分布式发电系统图解（移动式飞轮储能应急供电系统设计）

当下，电能的产生和输送还是主要依赖于集中发电、远距离输电的方式。这种输电方式占了全世界90%的供电。但是这种输电方式有着很大的弊端，例如，电力要求量的增加导致电压不稳，线路和发电问题导致的输电中断^[1]。

由于上面的集中供电的弊端，人们逐渐意识改变供电方式的重要性，但是风能、太阳能等能源由于供电量少，能源转换率低，不能代替之前的供电方式，因此分布式供电的作用被凸显出来。所谓的分布式供电，就是指各种独立的供电设备（容量为10 kW~50 kW）与储能设备结合在一起，用于改善当前用的输电系统，提高输电系统的可靠性。

飞轮储能技术就是一种分布式供电方式，如果合理利用，能够承担一个城市20%的供电，甚至可以替代UPS系统。

如今，能量储存技术成为了一个世界性热门课题。而飞轮储能技术因为操作简单且供电灵活受到了相关专家和企业的关注。在20世纪50年代，飞轮储能技术已经被提出，并有部分应用于汽车上，由于当时硬件与科技的限制，此技术一直没有得到广泛的推广和应用^[2-3]。近年来，由于磁悬浮技术的发展，高强度材料的出现和能量转换技术的提高^[4]促进了飞轮储能技术的发展，从而使飞轮储能技术在诸多领域得到应用。

现在，许多科技强国都在设计飞轮储能技术的研究，并且把飞轮储能技术转向了市场，使其市场化、产业化，并已经开始应用于航天航空、军事设备、医疗设备、通信设备等领域^[5-6]。美国、德国、日本等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较多。日本已经制造出在世界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统(容量为26.5 MVA ,电压为1 100 V ,转速为510 690 r/min ,转动惯量为710 t·m²。美国马里兰大学也已研究出用于电力调峰的24 kWh的电磁悬浮飞轮系统。飞轮重172.8 kg, 工作转速范围为11 610~46 345 r/min, 破坏转速为48 784 r/min, 系统输出恒压110~240 V, 全程效率为81%。经济分析表明, 运行3 年时间可收回全部成本。飞轮储能技术在美国发展得很成熟,他们制造出一种装置,在空转时的能量损耗达到每小时0.1%。

本文所描述的移动式飞轮储能应急供电系统主要针对于各种重大庆典、会议和活动。该系统可以为客户提供最高级别的电力供电保障。

1 飞轮储能原理介绍

飞轮储能技术是新兴的电能储存技术，它与超导储能技术、燃料电池技术一样，都是近年来出现的有很大发展前景的储能技术。虽然目前化学电池储能技术已经发展得非常成熟，但是化学电池储能技术存在着诸如充放电次数的限制、对环境的污染严重以及对工作环境温度高等问题。这样就使新兴的储能技术越来越受到人们的重视，尤其是飞轮储能技术，已经开始越来越广泛地应用于国内外的许多行业中。飞轮储能最基本的工作原理是将外界输入的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储存起来，当外界需要电能时，通过发电机将飞轮的动能转化为电能，输出到外部负载。为了减少空闲运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，飞轮储能装置轴承使用非接触式的磁悬浮轴承技术，将电机和飞轮都密封在一个真空容器内，以减少风阻，保障系统的正常运行。图1所示是飞轮储能的工作原理图。

飞轮储能的具体工作原理如下：

（1）市电正常供电时，ATS双电源切换开关选择市电侧供电，通过飞轮储能UPS对负载供电。

（2）市电中断或者故障时，飞轮储能UPS对负载供电，并延时发送油机启动信号启动油机。油机启动后，ATS双电源切换开关选择油机侧供电，通过飞轮储能UPS对负载供电，同时对飞轮储能UPS充电。

（3）市电恢复2 min后，飞轮储能UPS系统判断市电正常后，ATS双电源切换开关选择市电侧供电，3 min后，发出油机停机信号。

（4）当市电出现瞬间断电时，直接由飞轮储能UPS对负载供电，不启动油机，实现不间断供电。

（5）旁路开关是维护旁路开关或单独使用油机应急供电时使用的开关，不通过飞轮储能UPS，由油机直接对负载供电。

飞轮储能装置中有一个内置电机，它既是电动机也是发电机。在充电时，它作为电动机给飞轮加速；当放电时，它又作为发电机给外设供电，此时飞轮的转速不断下降；而当飞轮空闲运转时，整个装置则以最小损耗运行。

飞轮储能器中没有任何化学活性物质，也没有任何化学反应发生。旋转时的飞轮是纯粹的机械运动，飞轮在转动时的动能为：

式中： J为飞轮的转动惯量，ω为飞轮旋转的角速度。

2 飞轮储能设计

飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电， 经功率经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。

2.1 飞轮储能载体设计

受限于建筑面积、建筑成本、构建时间、能源消耗、维修运营等诸多因素，具备快速部署能力、方式更加灵活、运行更加经济可靠的箱式数据中心日益成为市场新宠。本飞轮储能系统选择集成飞轮UPS的模块化不间断供电系统的可移动集装箱作为飞轮储能的载体。

飞轮储能集装箱是模块化、移动式持续电源系统，由4个标准部分组成，基于Active Power公司的高效及高弹性结构，飞轮储能集装箱系统可被快速装配及应用。标准的集装箱便可容纳整套电源系统，集装箱可被放置在诸如房顶、闲置的装卸间、院落甚至停车厂之类的场所。

另外，飞轮储能集装箱具有高度灵活性，是专为不断变化使用地点而设计的电源系统。它的功率范围从200 kW到800 kW不等，是完全可以扩展的结构，可随用户需求扩容备用电源。传统备用电源需单个部件现场组装，而飞轮储能集装箱系统是由工厂完成全部组装、检测及定制工作，拥有全程质量保证。其效率很高，但占用空间却很小，只占用传统数据中心1/4的面积，所以用户可在现场限制条件下迅速部署具有安全防护特点的飞轮储能集装箱系统。这套系统可断开后运输到新的地方，在几小时之内便可重新启动运行。

2.2 飞轮关键部分设计

飞轮的原理简单，主要结构和运行方法已经基本明确，但要实现起来却并不容易,要突破的关键技术有：(1)飞轮转子的设计：转子动力学，强度和密度的优化 ；(2)磁轴承和真空设计：低功耗，动力设计，高转速，长寿命；(3)功率电子电路：高效率，高可靠性，低功耗电动\发电机；(4)安全及保护特性：不可预期动量传递，防止转子爆炸可能性，安全轻型保护壳设计；(5)机械备份轴承：磁轴承失效时支撑转子。

本文设计了一种可以完成以上要求的飞轮，此飞轮主要依托于超导磁悬浮原理。超导磁悬浮原理：当将一块永磁体的一个极对准超导体并接近超导体时，超导体上便产生了感应电流，该电流产生的磁场刚好与永磁的磁场相反，于是二者便产生了斥力。由于超导体的电阻为零，感生电流强度将维持不变。若永磁体沿垂直方向接近超导体，永磁体将悬空停在自身重量等于斥力的位置上，而且对上下左右的干扰都产生抗力，干扰力消除后仍能回到原来位置，从而形成稳定的磁悬浮。超导磁悬浮原理的出现能够减少轴承损耗，使能够满足要求的飞轮设计成为可能，图2所示为飞轮结构图。

飞轮主要由上部磁力空间、固定器、飞轮内腔、轴承套件和飞轮转子组成。其中，上部形成的磁力空间可以减轻飞轮转子重量对底部轴承的压力从而减小摩擦力；飞轮内腔被真空泵抽成真空状态以减小旋转中产生的空气摩擦力；轴承套件和固定器主要用来固定转子，并且可以更换；供电正常时，飞轮转子在电力驱动下转速不断升高，达到额定转速，类似一台发动机；当供电中断时，在磁力空间中旋转的飞轮，就类似于一个短时供电的发电机。在有电力驱动的情况下，飞轮的持续转速能到达7 700 r/min，当电力出现中断时，飞轮靠惯性继续旋转，此时飞轮类似于发电机，将动能转化为电能。

由于飞轮的独特的设计方式，使得飞轮可以在摩擦很小的真空环境中持续旋转，并且飞轮可以在磁力环境及轴承的支撑下转动达到最佳运行状态，同时也减轻了轴承的压力，增加了轴承的寿命，转速达到 50%, 系统已可以对外进行放电。

2.3 输入输出电源的设计与保护

2.3.1 电压调节设计

本文采用的电压调节为连续电压调节，主要是通过变换器和市电的线性电抗器调节无功电流间接调节电压。例如，当输入电压低，电流相位超前时，变换器提供无功电流；当输入电压高，电流相位滞后时，变换器吸收无功电流；当输入电压正常时，不提供无功电流补偿，功率因数为1。图3所示为电压调节原理图，补偿完的电压如图4所示。

2.3.2 谐波消除设计

本文中飞轮储能设备的UPS控制单元采用数字信号处理技术初六电流谐波测量负载电流谐波，变换器提供谐波电流，并维持输出电压的正弦波形，其中负载谐波不会影响到输入波形。图5为谐波消除后的波形图。

2.3.3 变化电压窗口

此飞轮储能系统可以做到50 μs对电压值取样一次，并且工厂设定点在当前电压的±15%，从而可以避免瞬态变化引起的频繁放电。

并且，此系统可以在电压扰动时，在1 ms内恢复到设定电压。从检测到恢复电压耗时100 μs，1 ms内从检测完全恢复电压。该系统能够保护使用者的重要负载，即便是非常大的电压扰动。图6所示为输入电压变化曲线图。

2.3.4 UPS保护

CSUPS必须满足下列条件开始放电：

（1）一个周期内电压有效值偏离预设极限范围(工厂设定在 /- 10%)。

（2）瞬态电压扰动超过预设的瞬态电压调节设定范(工厂设定在 /- 15%)。

（3）输入频率超出预设的调节范围。

满载时输入电压在调节窗口内, /- 10% ,300系列CSUPS保持输出电压在 /- 2%的范围内。

2.4 显示面板设计

ATS面板共有10个LED显示灯，其中单色显示灯为7个(L1/L2/L3/L4/L5/L6/L10)，多色显示灯为3个(L7/L78/L9)，如图7所示。

每个LED灯的显示功能如下：

L1：市电线上信号灯。如果市电线上有市电存在于输入端，则L1会显示为绿色。

L2：油机在线信号灯。如果油机已经启动并且处于正常发电状态，则L2会显示为绿色。如果市电油机两路都有输入，则L1/L2灯可以同时显示为绿色。

L3：转换开关在市电信号灯。如果ATS转换开关的触点处于市电端，则L3会显示为绿色。

L4：转换开关在油机信号灯。如果ATS转换开关的触点处于油机端，则L4会显示为绿色。由于转换开关的触头一定在任一输入端，因此L3和L4不可能同时点亮。

L5：UPS输入开关信号灯。当UPS输入开关1QF闭合时，L5会显示为绿色。

L6：UPS输出开关信号灯。当UPS输出开关闭合时，L5会显示为绿色。

L7：UPS旁路开关信号灯。当UPS处于维修旁路时（2QF闭合），L7会显示为绿色。当2QF未处于互锁时，即2QF可以闭合时，L7显示为黄色。

L8：油机状态显示灯。当柴油发电机处于自动状态时，L8显示为绿色，同时AUTO字体会显示为绿色。当柴油发电机处于自动状态有报警信号时，L8会显示为红色闪烁。当柴油机处于手动状态时，L8会显示为黄色。

L9：UPS状态显示灯。当UPS处于在线状态时，L9显示为绿色。当UPS处于脱机状态时，L9显示为红色。当UPS的状态为不在线、不在旁路同时无报警、无提醒时，L9显示为黄色。当UPS状态为在线但有报警时，L9显示为绿色闪烁。当UPS状态为内部旁路但无报警、无提醒时，L9显示为红色闪烁。

L10: GENSTART状态显示灯。当Genstart处于自动可用状态时，L10会显示为绿色。

2.5 性能指标

（1）输出电压稳定在额定电压 /-1%；

（2）输出频率为50 Hz ( /- 0.2%频率漂移)；

（3）输出THVD <3%线性负载 <5%非线性负载；

（4）当电压过载1 000%时可以维持10 ms,当电压过载500%时可以维持1 s,当电压过载200%时可以维持30 s；

（5）输入电压范围10%~15%；

（6）输入功率因数 0.99；

（7）输入谐波<3%；

（8）浪涌抑制器符合 IEEE587标准；

（10）采用全模块式设计；

（11）智能化的高效率的冗余切换。

3 系统特点

本文中设计的飞轮储能系统因为设计方法特别，具备了下面几种优势：

（1）零毫秒级

零毫秒级不间断供电，提供最高级别的电力保障。系统采用目前全球最先进的飞轮储能UPS供电设备，实时在线，可以为重要负载提供真正意义上的零毫秒级断电保护。

（2）高续航力

飞轮储能UPS与柴油发电机组通过智能化过程控制，实现重要负载的不间断、长时间供电。

（3）高可靠性

飞轮磁悬浮技术的应用，消除了传统UPS中的不可靠成分，可靠性能达到99.999 99%，可以适应各种复杂工作环境，对环境温度要求低，启动温度为-20℃~40℃，运行温度为0℃~40℃。

（4）高效率

受益于先进的飞轮储能技术，系统效率高达98%。

（5）维护简便

超长使用寿命，在性能和效率不随时间下降的同时，更可以保证超过20年的使用寿命，期间无需更换储能模块。

（6）整体噪音低

采用了飞轮技术，具有恒定转速、低噪音、低摩擦等特点，降低了操作时的噪音排放。

（7）低碳技能

移动式飞轮储能应急供电系统使得发电机组处于冷备份状态，可以有效降低燃料消耗，从而节省燃料费用，同时减少对环境的影响。

4 系统测试结果及应用

在本文中，对飞轮储能不间断电源带负载性能进行了测试，图8为无负载1 pF电容测试图，该测试为应用备用1 pF电容同时突然断开负载；图9为在有负载运行的情况下突然加上1 pF备用电容的测试波形图；图10为在飞轮储能输出测加上1 pF电容的波形图；图11为从备用侧转化为旁路时静态旁路的波形图；图12为从断开供电电源，飞轮储能设备代替供电电源时的波形图。

分析上述波形图可知，当市电断电时，飞轮储能电池开始供电，并且在经过2.51 ms后，供电电压恢复正常，能够保证负载的用电要求并且能做到零毫秒级、不间断、长时间、高质量的电力供给。

在本文中所描述的移动式飞轮储能设备已经被广泛运用到许多活动和场合中作为备用电源，为电力系统提供了安全可靠的保障。例如，在2009年国庆60周年天安门阅兵及庆典中运用此飞轮作为应急供电系统；2010年上海世博会应用此飞轮储能为世博会关键电源提供保障；2011年金砖四国会议&博鳖亚洲论坛采用此设备确保急转四国会议零毫秒不间断供电；2014年北京APEC会议采用飞轮储能系统执行会议保电任务。

5 结论

本文通过设计移动式飞轮储能系统的载体、飞轮和输入输出电压，能够保证输出稳定可靠的输出电压和电流。并通过对产片的测试，表明此飞轮储能具备零毫秒级、不间断、长时间、高质量的电力供给的优势。

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作者信息:

张宏炯，陈建树，王家蓬，马文营，钱叶牛

（国网北京市电力公司通州供电公司，北京 101100）

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