外進行放電。

2.3  輸入輸出電源的設計與保護

2.3.1  電壓調節設計

    本文采用的電壓調節為連續電壓調節，主要是通過變換器和市電的線性電抗器調節無功電流間接調節電壓。例如，當輸入電壓低，電流相位超前時，變換器提供無功電流；當輸入電壓高，電流相位滯后時，變換器吸收無功電流；當輸入電壓正常時，不提供無功電流補償，功率因數為1。圖3所示為電壓調節原理圖，補償完的電壓如圖4所示。

2.3.2  諧波消除設計

    本文中飛輪儲能設備的UPS控制單元采用數字信號處理技術初六電流諧波測量負載電流諧波，變換器提供諧波電流，并維持輸出電壓的正弦波形，其中負載諧波不會影響到輸入波形。圖5為諧波消除后的波形圖。

2.3.3  變化電壓窗口

    此飛輪儲能系統可以做到50 μs對電壓值取樣一次，并且工廠設定點在當前電壓的±15%，從而可以避免瞬態變化引起的頻繁放電。

    并且，此系統可以在電壓擾動時，在1 ms內恢復到設定電壓。從檢測到恢復電壓耗時100 μs，1 ms內從檢測完全恢復電壓。該系統能夠保護使用者的重要負載，即便是非常大的電壓擾動。圖6所示為輸入電壓變化曲線圖。

2.3.4  UPS保護

    CSUPS必須滿足下列條件開始放電：

    （1）一個周期內電壓有效值偏離預設極限范圍(工廠設定在 +/- 10%)。

    （2）瞬態電壓擾動超過預設的瞬態電壓調節設定范(工廠設定在 +/- 15%)。

    （3）輸入頻率超出預設的調節范圍。

    滿載時輸入電壓在調節窗口內, +/- 10% ,300系列CSUPS保持輸出電壓在+/- 2%的范圍內。

2.4  顯示面板設計

    ATS面板共有10個LED顯示燈，其中單色顯示燈為7個(L1/L2/L3/L4/L5/L6/L10)，多色顯示燈為3個(L7/L78/L9)，如圖7所示。

    每個LED燈的顯示功能如下：

    L1：市電線上信號燈。如果市電線上有市電存在于輸入端，則L1會顯示為綠色。

    L2：油機在線信號燈。如果油機已經啟動并且處于正常發電狀態，則L2會顯示為綠色。如果市電油機兩路都有輸入，則L1/L2燈可以同時顯示為綠色。

    L3：轉換開關在市電信號燈。如果ATS轉換開關的觸點處于市電端，則L3會顯示為綠色。

    L4：轉換開關在油機信號燈。如果ATS轉換開關的觸點處于油機端，則L4會顯示為綠色。由于轉換開關的觸頭一定在任一輸入端，因此L3和L4不可能同時點亮。

    L5：UPS輸入開關信號燈。當UPS輸入開關1QF閉合時，L5會顯示為綠色。

    L6：UPS輸出開關信號燈。當UPS輸出開關閉合時，L5會顯示為綠色。

    L7：UPS旁路開關信號燈。當UPS處于維修旁路時（2QF閉合），L7會顯示為綠色。當2QF未處于互鎖時，即2QF可以閉合時，L7顯示為黃色。

    L8：油機狀態顯示燈。當柴油發電機處于自動狀態時，L8顯示為綠色，同時AUTO字體會顯示為綠色。當柴油發電機處于自動狀態有報警信號時，L8會顯示為紅色閃爍。當柴油機處于手動狀態時，L8會顯示為黃色。

    L9：UPS狀態顯示燈。當UPS處于在線狀態時，L9顯示為綠色。當UPS處于脫機狀態時，L9顯示為紅色。當UPS的狀態為不在線、不在旁路同時無報警、無提醒時，L9顯示為黃色。當UPS狀態為在線但有報警時，L9顯示為綠色閃爍。當UPS狀態為內部旁路但無報警、無提醒時，L9顯示為紅色閃爍。

    L10: GENSTART狀態顯示燈。當Genstart處于自動可用狀態時，L10會顯示為綠色。

2.5  性能指標

    （1）輸出電壓穩定在額定電壓 +/-1%；

    （2）輸出頻率為50 Hz (+/- 0.2%頻率漂移)；

    （3）輸出THVD <3%線性負載 <5%非線性負載；

    （4）當電壓過載1 000%時可以維持10 ms,當電壓過載500%時可以維持1 s,當電壓過載200%時可以維持30 s；

    （5）輸入電壓范圍10%~15%；

    （6）輸入功率因數 0.99；

    （7）輸入諧波<3%；

    （8）浪涌抑制器符合 IEEE587標準；

    （10）采用全模塊式設計；

    （11）智能化的高效率的冗余切換。

3  系統特點

    本文中設計的飛輪儲能系統因為設計方法特別，具備了下面幾種優勢：

    （1）零毫秒級

    零毫秒級不間斷供電，提供最高級別的電力保障。系統采用目前全球最先進的飛輪儲能UPS供電設備，實時在線，可以為重要負載提供真正意義上的零毫秒級斷電保護。

    （2）高續航力

    飛輪儲能UPS與柴油發電機組通過智能化過程控制，實現重要負載的不間斷、長時間供電。

    （3）高可靠性

    飛輪磁懸浮技術的應用，消除了傳統UPS中的不可靠成分，可靠性能達到99.999 99%，可以適應各種復雜工作環境，對環境溫度要求低，啟動溫度為-20℃~40℃，運行溫度為0℃~40℃。

    （4）高效率

    受益于先進的飛輪儲能技術，系統效率高達98%。

    （5）維護簡便

    超長使用壽命，在性能和效率不隨時間下降的同時，更可以保證超過20年的使用壽命，期間無需更換儲能模塊。

    （6）整體噪音低

    采用了飛輪技術，具有恒定轉速、低噪音、低摩擦等特點，降低了操作時的噪音排放。

    （7）低碳技能

    移動式飛輪儲能應急供電系統使得發電機組處于冷備份狀態，可以有效降低燃料消耗，從而節省燃料費用，同時減少對環境的影響。

4  系統測試結果及應用

    在本文中，對飛輪儲能不間斷電源帶負載性能進行了測試，圖8為無負載1 pF電容測試圖，該測試為應用備用1 pF電容同時突然斷開負載；圖9為在有負載運行的情況下突然加上1 pF備用電容的測試波形圖；圖10為在飛輪儲能輸出測加上1 pF電容的波形圖；圖11為從備用側轉化為旁路時靜態旁路的波形圖；圖12為從斷開供電電源，飛輪儲能設備代替供電電源時的波形圖。

    分析上述波形圖可知，當市電斷電時，飛輪儲能電池開始供電，并且在經過2.51 ms后，供電電壓恢復正常，能夠保證負載的用電要求并且能做到零毫秒級、不間斷、長時間、高質量的電力供給。

    在本文中所描述的移動式飛輪儲能設備已經被廣泛運用到許多活動和場合中作為備用電源，為電力系統提供了安全可靠的保障。例如，在2009年國慶60周年天安門閱兵及慶典中運用此飛輪作為應急供電系統；2010年上海世博會應用此飛輪儲能為世博會關鍵電源提供保障；2011年金磚四國會議&博鱉亞洲論壇采用此設備確保急轉四國會議零毫秒不間斷供電；2014年北京APEC會議采用飛輪儲能系統執行會議保電任務。

5  結論

    本文通過設計移動式飛輪儲能系統的載體、飛輪和輸入輸出電壓，能夠保證輸出穩定可靠的輸出電壓和電流。并通過對產片的測試，表明此飛輪儲能具備零毫秒級、不間斷、長時間、高質量的電力供給的優勢。

參考文獻

[1] 梁才浩，段獻忠．分布式發電及其對電力系統的影響[J]．電力系統自動化，2001(6): 53-56． 

[2] THELEN R F, HERBST J D, CAPRIO M T. A 2 MW  flywheel for hybrid locomotive power[C]. 58th Vehicular Technology Conference, 2003, 5: 200-205.

[3] Zhang Jiancheng, Huang Lipei, Chen Zhiye.  Research on flywheel energy storage system for power  quality[C]. Proceedings of International Conference on Power System Technology, 2002, 1: 496-499. 

[4] 陳湘舜，曾虎彪.飛輪儲能用磁力軸承的發展研究[J].機床與液壓, 2011(8)：128-132.

[5] 趙旭升，沈國良.飛輪儲能電池的結構特點及其應用.硫磷[J]. 設計與粉體工程, 2004(6):44-45.

[6] 楊志軼．飛輪電池儲能關鍵技術研究[D]．合肥：合肥工業大學，2002．

[7] 衛海崗，戴興建，張龍，等．飛輪儲能技術研究新動態[J]．太陽能學報，2002，23(6)：748-753． 

[8] 解亞飛，程三海，王雪帆．飛輪儲能系統中的能量轉換環節及其實現[J]．電機電器技術，2011，(1)：26-29． 

[9] ANSTOOS T A，KAJS J P， BRINKMAN W G， et al. High voltage stator for a flywheel storage system[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2011(1): 242-247.

[10] 陳湘舜，曾虎彪.飛輪儲能用磁力軸承的發展研究[J].機床與液壓, 2011(8)：128-132.

作者信息:

張宏炯，陳建樹，王家蓬，馬文營，錢葉牛

（國網北京市電力公司通州供電公司，北京 101100）