磁懸浮飛輪儲能設備在UPS系統(tǒng)中的應用研究

陳 鳳，成 彬 ，王 濤 ，邢 峰

（江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司，江蘇 南京 210006）

磁懸浮飛輪儲能設備是一種在磁懸浮真空環(huán)境下通過高速運轉的飛輪來儲存能量的裝置。該裝置可以在市電中斷時給 UPS（Uninterruptibale Power Supply）的逆變器持續(xù)供電幾秒到十幾分鐘時間，直至后備柴油發(fā)電機恢復對重要負載的供電［1］。在國外采用飛輪儲能設備作為UPS系統(tǒng)后備電源的技術已經比較成熟［2］，典型的廠商包括美國的 Active Power公司、VYCON公司，德國 ATZ、GmbH 公司，日本的NEDO機構。在國內飛輪儲能研究落后于國外10年左右，國內英利集團公司已經正式進軍飛輪儲能的研發(fā)并提出在‘十二五’期間將生產至少45萬臺。目前，進口飛輪儲能設備在60周年國慶慶典、世博會電力保障以及廣州亞運會上的供電工程中得到初步試用，其能耗低、無污染可完全取代鉛酸蓄電池的成效得到初步驗證［3］。隨著中國通信行業(yè)節(jié)能減排問題提上日程，深入開展利用飛輪儲能設備替代鉛酸蓄電池的研究具有重要意義。

1 飛輪儲能設備的優(yōu)劣分析

1.1 飛輪儲能設備的優(yōu)勢

目前國內UPS供電系統(tǒng)大量采用鉛酸蓄電池作為后備電源，而且后備時間達到15分鐘以上甚至是幾個小時，而鉛酸蓄電池存在更換周期短、故障率高、占地面積大、需要配備專用空調、對樓層承重要求高、易污染環(huán)境、不便于擴展和維護等一系列弊端［4，5］。從實際應用情況來看，一般市電電源的可靠性達到3個9（99.9%）以上，而且在斷電情況下后備油機一般能在15秒鐘內迅速啟動并恢復對重要負載的供電［6］。在此前提下，采用飛輪儲能設備替代鉛酸蓄電池作為UPS的后備電源在理論上是可行的，而且具有以下優(yōu)勢［7］：

（1）可完全取代鉛酸蓄電池，綠色無污染、無排放，100%可回收；

（2）故障率低，可靠性高，平均無故障時間（MTBF）在175 200小時以上；

（3）采用機柜式安裝，占地面積小，對機房樓層承重要求低；

（4）管理維護方便，可并機擴容，適合按需分期投資建設；

（5）更換周期長，一般在15年以上；

（6）自身能耗較低，無需額外配置空調；

（7）兼容性好，能和各大主流UPS主機良好地匹配；

（8）同等容量時系統(tǒng)供電效率更高，采用飛輪時為97%以上，而傳統(tǒng)為92%；

（9）安全性高，對電網無諧波反射，因而可改善電源品質；

（10）采用液晶觸摸屏的人機交換界面，操作方便，能實時監(jiān)測并記錄各種狀態(tài)，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)拷貝及上傳等功能；

（11）可實現(xiàn)整個供電系統(tǒng)（包括市電/油機、變配電、UPS等）的全自動響應功能，即在市電斷電或恢復時無需人工手動干預，因而能大大減少整個供電系統(tǒng)的維護管理工作量及維護人員；

（12）該設備移動方便，相比鉛酸蓄電池更適用于移動式UPS電源系統(tǒng)中。

1.2 飛輪儲能設備的不足

目前，國內對飛輪儲能設備的應用還處于試用摸索階段，主要是因為對飛輪儲能設備表現(xiàn)出來的劣勢還心存疑慮和擔憂，主要表現(xiàn)在：

（1）飛輪設備儲存的能量是有限的，更適合應用于大功率場合。飛輪設備的放電時間會隨著負載量的增加而減少，但鑒于成本及市場競爭力的原因，飛輪設備的容量近期不可能做得很小；

（2）采用飛輪儲能設備時，要求后備油機及高低壓變配電設備必須具備快速響應功能。對整個供電系統(tǒng)及維護理念轉變提出了較高的要求；

（3）國內在技術上落后于國外，應用較少且還要依賴于進口。在這些客觀因素及國內各大運營商推行采購與維護分離的機制下，初期較高的投資成本在一定程度上限制其大面積的推廣應用。

綜上，飛輪儲能設備替代鉛酸蓄電池作為UPS的后備電源具備的優(yōu)勢十分明顯，但其備受國內關注的劣勢有其產生的客觀因素且不容忽視，這并不影響飛輪儲能設備取代鉛酸蓄電池的大趨勢。為了能更好地研究該技術及產品結合UPS使用的可行性，十分有必要搭建一套系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試和深入分析。

2 飛輪儲能設備＋UPS的聯(lián)動測試

2.1 系統(tǒng)搭建方案

中國電信北京分公司率先在亦莊局數(shù)據(jù)中心綜合樓利用現(xiàn)有的部分供電設備及高低壓變配電系統(tǒng)搭建了一套飛輪＋UPS供電測試系統(tǒng)并進行了聯(lián)動測試。本次選用的是美國VYCON公司VDC－CE型號產品，單機功率為215 kW，且為獨立柜式結構，與Active Power公司開發(fā)的一體式飛輪UPS設備不同［8］。如圖1所示，該系統(tǒng)包含2臺油機（科勒公司2 000 kW）、1個市電進線柜、1個市電/油機切換柜、1個低壓開關柜、1臺UPS輸入配電屏、1臺UPS主機（艾默生公司400 kVA）、1臺UPS輸出配電屏以及1臺飛輪儲能設備。

圖1 飛輪測試系統(tǒng)結構原理框圖

為了保證飛輪測試系統(tǒng)的獨立性，需要對大樓內原有已建供電系統(tǒng)進行改造。由于亦莊綜合樓內市電尚未引入，本次選用1＃油機作為替代市電，用2＃油機作為后備油機，并將原有油機并機線、市電進線柜與變壓器之間的電纜、UPS主機與蓄電池開關柜的電纜進行斷開并做好防護，待測試完成后再行恢復。本期需自1＃油機引接一條4×150 mm2電纜連至市電進線柜輸出端，作為替代市電（負載為30 kW）。市電/油機切換柜配置了ATS自動切換裝置，還需要新敷設1條4×2.5 mm2的信號電纜，供市電/油機切換柜給2＃后備油機發(fā)送啟動和關閉信號。飛輪儲能設備與UPS主機的線纜連接包括直流輸入線纜連接、弱電控制信號線連接以及飛輪設備引自UPS輸出配電屏的輔助電源線連接。本次自UPS主機輸出配電屏引接1路63 A/220 V分路連接到實驗用30 kW負載電阻箱，以模擬真實帶載情況。另外，此次試驗UPS與飛輪儲能設備間沒有連接切換開關控制線，故UPS無法主動切斷VDC電源。UPS的參數(shù)設定與正常工作時一樣，如開機軟啟動時間仍然設定為24 s。

2.2 系統(tǒng)測試過程

本次主要是檢測市電通電、斷電、閃斷等各種情況下飛輪設備能否充當后備電源的功能，測試市電/油機切換柜能否自動切換開關和控制油機的啟動和關閉，以及后備油機能否根據(jù)控制指令自行完成操作，并記錄各個環(huán)節(jié)的動作及延時時間等。具體測試過程如下：

（1）啟動1＃柴油機模擬市電供電，待電壓正常后，依次接通各開關柜內對應開關，給C6＃UPS主機供電；待UPS輸出穩(wěn)定后，開啟飛輪VDC設備進行儲能充電，經過20分鐘后VDC達到最高轉速（36 000轉/分）并充滿電，至此系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)，可以開始進行切換試驗；

（2）將系統(tǒng)假負載調節(jié)到30 kW；

（3）關閉1＃油機，模擬市電掉電；

（4）VDC發(fā)出報警聲，顯示屏界面上顯示VDC處于輸出狀態(tài)，儲存的能量在減少，飛輪的轉速在降低；

（5）2＃油機自市電斷電迅速啟動，自市電斷電至送電到UPS主機耗時約24 s，加上UPS設置了約24 s的開機軟啟動時間，共計耗時48 s。在此時間內，飛輪VDC設備一直承擔后備電源為負載供電。直至UPS回復正常工作狀態(tài)，飛輪VDC設備停止輸出轉回儲能狀態(tài)；

（6）經過約10分鐘后，VDC的轉速達到36 000轉/分，重新充滿能量。VDC替代蓄電池實驗獲得完全成功；

（7）接著將 UPS輸入電源關斷，仍連接30 kW的負載作為放電負載，測試VDC存儲的全部能量的放電過程。經過96 s后飛輪轉速由36 000 轉/分降至18 600轉/分，說明 VDC在帶30 kW的負載條件下可以正常供電96 s（見圖2）。此時飛輪VDC設備由于輸出電壓低于設定值，自動切斷輸出；

圖2 VDC－CE飛輪儲能放電過程記錄結果

（8）為使VDC逐步停機，去掉負載，UPS打到旁路狀態(tài)。經過約120分鐘飛輪降至0轉速后，依次關閉系統(tǒng)，結束試驗；

（9）在進行模擬市電掉電之前，VDC還捕捉并記錄了一次0.2 s和一次0.13 s的供電閃斷過程（圖3）。

圖3 VDC－CE飛輪儲能設備全過程延時時間記錄結果

2.3 系統(tǒng)測試結果分析

（1）VDC在試驗中分別捕捉到0.2 s和0.13 s的兩次電源電壓跌落，說明采用VDC系統(tǒng)后，能夠將電網電壓的瞬間跌落消除于無形中，提高了系統(tǒng)內設備抗擊電源干擾的能力，對提高IDC機房電源的供電質量有明顯幫助；

（2）VDC在帶30 kW的情況下，從模擬市電掉電開始，至市電最終送達負載整個過程中各個環(huán)節(jié)的延時共計48 s，根據(jù)測試具體如下：從市電掉電開始計時0→市電/油機切換柜延時5 s后開始切換到油機端→油機收到啟動信號到輸出油機電耗時10 s→油機電送達低壓開關柜延時5 s→油機電送達UPS輸入配電屏延時4 s→UPS經過24 s的開機軟啟動，恢復對負載供電，至此飛輪設備立即進入充電狀態(tài)，整個過程耗時約48 s。需要說明的是，UPS主機設置了24 s的開機軟啟動時間，這是為了消除市電斷電、蓄電池瞬間接通時釋放出的極大電流對UPS主機產生的沖擊作用，避免UPS主機因此產生故障。而對于VDC而言，由于輸出功率是根據(jù)需要人為設定的，不會產生沖擊電流。因此，實際使用時可以將UPS主機的軟啟動時間設定為3～5 s，這樣可以大幅度提高VDC的帶載能力；

（3）通過對VDC在帶30 kW的最大維持時間分析，如果將系統(tǒng)各部分調節(jié)到最佳狀態(tài)，VDC完全可以在帶載100 kW的情況下達到最大維持時間：

（4）在測試中發(fā)現(xiàn)VDC在達到規(guī)定轉速36 000轉/分后，處于準備好（Ready）狀態(tài)，此時的維持電流小于3 A，且噪聲很小，可以知道VDC中飛輪的摩擦系數(shù)極小，工作能耗很低。因此VDC是一種非常節(jié)能的產品；

（5）通過測試操作發(fā)現(xiàn)，相比鉛酸蓄電池，VDC自帶液晶觸摸屏，具備良好的人機交互界面，能提供工作狀態(tài)記錄，并且飛輪設備支持所有數(shù)據(jù)的實時上傳和拷貝，可實現(xiàn)遠程的監(jiān)測和控制，且不需要像蓄電池一樣定期進行容量測試；

（6）VDC從16 000轉/分到充滿電36 000轉/分，用時10分鐘左右，這說明VDC的恢復時間很短，而相比蓄電池組幾個小時的充電時間，優(yōu)勢顯而易見。

3 飛輪儲能設備＋UPS的可行性分析

從前面的理論分析和測試結果來看，在傳統(tǒng)的UPS供電系統(tǒng)中利用飛輪儲能設備替代鉛酸蓄電池是可行的，而且后備油機及高低壓變配電均能滿足自動快速響應的要求。下面從投資見效期、節(jié)能減排效果和社會效益方面進一步來分析：

3.1 相對投資見效期

按照同等功率情況下，分別構建單獨飛輪設備的投資成本增長模型與單獨采用蓄電池的投資成本增長模型，進行對比分析來綜合考慮飛輪設備相對于蓄電池的投資見效期。

3.1.1 飛輪儲能設備的投資成本增長模型

本期新增一臺飛輪設備功耗為215 kVA，為1個機柜，凈占地面積為0.54 m2，設備初期投資為300萬，飛輪與UPS主機之間的電纜材料費用很少，20年無需更換，且后期維護費用很低。具體運營成本計算如下：

設備購置費用：300萬（含運輸、安裝費用）；

年耗 電 費 用：0.9元/度 × （220 V×3 A×0.8/1 000×24 h×365天＝0.42萬元/年；

設定經過X年，則飛輪設備的投資成本增長模型為：300萬元＋0.42 X 萬元＝（300＋0.42 X）萬元

3.1.2 采用鉛酸蓄電池的投資成本增長模型

傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的主機按照1臺200 kVA艾默生主機計列，按照后備放電時間20分鐘考慮計算出需要配置的蓄電池容量為400 Ah，總共配置2組×32節(jié)/組＝64節(jié)蓄電池，單節(jié)蓄電池為12 V/200 Ah，同時需要配置電池開關柜1個。參照國家相關規(guī)范和工程預算定額，具體投資成本計算如下：

蓄電池首次購置設備費、建筑安裝費及其他費用：29.3萬元；

蓄電池每年耗電費用：0.9元/度×（384 V×2 A×24 h/1 000）×365天＝0.61萬元/年（廠商建議400 Ah蓄電池耗電按照平均2 A考慮）；

每年為蓄電池而額外增加的空調耗電費用：0.9元/度×（4 kW/2.5）×24 h×365天＝1.26萬元/年（用于蓄電池的空調制冷量按照4 kW考慮，能耗比為2.5）；

蓄電池5年更換一次，因更換產生的蓄電池購置費及安裝維護等費用為：221 077.34（設備費）元＋10 462.35（建安費）元＋12 260.46（安裝其他費）元＋7 314元（預備費）元＝25.1萬元，此項平均每年費用為：25.1/5＝5.02萬元/年；

采用蓄電池導致整體系統(tǒng)故障率相對飛輪要高很多，按照每5年發(fā)生一次大的故障，因維修故障造成的損失按照10萬元/次估列，平均到每年故障維修費用為2萬元/年；

在同時考慮維護通道情況下，蓄電池及開關柜占地面積約為（1.076＋0.8×2）×4.4 m2＋0.6×（1＋0.8×2）m2＝13.33 m2，飛輪設備占地面積為：0.7×0.8×2 m2＝1.12 m2，前者相比飛輪設備多占用約（13.33－1.12）m2＝12.21 m2，可按照12 m2估算。這多占用的機房面積一方面需要前期投入建筑成本為：12 m2×1.5萬元/m2＝18萬元。另一方面這多占用的機房面積本來可以增加機柜擺放數(shù)量而帶來經濟效益，被蓄電池占用后就損失了該部分經濟效益。根據(jù)調查了解到，目前北京地區(qū)IDC機房出租給客戶平均收益在12 000元/（月×機柜）左右，按照凈利潤25%計算，每個機柜能帶來凈利潤3 000元/（月×機柜），折算成單位面積（考慮單個機柜的維護通道占地面積）的凈利潤為：3 000元/［0.6×（0.9＋0.8）］）月×m2＝2 941.2元/（月×m2）。保守估算，可按照單位面積的凈利潤為2 800元/（月×m2）考慮，因采用蓄電池多占用的機房面積每年損失的經濟效益為：12 m2×2 800元/（月×m2）×12月＝40.32萬/年；

蓄電池需要經常進行容量測試，考慮測試人員的各種成本，按照每年測試費用2萬元/年計列；

采用飛輪儲能設備后，整個供電系統(tǒng)具備全自動的響應功能，無需人工干預操作，管理和維護十分便捷，可大大降低系統(tǒng)的維護工作量。而采用鉛酸蓄電池無法實現(xiàn)整個系統(tǒng)全自動響應功能，需要人工手動操作，從整體供電系統(tǒng)的維護和管理角度考慮，需要配置2名維護人員，按照每人每年工資7萬元計列，每年需要支出的維護人員工資為：14萬元/年；

設定經過X年，則蓄電池的投資成本增長模型為：

3.1.3 相對投資見效期

從上面分析知道，設定年限為X年，飛輪設備的投資成本增長模型為：（300＋0.42 X ）（萬元）；蓄電池的投資成本增長模型為：（47.3＋65.21 X ）萬元。

假設經過20年，及X＝20時，飛輪設備的投資成本總共為：308.4萬元；蓄電池的投資成本總共為：1 351.5萬元，相比飛輪設備投資多出1 043.1萬元。從長遠來看，相對蓄電池來說采用飛輪設備可節(jié)約的投資成本效益十分明顯。

相對投資見效期的計算：假設當X年后蓄電池的投資成本總額等于飛輪設備的投資成本與飛輪間接利潤的差，說明從第X年開始飛輪設備相對于蓄電池開始顯現(xiàn)出節(jié)約投資成本的經濟效益。即此時的X年為飛輪設備相對于蓄電池的投資見效期。由此計算出飛輪設備投資見效期為47.3＋65.21 X＝300＋0.42 X，計算得到：X＝3.9年。

因此，同等功率情況下飛輪設備相對蓄電池的相對投資見效期為3.9年。

3.2 節(jié)能減排效益分析

在節(jié)能方面，飛輪UPS系統(tǒng)有良好的熱穩(wěn)定性和適應環(huán)境溫度范圍寬等特點，在機房中產生的熱量幾乎可以忽略，無需配置專用空調，因而節(jié)省了購置空調的設備費用和耗電成本。由前面的分析知，20年的使用期內傳統(tǒng)的UPS電費＝蓄電池用電費用＋空調用電費＝（0.61×20＋1.26×20）萬元＝（12.20＋25.20）萬元＝37.4萬元；而飛輪UPS系統(tǒng)20年內用費用＝0.42×20萬元＝8.4萬元，相比蓄電池節(jié)省了：（37.4－8.4）萬元＝29萬元，平均每年節(jié)省1.45萬元。因此，相比蓄電池而言飛輪系統(tǒng)的節(jié)電率為：（37.4－8.4）/37.4＝77.54%。

在環(huán)保方面，飛輪設備具有生產應用全程綠色環(huán)保的特點，而且不會產生鉛污染。近年來國內鉛酸蓄電池高速發(fā)展，而因為生產/回收蓄電池導致在生產廠區(qū)周邊地帶屢屢發(fā)生大面積的鉛污染事件，給當?shù)鼐用竦恼Ｉ詈椭苓叚h(huán)境都帶來極大的危害。另外，參照《鉛酸蓄電池單位產量綜合能耗計算方法及限額》，鉛酸蓄電池單位產量綜合能耗2.7 kg（標準煤）/kVAh。對于單塊12 V/200 Ah的鉛酸蓄電池，按每組96塊，20年更換4次，共計384塊蓄電池，計算得：2.7 kg（標準煤）/kVAh×（12 V/1 000）×200 Ah×96×4＝2 488.32 kg≈2.49噸（標準煤）。一般1 kg標準煤可產生至少3 kgCO2，因此20年內因采用蓄電池產生的CO2排放量為：2.49噸×3＝7.47噸

3.3 社會效益

飛輪儲能技術作為一種綠色環(huán)保新興儲能技術，在國外已經相當成熟并得到普遍應用，在國內十分少見。北京電信分公司大膽率先開展了飛輪儲能技術及產品實地應用測試工作，對提升運營商的整體維護管理水平、構建精細化的維護管理體系及降低企業(yè)運營維護成本都具有現(xiàn)實和積極意義。

4 結論和建議

本文通過搭建一套模擬飛輪＋UPS供電測試系統(tǒng)，從工程實際角度論證了在UPS供電系統(tǒng)中利用飛輪設備替代鉛酸蓄電池的可行性。通過利用飛輪儲能設備，有助于實現(xiàn)整個供電系統(tǒng)的全自動運行和快速響應，而且從投資見效期、節(jié)能減排效果和社會效益方面相比鉛酸蓄電池優(yōu)勢明顯。為了促進飛輪儲能技術及產品在中國的推廣應用，建議一方面加強相關規(guī)范和制度的建設，整合各類資源進行技術攻關，研發(fā)出擁有自主知識產權并適合國內應用特點的一體式飛輪UPS產品，逐步淘汰鉛酸蓄電池。另一方面，在運維方面要改變傳統(tǒng)的單一手動操作和管理理念，隨著飛輪儲能技術的日益成熟和應用，是可以實現(xiàn)整個供電系統(tǒng)全自動運營和精細化維護管理的。最后，鑒于飛輪儲能技術及產品的巨大優(yōu)勢和效益，建議政府在政策及資金方面給予支持，鼓勵各大運營商及企事業(yè)單位積極參與，共同推動飛輪儲能技術及產品在國內的良性發(fā)展和應用。

［1］ 鄧成博.磁懸浮飛輪儲能技術UPS及連續(xù)供電［J］.電源世界，2008，12 ：31－34.

［2］ http：//datacenter.chinabyte.com/1/12083501.shtml.

［3］ 飛輪 UPS的技術原理及應用［EB/OL］.http：//www.jifang360.com/news/2011323/n729418016＿2.html.

［4］ 中國飛輪儲能：前景未可知［J］.中國儲能，2010，12：11－20.

［5］ 飛輪技術進入中國［EB/OL］.http：//datacenter.chinabyte.com/220/12080220.shtml.

［6］ 15秒鐘于15分鐘的對比－高效性的設計［Z］.ActivePower公司白皮書107：1－4.

［7］ VYCON VDC and VDC XE User Manual（CE VERSION）［Z］.美國 VYCON公司，2008，11：1－40.

［8］ 淺談飛輪儲能技術免電池UPS系統(tǒng)［EB/OL］.中國電子信息產業(yè)網，http：//www.cena.com.cn/Article/jichudianzi/2007－06－25/20070625104824＿2663.shtml.