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范文一：飞轮电池的发展现状与应用
飞轮电池的发展现状与应用
【摘 要】目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，已逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠-硫电池、镍-镉电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等等，本文主要阐述飞轮电池的目前广阔前景。
【关键词】飞轮电池；现状；应用
随着人们环保意识的增强，全世界人们都在寻找一种无污染或污染小的能量供给方式。飞轮技术由于是电能和机械能的相互转化，不会造成污染，飞轮储能电池的概念起源于上世纪70年代早期，最初只是想将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。直到上世纪90年代由于电路拓扑思想的发展，碳纤维材料的广泛应用，以及全世界范围对污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展。
飞轮电池实际上是一种电能转换和储存装置。飞轮可以储存能量，根据飞轮能够储存和释放能量的特性研制的一种机械式蓄电池就是飞轮蓄电池。在飞轮的内部镶有永久性磁铁，外壳上装有感应线圈，这样飞轮就具有电动机和发电机的双重功能，充电时飞轮中的电机以电动机的形式运行，在外接电源的驱动下带动飞轮旋转，达到极高的转速，从而完成电能—机械能转换的储能过程；放电时飞轮中的电机以发电机的状态运行，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能—电能转换的释放过程。
飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行使时和刹车制动时，给飞轮电池充电；飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳，最优状态下的转速，可减少燃料消耗，空气和噪声污染，并可以减少发动机的维护，延长发动机的寿命。飞轮电池电动汽车利用储存在随车飞轮中的机械能驱动汽车前进。它的推进系统由飞轮电池，电机控制器，电机和传动系统等组成。
飞轮电池实际上是一种机-电能量转换和储存装置。飞轮可以储存能量，根据飞轮能够储存和释放能量的特性研制的一种机械式蓄电池就是飞轮蓄电池。在飞轮的内部镶有永久性磁铁，外壳上装有感应线圈，这样飞轮就具有电动机和发目前随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾，开发节能及采用替代能源的环保型汽车，以减少对环境的污染，成为当今世界汽车产业发展的一个重要趋势。汽车制造行业纷纷把目光转向电动汽车的研制。能找到储能密度大，充电时间短，价格适宜的新型电池，是电动汽车能否拥有更大的机动性并与汽油车一争高下的关键。而飞轮电池因具有清洁，高效，充放电迅捷，不污染环境等特点而受到汽车行业的广泛重视。预计21世纪飞轮电池将会是电动汽车行业的研究热点。
飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆
范文二：飞轮UPS的技术原理及应用
飞轮UPS的技术原理及应用
提到飞轮动态UPS,可能很多工程技术人员对此比较陌生。为了对动态UPS有进一步的了解,以下简单介绍一下UPS的发展历程。
UPS从最初的飞轮发电机到今天,已经度过了40多个春秋,由单一旋转发电机式发展到今天的多功能旋转发电机式、静止变换式、旋转静止结合式三大类。最早的UPS原本是用途广泛的电力保障设备,随着半导体技术和电力电子技术的进步和发展,诞生了比第一代旋转式UPS更为先进的静止变换式UPS。最初的静止变换式UPS其功率器件由晶闸管制成,并在大、中容量UPS中得到了广泛应用。MOS功率管普遍地应用在中小容量的UPS中,但这种功率管难以达到高电压、大电流,其饱和压降大于晶体管,于是兼具前两者优点的绝缘栅双极晶体管(IGBT)应运而生,促使UPS的逆变技术更趋成熟。但IGBT有寄生电流擎住效应,在一定程度上限制了其使用。
1 UPS的分类
(1)静态UPS
静止式UPS分为在线式和后备式。这两种UPS的结构大致相同,其主体结构都包括整流(充电)器、蓄电池、逆变器和转换开关等4个部分。二者的区别在于工作方式不同:在线式UPS的逆变器自始至终都在工作,而后备式UPS只有在供电异常时才启动逆变器。后备式UPS供电质量虽然差,但其效率高,价格低廉,多用于家庭及对电网要求不高的场所。在线式UPS供电质量相对要高,但价格贵得多,因此多用于精密设备、网络领域及特殊供电要求的场所。而互动式UPS兼顾了前两者某些优点,效率高、转换时间短、性能价格合理,逐渐得到用户的认可。随着市场竞争的日趋严峻,不同厂家根据用户的特殊要求而设计了不同应用场合的UPS,如邮电专用型、电站专用型、铁路专用型、油田专用型等。
(2)动态UPS
动态UPS的不间断供电是依靠旋转部件释放动能实现的。动态UPS与静态UPS在技术上各有所长,以不同的技术方式实现对重要负载的不间断供电。动态UPS弥补了静态变换式UPS的不足(需配套大量的蓄电池)。动态UPS结合自身的显著特点,经过几十年不断的发展和改进,在大功率UPS市场已经独树一帜。动态UPS相比静态UPS,单机效率高，优势明显，功能强大，具备了集成化的电源解决方案。由于其结构紧凑，可靠性高，因此随着功率应用的增高，其高效率产生的经济效益更加突出。因此在大功率UPS国际市场上得到了广泛应用。
2 飞轮储能UPS供电系统描述
那么到底什么是飞轮旋转动态UPS呢？其技术原理是怎样的?有哪些优点呢？
美国Active Power飞轮储能UPS属于在线式UPS的一种,它集传统在线式UPS和动态UPS二者技术特点于一身。以下以其为例介绍这种UPS的构成、特点及工作原理。
飞轮储能UPS由输入保险、输入接触
器、静态开关、在线电感器、输出接触器、逆变器、滤波电感器、飞轮、旁路等组成。Active Power UPS核心技术为飞轮储能技术,拥有35项美国专利。飞轮和电机系统密封在真空容器内,能量蓄满时飞轮转速高达7700r/min,。动态飞轮UPS可以提供优质电源,确保精密的仪器设备和生产线免受毫秒级电网波动的影响,减少数据通信中的高误码率。
图1 飞轮UPS的旋转部分
UPS在市电出现波动时,由于飞轮的惯性能补偿短时间的电压突变,保证了输出电压的稳定。在市电中断时,由于飞轮的惯性将动能转变为电能,满载时可维持额定电压12s,在此期间发电机自动起动带载,恢复对重要负载的正常供电。其不间断供电工作过程。
图2 飞轮储能UPS的不间断供电工作过程
3 飞轮UPS的工作原理及运行模式
飞轮UPS内部的拓扑结构是目前市场上并不常见的在线互动式,具体结构。在正常情况下,电源经过输入接触器在滤波电感的作用下滤除有害的高次谐波,然后直接通过输出接触器直接输出给负载,在此过程中对电压进行调节,保证满足负载要求。
图3 飞轮UPS工作原理和拓扑结构
Active Power UPS采用飞轮动态储能技术,能大大改善电能质量,完全零切换,电能回充时间短,特别适合防止瞬时波动。可应对电源的各种异常,保障设备正常工作。
4 各种电力意外情况下UPS工作过程
4.1 电压骤降和瞬时中断
(1)电压一旦骤降或中断,DSP能在瞬间测出。
(2)输入电压在220(l±l0%)之内时,不耗用飞轮能量。
4.2 谐波
(1)基于DSP技术测出负载的谐波电流,通过IGBT逆变器和滤波电感构成的电力有源滤波系统实时地向系统注入反向等量的补偿电流,以达到消除谐波和进行无功补偿的目的。
(2)负载谐波不会在输入侧出现。
(3)输入侧无需脉冲整流滤波器,便于和同容量的柴油发电机组整合使用。
4.3 功率因数及电压波动
(1)通过无功电流在输入侧以及在电感和逆变器之间的流动,将输出电压波动幅度控制在±2%之内,并使输入侧功率因数达0.99。
(2)在额定输入电压时没有有功电流的交换。
(3)负载的超前和滞后电流由市电逆变器提供(无功电流的大小取决于输入和输出的电压差)。
(4)负载的有功功率由市电输入提供。
4.4 浪涌、尖峰及其它毛刺*
(1)使用高能瞬态电压浪涌抑制器(TVSs)和大容量在线电感进行过滤。
(2)瞬态能量通过逆变器被直流电容吸收,从容应对6000V以上的瞬间高压。
4.5 频率输出
频率波动频率超出特定窗口时,在线的静态开关自动关断,由飞轮放电来提供稳定的频率输出。
4.6 长时间电力中断
(1)对于持续、长时间的电力波动,通常将Active Power UPS和发电机组整合使用以提供不间断
电源。
(2)输入侧无整流滤波器,总畸变<4%。
(3)保护发电机组免受瞬态影响。
(4)对发电机组的频繁测试不会损害整个系统的寿命和可靠性。
5 飞轮动态UPS的优点
飞轮动态UPS具有传统UPS无法比拟的优点:
(1)摒弃了传统UPS中两个不可靠的部件:传统型UPS的蓄电池组和满载持续运行的逆变器。电池是最薄弱的环节,电池故障占传统型UPS故障的60%。
(2)模块化设计,容量扩充方便。这种飞轮UPS的控制系统是共用的,对于380V配电系统,一个储能模块的容量为250kVA/200kW,可实现按需分期投资。
(3)采用快速IGBT设计,集整流和逆变于一体,平均故障间隔时间为65年。
(4)效率高达97%以上,经济可靠,而且不会因带非线性负载而降低效率。
(5)外形尺寸更小,场地需求只有传统UPS的1/3。
(6)能与发电机组良好地匹配。
(7)对电网无谐波反射。
6 飞轮动态UPS的主要参数
6.1 输入特性
(1)功率因数:0.99(额定负载和电压下)。
(2)电流谐波畸变率:<3%(线性负载);
(3)不会对市电造成回馈污染。
6.2 输出特性
(1)功率因数:0.7(滞后)至0.9(超前)。
(2)电压谐波畸变率:<3%(额定线性负载);<5%(额定非线性负载)。
(3)电压调节:稳态±2%(输入±10%内,平衡或不平衡负载);瞬态±5%(100%突加负载)。
(4)频率调控:输入50Hz±10%,输出50Hz±0.2%。
6.3 过载能力(有市电状态)
(1)过载1000%时,10ms。
(2)过载500%时,1s。
(3)过载200%时,30s。
(4)过载125%时,10min。
6.4 维持时间
(1)15s(满载)。
(2)30s(半载)。
6.5 质保和安全体系
(1)所有产品均经工厂严格的检验和测试。
(2)获得ISO9001、CE、UL等认证。
(3)安全满足 5009i-1-1。
(4)抗扰动性和电磁兼容性满足EN50091-2。
7 飞轮动态UPS的应用模式
(1)与发电机组、ATS柜整合使用,可持久不间断供电。
(2)和传统型UPS整合使用。飞轮储能模式比电池更适于多次短时间的电源故障,并可以显著延长现有UPS电池的寿命,从而使整个UPS系统的可靠性大大增加
(3)其它改善电源品质和短时保护的应用领域。
(4)可移动供电。
范文三：飞轮储能技术的应用(论文)
第 29卷 第 1 期 中 国 电 机 工 程 学 报 V ol.29 No.00 . 2013
文章编号:0258-8013 (2013) 07-0001-06 中图分类号:TK 5 文献标志码:B 学科分类号:480·40
飞轮储能技术的应用
刘云杰
(厦门大学物理与机电工程学院、机电工程系、电气工程及其自动化专业)
摘要:飞轮储能技术作为一种新型能源储备方式,具有大储能、高功率、无污染、适用广、维护简单、可实现连续工作等优 点越来越为世界各国所重视,成为研究热点。本文将介绍飞轮储能技术在电力系统以及其他工业中的应用。
关键字:飞轮储能;应用;电力系统;飞轮电池
Application of Flywheel Energy Storage Technology
Liu-Yunjie
(Electrical Engineering and the Automatization Specialty、 School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering 、 Xiamen University)
ABSTRACT :Flywheel energy storage technology as a new way of energy reserves, with a large energy storage, high power, no pollution, widely applicable, simple maintenance, to achieve continuous etc. valued by more and more countries around the world, become a research hotspot. This article will introduce the application of flywheel energy storage technology in electric power systems and other industrial.
KEY WORDS:Flywheel energy storage; Application; Power system; Flywheel battery
1 飞轮储能技术的发展背景
1.1 大规模发展新能源和推动节能环保亟须发展大容量储能产业
风电、太阳能发电自身所固有的随机性、间歇性特征,决定了其规模化发展必然会对电网调峰和 系统安全运行带来显著影响, 必须要有先进的储能技术作支撑。 储能技术在很大程度上解决了新能源发 电的随机性、波动性问题,可以实现新能源发电的平滑输出,能有效调节新能源发电引起的电网电压、频 率及相位的变化,使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网。
1.2 大容量储能还可提高能源利用效率,为国家节约巨额投资。
大容量储能还可提高能源利用效率,为国家节约巨额投资。为应对城市尖峰负荷,电力系统每年都要 新增大量投资用于电网和电源后备容量建设,但利用率却非常低。以上海为例, 2004— 2006年间,为解决 全市每年只有 183.25小时的尖峰负荷, 仅对电网侧的投资每年就超过 200亿元, 而为此形成的输配电能力 的年平均利用率不到 2%。同样是为了应对尖峰负荷,转而采用大容量储能技术,不仅投资会成倍减少, 而且由于储能设施占地少、无排放,其节地、节能、减排的效果是其他调峰措施无法比拟的。
2 飞轮储能技术的应用
2.1 飞轮储能技术在电力系统中的应用
2.1.1 电力调峰
由于用电高峰与用电低谷时电力负荷差超过 l0%以上,所以电力调峰非常重要。飞轮储能发电系统具 有能量的存储和释放非常方便的优点,可在任意时间间隔、以任意的规模进行。它可以就近分散放置,且 零排放、低噪声,适应环境保护的要求。因此,飞轮储能技术被认为是近期最有希望和最有竞争力的新型
中 国 电 机 工 程 学 报
调峰技术。国际上多数研究机构均将电力调峰定为飞飞轮开发的最终目标。美国的马德兰己于 1991年开 发出了用于电力调峰的 24 kW/h电磁悬浮飞轮系统,飞轮重 172. 8 kg,工作转速范围 11 610 r/min-46 345 r/min,破坏转速为 48 784 r/min,系统输出恒压 110 V/240 V,全程效率为 81﹪。德国在 1996年着手研究 储能 5 MW /h/100 MW/h的超导磁悬浮储能飞轮电站,电站由 10只飞轮模块组成,每只模块重 30 t,直径 3. 5 m, 高 6. 5 m, 转子运行转速为 2 250 r/min~4 500 r/min, 最人外缘线速度 600 m/s, 最大拉应力 810 MPa, 能量输入、输出采用电动 /发电机来实现,系统效率 96﹪。
2.1.2 用以满足分布式电源的需求
分布式电源的随机性、 间歇性特征, 决定了其规模化发展必然会对电网调峰和系统安全运行带来显 著影响,必须要有先进的储能技术作支撑。飞轮储能技术在很大程度上解决了新能源发电的随机性、波 动性问题,可以实现新能源发电的平滑输出,能有效调节新能源发电引起的电网电压、频率及相位的变 化,使大规模风电及太阳能发电方便可靠地并入常规电网。
Bescon Power 公司生产的飞轮电池产品用以满足迅速增长的可靠的、 分布式电源需求。 建立为通讯应 用提供后备电源的商业基础,估计每年拥有 10000套飞轮系统需求。为电信 / 电缆设备提供备用电力供应 的 20C1000飞轮储能系统为主。
飞轮采用采用高强度复合材料轮缘,高速、长寿命、无需维护、低损耗永磁偏置主动 /被动磁轴承,直 流永磁无刷高效率、低损耗电动 /发电机,正弦波脉宽调制实现驱动电压、电流一体化控制的双向换流器, 真空密封,埋入地下,运行状况可以通过互联网进行监视。
指标:工作转速:30000-100000rpm ,最高线速度 :700m/s,放电深度 :90%,电机效率 :96%,输出可用储量 2000wh; 输出电压为直流 36V 、 48V 或 96V ,额定输出功率 1kw; 输入电压 120/240 DC , 50/60HZ,最大输 入功率 kw; 转子重量:68kg, 飞轮模块重量 :383kg,电子模块重量 90kg; 设计寿命:20年,平均故障间隔时 间:10万小时。
2.2 飞轮储能技术在其他工业中的应用
2.2.1 汽车工业
飞轮安装在化学电池或内燃机供能的机车上起缓冲器作用与系统协同工作 . 称之为飞轮混合电池。 汽车 制动过程中,将制动能耗通过电动机转化为飞轮的机械动能储存起来,成为再生能源;当汽车需大功率工 作时,飞轮再通过发动机将动能释放以供系统使用。研究表明:合理设计混合飞轮电池可节约能耗 30﹪, 并能减少废气排放量 75﹪。美国的威斯康星麦迪逊大学、劳伦斯国家实验室、麻省理工学院、德国的磁电 机公司和加拿大的 McMaster 大学等目前都在此方面有所研究,并取得了一定的成果。
Texas 大学和 Texas 能源贮备局等联合组成的 Texas 电动汽车计划研究出可以存贮 2 kW /h能量的功率 可达 100 kW~150 kW的飞轮电池,主要用于电动汽车,在军事上用于战斗车辆、电磁炮、电磁悬浮 (在高 机动多用途轮式车和 M1坦克上己用 ) 、电磁干涉,其运行时的损失只有 1﹪ AFS 公司和美国 Honeywell 公司的飞轮电池己经被安装在德国的 BMW 汽车做实验 .ARPA 也在进行电动汽车的研究和开发,包括 M 113军用人员运输车、 Bradley 步兵战斗车、高机动多用途轮式车、 M939AI 货运卡车、电动航空器等 . 据报 道,某些公司设计的纯飞轮系统供电的电动汽车一次充电可行驶 450 km~500 km,最高可传输 600 kW的能 量,这些飞轮夜间充电、白天工作,充电过程简单、方便,既可在家中也可在充电站中进行,一次充电花 费仅为 6美元。
2.2.2 航天工业
可以应用于人造卫星、飞船、空间站等。飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的功率,同 负载的使用时间为化学电池的 3~10倍。 同时, 因为它的转速是可测可控的, 故可以随时查看电能的多少。 美国太空总署已在空间站安装了 48个飞轮电池, 联合在一起可提供超过 150KW 的电能。 据估计相比化学 电池,可节约 200万美元左右。
北京航空航天大学先进惯性仪表与导航技术创新团队先后成功研制出磁悬浮姿控储能两用飞轮、高精 度磁悬浮反作用飞轮、单框架磁悬浮控制力矩陀螺,并在国际上首次研制出双框架磁悬浮控制力矩陀螺原
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理样机,解决了各类卫星姿态稳定、姿态机动、大型航天器姿态控制和储存能量、延长寿命的共性核心技 术瓶颈问题,令国外同行惊叹。有了这一技术,卫星不仅能准确地调整、保持稳定的飞行姿态,获取覆盖 面更广、清晰度更高的影像资料,而且可使其寿命从目前的几年延长到十几年乃至几十年。
NASA 飞轮主要应用于航空航天上,用途主要是:能量储存 ; 动力和姿态控制 ; 峰值功率调节等。设计 储能量:300-700W3S; 储能密度 44wh/kg;转速:60000rpm; 线速度:不小于 880m/s。目标建立和测试大型飞 轮储能系统,目标:储能密度大于 100wh/kg;线速度不小于 1260m/s。工作高低转速比:3:1; 放电深度: 90%;运行转速内无临界模态,后期研究控制模态可能性。
2.2.3 不间断电源 (UPS)
飞轮电池可提供高可靠的稳定电源,可提供几秒到几分钟的电能,这段时间足已保证工厂进行电源切 换。
Active Power 公司主要生产作为不间断电源 (UPS) 的飞轮电池系统 , 以取代传统的铅 - 酸电池 , 解决当 今对于电力品质的高要求。公司产品的应用对象主要是广大工业用户 , 比如 :先进的数据中心、工业设备和 广播站等。 目前 , 公司拥有 29 项发明专利 , 主要产品有 Cat UPS 系列和 Cleansource DC 系列。 Active Power 的飞轮材料为 4340 锻铁 , 其飞轮转子与电动 / 发电机、磁轴承整合在一起。用磁铁卸去 80 %的重量以延长 飞轮轴承的寿命和减小损耗。飞轮的工作转速在 7000~7700rpm 。工作维持时间为几十秒到几分钟。目前 公司飞轮已经产品化出售,并在北京设有办事处。
3 总结
作为一种新兴的储能方式,飞轮电池所拥有传统化学电池无法比拟的优点已被人们广泛认同,它非常 符合未来储能技术的发展方向。目前,飞轮电池除了上面介绍的应用领域以外,也正在向小型化、低廉化 的方向发展。现在,最可能出现的是手机电池。可以预见,伴随着技术和材料学的进步,飞轮电池将在未 来的各行各业中发挥重要的作用。
飞轮的发展方向及研究热点 :
1) 超大储能量、大功率飞轮的研制 ;
2) 进一步降低储能飞轮系统的功耗 ;
3) 系统的安全性、可靠性分析 ;
4) 机电参数匹配问题 ;
5) 强力充放电系统的稳定性。
致谢
本文中相关课题的研究是在导师张景瑞的大力支持下完成的,在此向他表示衷心的感谢。
参考文献
1 汤双清 飞轮储能技术及应用。 湖北:华中科技大学出版社, 2007
2 朱永强 新能源与分布式发电技术。 北京:北京大学出版社, 2010
范文四：飞轮UPS的技术原理及应用
飞轮动态UPS
UPS从最初的飞轮发电机到今天,已经度过了40多个春秋,由单一旋转发电机式发展到今天的多功能旋转发电机式、静止变换式、旋转静止结合式三大类。最早的UPS原本是用途广泛的电力保障设备,随着半导体技术和电力电子技术的进步和发展,诞生了比第一代旋转式UPS更为先进的静止变换式UPS。最初的静止变换式UPS其功率器件由晶闸管制成,并在大、中容量UPS中得到了广泛应用。MOS功率管普遍地应用在中小容量的UPS中,但这种功率管难以达到高电压、大电流,其饱和压降大于晶体管,于是兼具前两者优点的绝缘栅双极晶体管(IGBT)应运而生,促使UPS的逆变技术更趋成熟。但IGBT有寄生电流擎住效应,在一定程度上限制了其使用。
1 UPS的分类
(1)静态UPS
静止式UPS分为在线式和后备式。这两种UPS的结构大致相同,其主体结构都包括整流(充电)器、蓄电池、逆变器和转换开关等4个部分。二者的区别在于工作方式不同:在线式UPS的逆变器自始至终都在工作,而后备式UPS只有在供电异常时才启动逆变器。后备式UPS供电质量虽然差,但其效率高,价格低廉,多用于家庭及对电网要求不高的场所。在线式UPS供电质量相对要高,但价格贵得多,因此多用于精密设备、网络领域及特殊供电要求的场所。而互动式UPS兼顾了前两者某些优点,效率高、转换时间短、性能价格合理,逐渐得到用户的认可。随着市场竞争的日趋严峻,不同厂家根据用户的特殊要求而设计了不同应用场合的UPS,如邮电专用型、电站专用型、铁路专用型、油田专用型等。
(2)动态UPS
动态UPS的不间断供电是依靠旋转部件释放动能实现的。动态UPS与静态UPS在技术上各有所长,以不同的技术方式实现对重要负载的不间断供电。动态UPS弥补了静态变换式UPS的不足(需配套大量的蓄电池)。动态UPS结合自身的显著特点,经过几十年不断的发展和改进,在大功率UPS市场已经独树一帜。动态UPS相比静态UPS,单机效率高，优势明显，功能强大，具备了集成化的电源解决方案。由于其结构紧凑，可靠性高，因此随着功率应用的增高，其高效率产生的经济效益更加突出。因此在大功率UPS国际市场上得到了广泛应用。
2 飞轮储能UPS供电系统描述
那么到底什么是飞轮旋转动态UPS呢？其技术原理是怎样的?有哪些优点呢？
美国Active Power飞轮储能UPS属于在线式UPS的一种,它集传统在线式UPS和动态UPS二者技术特点于一身。以下以其为例介绍这种UPS的构成、特点及工作原理。
飞轮储能UPS由输入保险、输入接触器、静态开关、在线电感器、输出接触器、逆变器、滤波电感器、飞轮、旁路等组成。Active Power UPS核心技术为飞轮储能技术,拥有35项美国专利。飞轮和电机系统密封在真空容器内,能量蓄满时飞轮转速高达7700r/min,如图1所示。动态飞轮UPS可以提供优质电源,确保精密的仪器设备和生产线免受毫秒级电网波动的影响,减少数据通信中的高误码率。
图1 飞轮UPS的旋转部分
UPS在市电出现波动时,由于飞轮的惯性能补偿短时间的电压突变,保证了输出电压的稳定。在市电中断时,由于飞轮的惯性将动能转变为电能,满载时可维持额定电压12s,在此期间发电机自动起动带载,恢复对重要负载的正常供电。其不间断供电工作过程如图2所示。
图2 飞轮储能UPS的不间断供电工作过程
3 飞轮UPS的工作原理及运行模式
飞轮UPS内部的拓扑结构是目前市场上并不常见的在线互动式,具体结构如图3所示。在正常情况下,电源经过输入接触器在滤波电感的作用下滤除有害的高次谐波,然后直接通过输出接触器直接输出给负载,在此过程中对电压进行调节,保证满足负载要求。
图3 飞轮UPS工作原理和拓扑结构
Active Power UPS采用飞轮动态储能技术,能大大改善电能质量,完全零切换,电能回充时间短,特别适合防止瞬时波动。可应对电源的各种异常,保障设备正常工作。
4 各种电力意外情况下UPS工作过程
4.1 电压骤降和瞬时中断
(1)电压一旦骤降或中断,DSP能在瞬间测出。
(2)输入电压在220(l±l0%)之内时,不耗用飞轮能量。
4.2 谐波
(1)基于DSP技术测出负载的谐波电流,通过IGBT逆变器和滤波电感构成的电力有源滤波系统实时地向系统注入反向等量的补偿电流,以达到消除谐波和进行无功补偿的目的。
(2)负载谐波不会在输入侧出现。
(3)输入侧无需脉冲整流滤波器,便于和同容量的柴油发电机组整合使用。
4.3 功率因数及电压波动
(1)通过无功电流在输入侧以及在电感和逆变器之间的流动,将输出电压波动幅度控制在±2%之内,并使输入侧功率因数达0.99。
(2)在额定输入电压时没有有功电流的交换。
(3)负载的超前和滞后电流由市电逆变器提供(无功电流的大小取决于输入和输出的电压差)。
(4)负载的有功功率由市电输入提供。
4.4 浪涌、尖峰及其它毛刺*
(1)使用高能瞬态电压浪涌抑制器(TVSs)和大容量在线电感进行过滤。
(2)瞬态能量通过逆变器被直流电容吸收,从容应对6000V以上的瞬间高压。
4.5 频率输出
频率波动频率超出特定窗口时,在线的静态开关自动关断,由飞轮放电来提供稳定的频率输出。
4.6 长时间电力中断
(1)对于持续、长时间的电力波动,通常将Active Power UPS和发电机组整合使用以提供不间断电源。
(2)输入侧无整流滤波器,总畸变<>
(3)保护发电机组免受瞬态影响。
(4)对发电机组的频繁测试不会损害整个系统的寿命和可靠性。
5 飞轮动态UPS的优点
飞轮动态UPS具有传统UPS无法比拟的优点:
(1)摒弃了传统UPS中两个不可靠的部件:传统型UPS的蓄电池组和满载持续运行的逆变器。电池是最薄弱的环节,电池故障占传统型UPS故障的60%。
(2)模块化设计,容量扩充方便。这种飞轮UPS的控制系统是共用的,对于380V配电系统,一个储能模块的容量为250kVA/200kW,可实现按需分期投资。
(3)采用快速IGBT设计,集整流和逆变于一体,平均故障间隔时间为65年。
(4)效率高达97%以上,经济可靠,而且不会因带非线性负载而降低效率。
(5)外形尺寸更小,场地需求只有传统UPS的1/3。
(6)能与发电机组良好地匹配。
(7)对电网无谐波反射。
6 飞轮动态UPS的主要参数
6.1 输入特性
(1)功率因数:0.99(额定负载和电压下)。
(2)电流谐波畸变率:<>< p="">
(3)不会对市电造成回馈污染。
6.2 输出特性
(1)功率因数:0.7(滞后)至0.9(超前)。
(2)电压谐波畸变率:<><>
(3)电压调节:稳态±2%(输入±10%内,平衡或不平衡负载);瞬态±5%(100%突加负载)。
(4)频率调控:输入50Hz±10%,输出50Hz±0.2%。
6.3 过载能力(有市电状态)
(1)过载1000%时,10ms。
(2)过载500%时,1s。
(3)过载200%时,30s。
(4)过载125%时,10min。
6.4 维持时间
(1)15s(满载)。
(2)30s(半载)。
6.5 质保和安全体系
(1)所有产品均经工厂严格的检验和测试。
(2)获得ISO9001、CE、UL等认证。
(3)安全满足 5009i-1-1。
(4)抗扰动性和电磁兼容性满足EN50091-2。
7 飞轮动态UPS的应用模式
(1)与发电机组、ATS柜整合使用,可持久不间断供电。
(2)和传统型UPS整合使用。飞轮储能模式比电池更适于多次短时间的电源故障,并可以显著延长现有UPS电池的寿命,从而使整个UPS系统的可靠性大大增加
(3)其它改善电源品质和短时保护的应用领域。
(4)可移动供电。
8 结束语
如今,美国Active Power公司凭借这一独特的核心技术,已行销全球六大洲,在全球50多个国家销售,为超过700MW的关键负载提供电源保障,累计不中断运行时间超过7700万小时。全球最大的搜索引擎和最大的软件企业的云计算中心以及VISA、3M等国际知名公司均已采用Active Power电源保护系统。美国雅虎公司新近投产的的“鸡舍”数据中心PUE值达到1.08,与采用飞轮UPS产品大有关系。
近年来,这一先进的产品已进入国内市场,在中国60周年国庆庆典、世博会电力保障,以及广州亚运会上的供电工程中发挥了积极的作用。为了更好服务于国内市场,Active Power选择了北京格瑞爱普公司成为中国大陆地区总代理。未来,伴随Active Power公司对中国市场投入的加大,飞轮UPS产品将在中国数据中心建设中大显身手。
文章来源：www.sy-ups.com
范文五：飞轮储能应用
能量储存技术是一个世界性的研究课题，为了更有效地利用现有的能源就需要发展先进节能技术和储能技术。长期以来，电能的储存一般采用化学蓄电池，而近十几年，飞轮储能技术得到了迅速的发展。由于其具有使用寿命长、功率密度高、储能密度大、基本不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境无危害等优点，比使用蓄电池储能具有更大的优越性。飞轮储能技术在电网调峰、电动汽车、航空航天、不间断供电备用电源UPS 等诸多领域都有广泛的应用前景。
近年来，与飞轮储能技术密切相关的三项技术取得了重要突破；一是磁悬浮技术的研究进展很快，磁悬浮配合真空技术，可把轴系的摩擦损耗和风损降低到人们所期望的限度；二是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现，允许飞轮边缘速度达到l 000 m／s 以上，大大增加了单位质量的动能储存量；三是现代电力电子技术的发展给飞轮电机与配电网系统之间的能量交换提供了灵活的桥梁。这三
项技术的新进展，使飞轮储能技术取得了突破性的进展，并在许多领域中获得成功应用，其潜在价值和优越性逐渐体现出来。
在实际应用中，经常要使飞轮储能系统运行于发电运行状态单独给负荷供电，如飞轮储能系统应用于太阳能发电时，需要在无光照的条件下独立向负荷供电，而当飞轮储能系统用作UPS 时，需要在电网供电中断或供电不正常的情况下独立向重要负荷供电。然而，由于电机运行于发电状态时，其绕组电动势的大小与飞轮的转速成正比，而飞轮转速会随着电能的释放而逐渐降低，这样将不能满足向负荷供电的要求。负荷的波动也会引起电机定子绕组端电压的变化。因此，有必要设计合理的电路和控制方法使飞轮储能系统发出的电能能够满足负荷的要求。
在合理选择飞轮电机的基础上，设计了飞轮储能系统运行于减速发电状态并向负荷供电时的主电路结构，建立了飞轮储能系统的数学模型，重点对如何实现飞轮储能系统对负荷恒电压供电的控制策略进行了研究。
飞轮储能系统的构成
飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。基本原理是在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，完成电能到机械能转换的储存能量过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中；之后，电机维持
一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；释能时，高速旋转的飞轮拖动电机发电，经电力转换器输出适用于负载的电流与电压，完成机械能到电能转换的释放能量过程。整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。
典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动／发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成。在实际应用中，飞轮储能系统的结构有很多种。图1是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统。飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量，目前多采用碳素纤维材料制作。轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。目前应用的飞轮储能系统多采用磁悬浮系统，减少电机转子旋转时的摩擦，降低机械损耗，提高储能效率。飞轮储能系统的机械能与电能之间的转换是以电动／发电机及其控制为核心实现的，电动／发电机集成一个部件，在储能时，作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速；在释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。显然，低损耗、高效率的电动／发电机是能量高效传递的关键。电力转换装置是为了提高飞轮储能系统的灵活性和可控性，并将输出电能变换(调频、整流或恒压等) 为满足负荷供电要求的电能。真空室的主要作用是提供真空环境，降低电机运行时的风阻损耗。
1．2 飞轮电机的选择
飞轮储能系统的运行特点及对飞轮电机的要求主要有：飞轮电机应具有可逆性，能运行于电动和发电两种工作状态；电机易于高速运行；能够适应大范围的速度变化；要求电机有较大的输出转矩和输出功率；要求电机结构简单、运行可靠、易于维护等优点。在实际应用中，国内外研究机构或单位多采用永磁无刷直流电机，永磁无刷电机具有易于调速、恒功率调速范围宽、无励磁损耗、易于实现双向功率转换等优点。本文选用永磁无刷直流电机作为飞轮电机。
飞轮储能系统储能密度大，充放电速度快且没
有环境污染，是非常理想的储能系统。
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