最新一代免蓄电池磁悬浮飞轮储能技术
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——引爆不间断电源系统革命
　　2007年9月30日由北京泰莱克信息系统技术开发有限公司总代理的美国Active Power公司的CleanSource UPS电源系统（即最新一代免蓄电池磁悬浮飞轮储能技术UPS电源系统）已成功在中国网通（集团）山西省通信公司太原第二枢纽楼开通运行，运行稳定，效果良好

　　上图为在山西网通太原第二枢纽楼动力机房运行的免蓄电池磁悬浮飞轮储能技术UPS电源系统。

　　现代信息社会，对于信息时效性要求极高，一旦信息中断，会带来不可估量的直接经济损失和社会负面影响。近年来，电信运营商、大型数据中心、政府重要部门及大型生产企业等单位，对正常的电力保障供应要求越来越高，因而对于机房设备及生产设备提供的UPS电源系统（即不间断电源系统）保障的要求越来越苛刻。因此，要求必须提供365*24小时连续不断的、高效、安全、可靠的电力供应保障。
　　传统UPS电源系统利用了化学蓄电池储能技术，即利用化学蓄电池作为电能的储存装置，而化学蓄电池存在着诸如占地面积大、故障率高、维护周期密集、维护成本高、使用寿命短、受充放电次数的限制，对环境的污染严重以及对工作温度及其它工作环境指标要求高等问题。由于人们现在对节能减排的要求，对环境保护的要求，及对蓄电池性能特点的要求不断提高，在许多领域中，人们已经不能接受化学蓄电池的弊端，而逐渐将目光放在更加先进的储能技术方式上，以替代传统的化学蓄电池储能技术。
　　如何在取消传统蓄电池的使用而使UPS电源系统更加安全可靠？如何取消传统蓄电池的使用而使UPS电源系统更加环保、节能、低耗？如何取消传统蓄电池的使用而使UPS电源系统的投入费用和运行维护费用更加节省同时还能够节省大量的占地空间？是摆在UPS电源系统使用者和UPS电源系统制造商面前的新课题。
　　在这种新形势下，美国Active Power公司采用了无需传统蓄电池、绿色环保的磁悬浮飞轮储能技术，使UPS电源系统的体积大大减小，可靠性大大提高。这样既能满足客户对UPS电源系统整体解决方案的要求，也能满足客户对移动性的要求，填补了市场的空白，成为了市场的新宠。下面我们就处于国际领导地位的美国Active Power公司的CleanSource UPS电源系统在技术性能和经济性方面做一个简单的介绍。

一、 系统介绍：
　　1. 系统概述：
　　CleanSource UPS电源系统是一种采用磁悬浮飞轮储能技术，在线互动式的UPS电源系统。当市电正常供电时，直接由市电向负载供电，同时利用飞轮装置储存能量；当市电偏低或偏高时，通过UPS内部稳压线路稳压后向负载供电；当市电异常时，UPS将储存在飞轮里的机械能转化为电能，向外界负载供电，同时在规定时间内，转为后备发电机向外界负载供电；一旦市电恢复正常，则立即切换到市电向外界负载供电。
CleanSource UPS电源系统提供电压控制、停电保护以及瞬间断电保护等等功能，提供良好的稳定的电源，能在关键负载、电网电压下降、波动或停电情况下进行相应的保护。
　　2. 磁悬浮飞轮储能技术及装置介绍：
　　(1) 磁悬浮飞轮储能技术的介绍：
　　磁悬浮飞轮储能技术是一种可靠而环保的绿色储能技术，它是以高速旋转的飞轮铁芯作为机械能量储存的介质，同时使用磁悬浮技术对飞轮加以控制，并利用电动机/发电机和能量转换控制系统来控制电能的输入和输出。
无论是在工业化国家还是在发展中国家，电能质量问题正变得日益重要，用于提高电能质量的磁悬浮飞轮储能技术是一种技术先进、成熟，应用前景广阔并有很大市场发展潜力的新型环保储能技术，国外很多公司已都已经将其产品化来提高电能质量，这样就使磁悬浮飞轮储能技术越来越受到人们的重视，越来越广泛地开始应用于国内外的许多行业中。
　　(2) 飞轮储能装置介绍及其结构、组成：
　　飞轮储能装置是将外界输入的电能，通过电力电子装置驱动飞轮转动，由此将电能转化为飞轮转动的动能（机械能）储存起来，当外界需要电能时，飞轮转动的动能转化为电能，再通过电力电子装置变成不同负载所需要的不同频率、不同电压等级的电能，输出到外部负载，以满足不同负载的需求。

　　从图1的结构示意图可以看出，飞轮储能装置的核心部件为：飞轮和电力电子装置。
　　此外，飞轮储能装置内部飞轮使用磁悬浮技术，减少了机械摩擦，降低了空闲运转时的能量损耗，提高了飞轮的转速和飞轮储能装置的效率。同时，飞轮全部密封放置在一个真空的容器内，减少了空气阻力。
　　3. CleanSource UPS电源系统在实际配置方案中的应用：
　　CleanSource UPS电源系统的创新之处在于利用磁悬浮飞轮储能技术代替了传统UPS电源系统不可靠的化学蓄电池储能技术，来提供市电供电瞬断保护，或在长时间停电时，自动启动发电机为负载供电，同时提供此时所需的过渡能源，保证整个供电系统的不间断。
　　CleanSource UPS与备用发电机组合起来构成了一个完整的不间断电源供电系统，可以克服电网短暂扰动和长期停电，保证为重要敏感负载提供一个良好的工作环境，同时有效降低了机房设备的占用空间和维护成本。
　　下图为传统UPS电源系统和CleanSource UPS电源系统在动力机房内的配置方案比较，
如图2、图3所示：

　　4. 系统工作连接示意图：

　　5. 系统工作过程：
　　1) 输入市电（飞轮储能）：
　　接通市电，利用真空泵将飞轮抽成真空状态，将开关打到旁路位置，给飞轮加电加温，当飞轮温度达到正常值时，即给飞轮加电启动工作，此时市电（三相交流电）经整流供给磁力线圈，同时整流后的直流又经过逆变器供给飞轮工作线圈产生旋转磁场使飞轮转子工作，直到飞轮转速达到7700转/分（储能结束），再将开关从旁路打到在线位置（在线工作）。
　　2) 市电切换（瞬间断电）：
　　当市电在切换供电过程中，即市电输入会出现断点时，由于飞轮是在线运行，此时高速旋转的飞轮立刻转入发电机工作输出，因此输出并没有出现断点，完全满足了对于负载设备的不间断供电。
　　3) 市电故障时（首先由飞轮供电，然后转入柴油发电机供电）：
　　当市电出现故障时，负载先由飞轮供电，直到飞轮容量下降到85％时，监控软件发出指令自动启动柴油发电机组，由此立即转入柴油发电机组供电，在柴油发电机组供电的同时，飞轮又储存了能量，飞轮带负载的时间要根据负载的大小来决定。
　　4) 市电恢复正常：
　　当备用柴油发电机组正常工作时又遇来市电时，首先有监控软件要确定市电是否正常，当确认市电恢复正常120秒钟后，自动切换到市电供电，柴油发电机组经过300秒冷却后自动停机待命。
　　5) 市电受到干扰时对负载的保护：
　　当市电发生异常波动时，磁悬浮飞轮UPS将市电输入自动断开，立即转入飞轮供电，以避免电网电压过高过低而影响用电设备，因此，磁悬浮飞轮UPS能达到对负载很好的保护作用。
　　6. 系统工作模式：
　　1) 在线充电模式：

说明：
　　Online－在线模式是系统的标准运作模式，当系统用于这个模式时，负载得到保护，为了供应负载，系统具有放电能力。
　　Online充电－当飞轮转速达到4000RPM时，系统处于这个状态，系统得到充电，系统也能支持放电。
　　Online Standby－当飞轮速度达到7700RPM时，且系统并没有向负载供电，这时飞轮处于空载待机状态。

　　2) 在线放电模式：

说明：
　　Online Discharging（在线放电）－当电网一旦断电，或出现影响供电的其它故障时，则系统中的飞轮向负载供电，这种状态就称系统处于在线放电状态。
　　3) 旁路模式：

说明：
　　Bypass－旁路模式将进入的市电直接连接负载，当系统处于旁路模式时，负载是不被UPS保护的，要受到市电中断的影响。
　　有下列事件之一者则进入旁路模式：启动、按钮开关（手动）、纠正故障而失败。

二、 CleanSource UPS电源系统的特点和优势：
　　1. 高可靠性、高安全性：
　　1) 瞬间断电的保护：当市电输入出现断点时，由于CleanSource UPS电源系统内的飞轮是在线运行状态，此时高速旋转的飞轮立刻转入发电机工作输出状态，向负载进行供电，因此输出并没有出现断点，完全满足了不间断供电，此时对飞轮储能装置不会产生任何的影响。而对于传统UPS电源系统来讲，当市电输入出现断点时，蓄电池会频繁的处于充放电状态，这样大大降低了蓄电池的性能和使用寿命。所以CleanSource UPS电源系统对瞬间断电起到了良好的保护作用，大大提高了供电系统的可靠性和安全性；
　　2) CleanSource UPS电源系统工作寿命长达20年：在工作寿命期间系统工作是稳定、可靠而安全的；
　　3) 无蓄电池储能技术：目前，传统UPS电源系统最大的薄弱环节就是蓄电池组，在传统UPS电源系统返修的过程当中，我们发现传统UPS电源系统的故障70%由蓄电池引起。而CleanSource UPS电源系统采用创新的磁悬浮飞轮绿色储能技术，免去了传统UPS电源系统因蓄电池而带来的不可靠和不稳定性，因此大大提高了供电系统的可靠性和安全性；
　　4) CleanSource UPS电源系统是一种在线互动式的UPS电源系统：与传统UPS电源系统相比，CleanSource UPS电源系统的设计理念更为简单、实用、有效，传统UPS电源系统要不断的通过整流器和逆变器转换电能，因此易造成共用点的故障，降低了系统的效率，而CleanSource UPS电源系统是一种在线互动式的UPS电源系统，它同时具备了后备式UPS和在线式UPS的特点和优势，不仅大大提高了UPS电源系统整机效率，而且通过相应技术先进的自动稳压和滤波电路能够保证为负载提供纯净的交流电，从而提高了供电系统的可靠性；
　　5) 自动稳压和滤波功能强大：CleanSource UPS电源系统内部的自动稳压调整电路和滤波电路，主要功能是稳压及防止电波干扰，CleanSource UPS电源系统能够保证在交流输入不稳定的情况下，向负载提供稳定而可靠的电力。
　　2. 高可用性：
　　1) 高效率、低能耗：通过在线互动式UPS的设计方式，使CleanSource UPS电源系统整机效率达到98％，由于其系统整机效率很高，所以较之传统UPS电源系统大大节省了UPS运转耗电量；
　　2) 功率因数高：0.99的高输入功率因数，能够减少无功损耗，节约电能，降低电网的谐波污染及空间辐射干扰；输出功率因数达到0.9；
　　3) 消除市电谐波能力强：CleanSource UPS电源系统能够有效的净化市电电压，防止市电谐波影响到CleanSource UPS电源系统内的功率器件，防止所有的干扰影响负载；
　　4) 系统采用高集成度模块化设计、可扩容、可兼容、支持N+X冗余备份；
　　5) 完善的自动本地、远程监控：系统可选的监控软件为操作员提供了与CleanSource UPS电源系统进行人机对话的界面，允许操作者启动和停止UPS，改变运行参数和操作模式，显示系统错误和遥测数据。可实时监控如下信息：输入输出电压，功率因素，输出电流，飞轮温度、线圈温度、轴承温度、轴承压力、飞轮速率，放电数量、真空度等。对市电、柴油发电机组，飞轮UPS，切换柜供电状况实时进行监控，并将工作状况的重要信息以短信方式、拨号上网等方式远程监视整个系统的运行状况；
　　6) 适应及其恶劣的工作环境：运行温度范围：–20°C 到50°C；
　　7) 系统噪音低：在一米内小于72dbA；
　　8) 过载能力强：1000%额定负载 10毫秒、500%额定负载 1秒、200%额定负载 30秒、125%额定负载 10分钟；
　　9) 安装简单、维护方便；
　　10) 占地面积小，最高节省75％的占地面积（同等功率）。
　　3. 高经济性：
　　1) CleanSource UPS电源系统占地面积小，节省机房租金：最高节省75%的占地面积（同等功率）。经核算，以额定容量为500KVA的UPS电源系统为例，按IDC机房年租金12万元人民币/M2的价格估算（北京地区），每年大约能够为用户节省机房租金134万元人民币左右；
　　2) CleanSource UPS电源系统节省运转耗电量，从而节省电费。经核算，以额定容量为500KVA的UPS电源系统为例，按1元人民币/kWh 的价格估算，每年大约能够为用户节省用电量40万度左右，每年大约能够为用户节省电费40万元人民币左右，每年大约能够节省标准煤的消耗160吨左右，每年大约能够减少二氧化碳排放量400吨左右；
　　3) 空调费用的节省：
 　空调运转的成本费用节省：如果分析空调系统运转所需要的电能，通过长时间的系统运转就能切实的体会到CleanSource UPS电源系统的节能效应；
　　 购买空调的投入成本费用节省：由于我们的CleanSource UPS电源系统无需加装空调系统进行散热，因此节省了用户对于空调系统的投入资金；
　　4) 运维费用的节省：由于传统UPS系统中的蓄电池部分故障率高，维护周期密集致使维护成本很高，而CleanSource UPS电源系统后期的维护量很小，从而产生的运行维护费用较之传统UPS电源系统会大大减少，无需支付更换蓄电池的巨大费用。
　　4. 可维护性：
　　CleanSource UPS电源系统维护方便，后期给运维部门和运维人员的压力和工作量很小，只需：
　　1) 每隔2～3个月，清理空气滤网一次；
　　2) 每隔3～5年，更换飞轮轴承一次；
　　3) 每隔1年，更换真空泵油一次。
　　5. 高环保性：
　　绿色环保、无蓄电池储能技术：传统UPS电源系统中的蓄电池部分对环境的污染严重和腐蚀问题难以避免，而CleanSource UPS电源系统绿色环保，可完全回收。随着当今社会人们环保意识的不断增强，在许多领域中，人们已经不能接受化学蓄电池的弊端，而逐渐将目光放在更加先进的无蓄电池绿色飞轮储能方式上了。
三、 结论：
　　综上所述，与传统UPS电源系统相比，CleanSource UPS电源系统有着很多优势。这些优势包括：节省空间、安装成本低廉、节约运转耗电量、不使用空调系统、不使用危害环境的蓄电池、减少施加在机房上的结构重量、不存在与发电机的兼容性问题、可靠性更高，无需支付更换蓄电池的巨大费用等等。
　　由于CleanSource UPS电源系统自身结构的原因决定了它只适用于大功率市场。以往选择备用发电机组和传统蓄电池式UPS电源系统的客户，如果使用的功率足够大（120KVA以上）的话，可以考虑使用CleanSource UPS电源系统，这将是当前最佳的选择。