1、应用飞轮储能式UPS的技术背景

我们过去所讨论的UPS都属于静态UPS的范畴,其原理是:在这些UPS的运行中,除了冷却风扇之外,所用到的各种电子元件及电气部件均无任何机械运动。多年的静态UPS运行经验显示:尽管静态UPS对确保各行业用户负载的安全运行做出了“功不可没”的巨大贡献。然而,它仍存在如下的弱点:

(1)静态UPS的效率“不够高”:相关的统计资料显示,对于中、大容量的工频机型UPS而言,其效率仅为93%～94%。对于中、大容量的高频机型UPS而言,其效率仅为94%～95%。对于当今日益强调节能、环保的社会而言,这种UPS本身的损耗仍然偏高。

(2)UPS中蓄电池组是导致UPS的故障率增高和日常维护量增大的重要因素。而且，蓄电池的使用寿命短。此外，可能会对环境造成严重污染的废旧电池的处理问题，至今仍是困扰我们的难题之一。

因此,作为解决以上难题的技术途径之一是:选用飞轮储能式的动态UPS来代替双变换在线式的静态UPS。

2、飞轮UPS的技术优势

近年来,在国内外的数据中心、半导体芯片制造业、某些特种军用通信系统及政府的机要部门正日益关注和选用一种飞轮储能式的动态UPS(简称飞轮UPS或动态UPS)。采用这种UPS可以获得如下好处:

(1)更进一步地提高UPS的效率:相关的资料显示,可将UPS的效率从静态UPS的92%提高到飞轮UPS的98%。

(2)将故障率明显偏高的蓄电池部件从UPS中彻底取消。由此所能获得的好处是:不仅有助于提高UPS的可靠性,还可以大幅度地减少电源值班人员的维修工作量。

对于这种飞轮UPS而言,当市电供电正常时,它在利用市电向用户供电的同时,还将部分电能同时通过具有电动机和发电机调控功能的“同步补偿机(G/M)”装置而以动能的形式储存在其巨大的飞轮中。

此时,对于其“同步补偿机(G/M)”装置而言,不仅承担着短时效的能量转换调控功能,将来自市电的电能变换成储存在飞轮中的机械能。而且,它还承担着自动稳压以及对可能来自市电电网和用电设备所产生的谐波电流执行自动补偿的调控功能,就是将输出电流的谐波含量THDI值实时地调节到趋于零。当市电供电中断时,它可以利用原来储存其飞轮中的巨大动能的惯性驱动同步补偿机(G/M)装置继续旋转。此时同步补偿机(G/M)装置将自动承担着发电机的调控功能,从而确保对各种用电设备的连续不间断地供电。能够将飞轮UPS推向新的实用阶段的推动因素有:

(1)对于当今的技术相当成熟的电力工业而言,由于普遍采用了由信息化管理的、智能化供电的电网调度技术,以及在用户的供电系统中采用ATS开关在双路市电输入电源之间自动执行“切投调控”操作的保护性的设计方案,在他们的市电输入供电系统中,发生长时间的停电事故的几率是极低的。

这样一来,就为依靠动能型的惯性能量来确保负载的连续供电的飞轮UPS得到实际应用创造出极为有利的运行条件。

①根据美国Electric Power Research Institute对美国供电电网的调查发现,90%以上的停电事故的持续期小于10s;

②根据RWE公司对欧洲9个国家的126个供电电网的调查发现:95%以上的停电事故的持续期小于3s;

③对于在两路市电输入电源之间采用ATS开关的自动切换调控技术的用户设备而言,当其优先供电的输入电源发生停电事故时,其另一路备用电源可在小于1～3s的时间间隔内恢复向用电设备供电。理论上讲,ATS开关会导致输入电源出现几十到上百毫秒的供电中断,这是因为ATS开关的典型切换时间为≤200ms左右。导致ATS开关的总切换时间可能长达几秒的原因是:为了防止因市电电网发生偶发性的闪断,而导致ATS开关在两路市电电源之间执行不必要的、频繁的“误切换”操作,从而导致在用电设备的输入端产生令人厌烦的尖峰型电源干扰以及ATS开关使用寿命的缩短。为此,有必要人为地为ATS开关设置适当延时切换保护功能。所以,对于具备有“双总线输入”供电条件的用户而言,是可以通过选用飞轮UPS的技术途径来省却配置体积庞大、故障率偏高和维护量偏大的蓄电池组。

综上所述,既然在供电电网中,发生长时间停电故障的几率是极低的。这样一来,就为能充分发挥出飞轮UPS对可能来自市电电网的瞬态电压波动、闪断、瞬态干扰、谐波电流执行实时补偿型调控功能的技术优势奠定下坚实的技术基础。

(2)与传统双变换在线式的静态UPS相比,飞轮UPS具有如下明显的技术优势,如表1所示。

从表中可见,飞轮UPS在整机效率、单机的最大输出功率、抗过载能力、抗输出短路能力、输入功率因数、负载功率因数、允许的工作温度范围、无需电池组的维护和可靠性高等技术性能上均明显地优于双变换在线式的静态UPS。在此需要说明的是,对于飞轮UPS供电系统而言,其平均整体效率要比静态UPS的效率高3%～4%。来自美国Active Power公司的真空磁悬浮飞轮UPS能效甚至可提高6%。这对于当今能源价格增幅较大的背景下,其节能降耗和绿化环保的效应尤为明显。采用飞轮UPS可以更加节能的另一个原因是:由于它自带有风冷电扇及无需配置要求环境温度小于25℃的电池组。因而,再也无需为UPS机房配置具有高耗运行特性的空调机组。但应说明的是,仍需为它配置必要的热风排除系统。

3、飞轮UPS的工作原理

一台带飞轮型动能存储器的动态UPS的典型的控制框图如图1所示。它可提供单机输出功率分别为150、180、260、400、500、750、1000、1300、1670kVA的产品。如图中所示,与UPS共有的两条供电通道:

(1)维修旁路供电通道:正常工作时,开关S2处于断开状态;

(2)主供电通道:它是由输入开关S1、输入静态开关、扼流圈1和扼流圈2、电力电源桥(Power-bridge)及输出开关S4等几大部件所组成。其中的电力电源桥部件是由同步电动机/发电机组、双向变换器、励磁发电机和储能飞轮等主要部件所组成。当市电中断时,其满载供电时间为20s左右。对于需要长时间连续供电的用户而言,可通过选配柴油/燃气发电机组来实现(选件)。在这里,由扼流圈1、扼流圈2和同步电动机/发电机所共同构成的电力电源桥是同时具有输出自动稳压和输入电流谐波补偿调控功能的所谓神奇的隔离-耦合扼流圈型的调控环。在这里,电力电源桥同时承担着自动稳压器和有源滤波器的双重调控功能。可将这个调控环的控制功能归纳如下:

①对来自非线性负载所产生的谐波电流进行电流谐波的补偿和治理;

②对来自输入电网的电压失真度进行电压谐波的补偿和治理;

③限制短路电流反射到主输入电网的幅值;

④利用电力电源桥所产生的正弦波形的电源来执行自动稳压调控功能,确保它能向负载输出稳压精度<±1%的高品质的电源。

3.1 飞轮UPS的自动稳压和不间断供电的调控原理

(1)输入电源供电正常时,飞轮UPS的自动稳压调控原理

按照这种UPS的设计方案,正常工作时,其输入开关S1和输出开关S4处于闭合状态、维修旁路开关S2处于断开状态。当输入电源的电压处于-20%～+15%之间的范围时,“输入静态开关”处于导通状态。在此条件下,可能含高频干扰的、不稳压的市电电源经扼流圈1和扼流圈2进行抗高频干扰的滤除处理后,被馈送位于其输出端的用电设备的同时,还经位于“电力电源桥”中的发电机/同步补偿机(G/M机)承担着同步补偿机的调控功能。此时的“电力电源桥”处于电动机工作状态。它通过处于高速施转状态下的励磁发电机的主轴来带动巨大的储能飞轮(转速高达1800～3300转/分钟),从而达到将部分的市电电网的电能转换成处于高速施转状态下的飞轮所具有的机械性惯性动能的能量转换的目的。与此同时,在逻辑控制板的调控下,利用位于飞轮UPS中的“电力电源桥”中的“双向变换器”,对其励磁发电机和同步发电机/发电机组同时执行自动稳压和市电同步跟踪的调控任务。此时,其发电机/同步补偿机在双向变换器的调控下,向外输出稳压精度为380V±1%的稳压电源。此时的扼流圈1和2承担着被动型的电压谐波补偿器的调控功能。

(2)当输入电源因故出现“短时停电”/闪断故障时,飞轮UPS的自动稳压调控原理

当市电因故出现“短时停电”/闪断(几十毫秒数量级的供电中断)故障时,位于飞轮UPS中的励磁发电机在利用原来存储在巨大飞轮中的惯性动能而继续处于高速旋转的工作状态之下。此时,从该发电机所输出的频率和电压均处于缓慢变化状态的输出电源被馈送到双向变换器的输入端(注:这是由于随着输入电源的停电时间的不断地延长,原来储存在巨大飞轮中的惯性动能被不断地消耗掉。在此条件下,从励磁发电机输出电源的频率和电压均会出现不同程度的下降的缘故所致)。这样的供电质量较差的电源经双向变换器处理后,就能向外输出具有自动稳压和自动稳频工作特性的高品质电源。这样的高品质电源再被馈送到同步电动机/发电机机组的输入端后,它就能连续不断地向外输出380V±1%的稳压电源(见图1b)。

当市电停电时,这种UPS持续供电时间的长短取决于飞轮所储存的机械能量大小及UPS的负载百分比。对于输出功率为1670kVA的动态UPS而言,其机械储能为16.5MW·s。这种UPS的持续供电时间与UPS的负载百分比之间的典型变化参数值被列于表2中。

从上述可见,对于飞轮UPS而言,在其运行中,如果市电出现的瞬间供电中断时间不超过上述时限的话,它都能连续不断地向用户的负载输出高品质的电源。此外,如果所遇到的市电电源问题并非是停电故障,而是输入电压偏低,这种UPS的持续供电将会被大大地延长。

在此条件下,可以获得很宽的输入电压工作范围,其典型的技术参数为:当输入电压为380V、-20%, +15%时,可连续工作; 当输入电压下降为380V、-30%时,其供电时间为10min; 输入电压下降到380V、-50%时,其供电时间为30s。当然,对于选用了柴油/燃气发电机选件或采用两路输入电源+ATS开关的“双总线输入”型的供电设计方案的用户而言,就能向后接负载提供365×24小时的不间断的供电。

一台典型的飞轮UPS的外形及主要部件的结构图如图2所示。

3.2 飞轮UPS的谐波补偿特性的调控原理

飞轮UPS的第二个重要的技术优势是:它具有优异的输入谐波补偿特性和具有很高的系统效率(96%～98%)。

当后接负载为电阻性时,其输入功率因数PF值为1,输入电流谐波分量的THDI值几乎为零。当它在带PC机、低档服务器等IT设备、工控系统中DCS设备及家用电器等不带输入功率因数校正功能(PFC)的单相整流滤波性非线性负载时,这些用电设备本身的输入谐波特性都很差。尽管此时馈送到这些用电设备中输入电源的电压波形呈现出优良的正弦波形,然而,它们从输入电源所吸取的电流波形却变成如图3(a)所示的不连续的钟形脉冲串(即在它们的输入电流波形上呈现出严重的电流畸变现象),从而导致其输入电流的谐波含量THDI值高达55%～77%,输入功率因数PF值下降到0.8左右。

然而,在选用飞轮UPS来驱动上述用电设备后,就可以利用由“扼流圈1+同步电动机/发电机+双向变换器+扼流圈2”等共同组成的电力电源桥来对这种类型的非线性负载进行谐波治理。在此条件下,利用并接在飞轮UPS的主供电干线上的同步电动机/发电机所提供的无功功率来执行电流谐波补偿调控。这样一来,就能在飞轮UPS的输入端上再次获得如图3(a)所示的具有优良正弦波形的输入电流波形。

在此背景下,就能大大地改善其输入电流谐波特性。其的典型值分别为:输入电流的谐波含量THDI值<5%，输入功率因数PF值>0.98左右。在此需说明的是:由于在当今的数据中心机房所用的绝大多数IT设备(中、高档服务器、存储设备、网络设备)均采用带输入功率因数校正技术(PFC)，当再用飞轮UPS来驱动这些用电设备时，就获得如下的具有“绿色电源”型的输入谐波特性：即：它们输入电流的谐波含量THDI值<3%、输入功率因数PF值>0.99左右，如图3(b)所示。

综上所述可知,与传统的双变换在线式的静态UPS只能解决其输入电流谐波和输出谐波问题相比,飞轮UPS可同时对其输入电流谐波和输出谐波执行谐波补偿调控,其技术优势不言自喻。

3.3 飞轮UPS具有优异的输出动态响应特性

飞轮UPS的另一个重要的技术优势是它具有优越的动态响应特性,如图4所示,当UPS的后接负载突然加载时,由“同步电动机/发电机组+扼流器2”所组成的并联的电力电源桥向后接的负载提供瞬态的、补充型的有功功率,以便确保在UPS的输出端上能获得优良的自动稳压输出特性。其典型动态响应特性为:<5%,恢复时间10ms(0→100%负载→0)。相反,当UPS的后接负载突然减载时,由“同步电动机/发电机组+扼流器2”所组成的并联的电力电源桥将会迅速地从UPS的主输出干线上吸取瞬态的“富裕”有功功率,以便确保在UPS输出端上能获得优良的自动稳压输出特性。

在这里,可以将位于飞轮UPS中的由输入静态开关、扼流圈1和扼流圈2等所组成的电路看成是市电电网的电能传输的主通道,将由“飞轮+励磁电机+双向变换器+同步电动机/发电机”等所组成的电力电源桥看成是并联在其输出端上的稳压电能储能器,由它来动态地调节从飞轮UPS所输出的功率,以便能快速地响应后级用电设备的实时用电量的动态变化。

3.4 飞轮UPS的典型技术参数

输出功率:150、180、260、400、500、750、1000、1300、1670kVA;

输入功率因数:0.96～0.99;输入电压谐波含量的THDV值<2%;效率:>96%;

输入电压范围分别为:380V、-20%～+15%,长期工作; 380V、-30%,支持的运行时间为10min;380V、-50%,支持的运行时间为2min;

输出电压:380V<±1%; 峰值比为5:1;

抗输出短路能力:300%,5s;1400%,10ms;

UPS单机平均无故障工作时间(MTBF):130万小时;

允许的UPS的并机数量:16台。

4、结束语

综上所述,对于市电环境良好的用户而言,飞轮UPS在如下技术性能上均明显地优于双变换在线式的静态UPS。它们是:整机效率、单机的最大输出功率、抗输出短路能力、输入功率因数、输出功率因数、允许的工作温度范围、可靠性、EMC电磁兼容性,以及因无需配置电池组而大大减少UPS的维护工作量和减少机房占用面积等诸多方面。其中,尤以可靠性高、节能降耗效果显著、无需配置故障率偏高的蓄电池组等更加引人注目。有鉴于此,它在美国、欧洲和台湾地区的某些半导体芯片厂和军用系统中得到应用。近年来,它也日益引起国人的关注。据悉,在我国有可能将飞轮UPS将纳入我国数据中心建设的标准中。这是因为,飞轮UPS作为近年来发展极为迅猛的技术,它可为我们在建设绿色数据中心时,获得经济与环保的双重收益。然而,在此需说明的是,对于这种UPS而言,它并非是十全十美。

虽然飞轮UPS还存在着一些不足,然而时至今日,对于那些具备有“双总线输入”供电条件和对蓄电池的应用感到困扰的用户而言,他们是完全可以通过选用飞轮UPS的技术措施,来消除因配置故障率偏高和维护工作量偏大的蓄电池组所可能带来的种种弊端,这是因为其预期使用寿命可长达15～20年。目前,国外大型数据中心采用飞轮UPS保障供电比较普遍,磁悬浮飞轮UPS系统在此领域尤为突出,相比之下,蓄电池的使用寿命仅为充、放电几千次,一般仅需几年就要更换电池。

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