陶宇航 朱 輝 何巖巖

（國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會發(fā)展，一些重要用電客戶對于電能質(zhì)量要求愈加提高。在一些重大會議、體育賽事、重要考試等場合，均要求供電連續(xù)不可間斷，對于不間斷電源系統(tǒng)的要求也越來越高。在傳統(tǒng)的保電場合中，需要將柴油發(fā)電車接至用戶電源低壓母線側(cè)，機組根據(jù)現(xiàn)場保電要求進(jìn)行冷備用或熱備用。一旦發(fā)生市電停電，立即啟動機組并進(jìn)行負(fù)載投切。但由于發(fā)電機組啟動需要時間，并且需要運維人員手動進(jìn)行監(jiān)護及操作，將會導(dǎo)致重要用戶不可避免發(fā)生短時斷電情況，造成電力中斷事故。

為避免此類情況發(fā)生，本文討論了一種車載移動式飛輪儲能電池技術(shù)，即利用動能代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)能電池儲存能量，在配合電源自動投切柜（Automatic Transfer Switch, ATS）及發(fā)電機組的情況下，可保證在臨時性重要保電時段期間，即便電網(wǎng)發(fā)生停電故障，用戶也可以保證零閃動，實現(xiàn)不間斷供電保障。

1 結(jié)構(gòu)與原理

與傳統(tǒng) UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相類似，飛輪儲能系統(tǒng)在部署時串聯(lián)于電源與負(fù)荷中間，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)輸入異常時，由系統(tǒng)內(nèi)部濾波器對市電進(jìn)行穩(wěn)壓及濾波；當(dāng)市電丟失時，由飛輪將儲存的動能轉(zhuǎn)化為電能為負(fù)荷繼續(xù)提供電能，并同時啟動后備發(fā)電機組或延時后啟用蓄電池組。在外部電源恢復(fù)后，即可重新進(jìn)行儲能[1]。

飛輪儲能電池主要由轉(zhuǎn)子、軸承系統(tǒng)、真空室、電機控制系統(tǒng)及機組快速啟動模塊組成。

1.1 飛輪材料

相比于傳統(tǒng)鉛酸電池或鋰電池等化學(xué)能儲能方式，飛輪系統(tǒng)采用動能儲存能量。其核心為一個由碳纖維復(fù)合材料制成的輪組，通過電機對其進(jìn)行驅(qū)動儲能。由 E=0.5Jω2可知，飛輪所儲存的能量與飛輪本身轉(zhuǎn)動慣量一次相關(guān)，與轉(zhuǎn)速二次相關(guān)。故在轉(zhuǎn)速提升時，儲能能量將以指數(shù)形式增長。但在飛輪高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生巨大的向心力，故要求轉(zhuǎn)子采用強度較高的材料制作。

1.2 軸承系統(tǒng)

由于輪組系統(tǒng)無論在充放電及待機時均在持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，故減少軸承摩擦對于提升系統(tǒng)效率及維護時間非常重要。本系統(tǒng)采用電磁懸浮軸承[2]，在系統(tǒng)工作時，可將底部軸承壓力降低至靜止?fàn)顟B(tài)壓力的約1/6，并通過快速可更換軸承設(shè)計，提升了系統(tǒng)可靠性。

由于飛輪系統(tǒng)應(yīng)用在車載移動應(yīng)急作業(yè)平臺，在隨車運輸過程中，飛輪不可避免會受到震動。為避免震動對軸承及傳感器造成損傷，在每個飛輪倉上下蓋板處，安裝了快速鎖定輪體機構(gòu)。在運輸前，通過快拆機構(gòu)頂起飛輪并夾緊，可以完全克制飛輪轉(zhuǎn)動并鎖死。系統(tǒng)就位后，解鎖即可投入使用。

1.3 真空室

為避免轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時因空氣摩擦發(fā)熱，在轉(zhuǎn)子室內(nèi)需要持續(xù)抽真空。系統(tǒng)工作時，真空室內(nèi)氣壓將維持在5～7kPa。但由于真空不利于散熱，充放電期間會導(dǎo)致電樞溫度升高，同時高溫也會導(dǎo)致氣壓提升，在使用時須多加注意。

1.4 電機系統(tǒng)

為滿足系統(tǒng)工作時散熱、體積及損耗需求，電機采用與轉(zhuǎn)子共體的永磁同步驅(qū)動系統(tǒng)。電機與勵磁控制器相連，采用發(fā)電機和電動機一體化設(shè)計方案。電機通過AC-DC控制器連接至高壓直流母線，并再次經(jīng)過DC-AC逆變器連接至市電交流母線。通過應(yīng)用電力電子器件，實現(xiàn)了98%的高效率電源轉(zhuǎn)換[3]。

1.5 快速啟動模塊

由于在保電期間，發(fā)電機組控制電源需要持續(xù)開啟，以便于接收啟動信號；為避免長時間開機導(dǎo)致機組蓄電池虧電失效，需要另增設(shè)快速啟動模塊，用于發(fā)電機組蓄電池充電及為機組提供啟動輔助電源。GenSTART模塊在飛輪車及發(fā)電車上各放置一組，通過電纜相連接。該模塊在機組啟動時，可從飛輪儲能車提供最高24V/1725A的電力供應(yīng)[4]，與蓄電池互為備份，可大大提升柴油機組啟動成功率。

飛輪儲能倉結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 飛輪儲能倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 飛輪儲能與其他傳統(tǒng)儲能方式對比

現(xiàn)有的主流及研發(fā)階段的儲能方式大致可分為物理儲能、化學(xué)能儲能及電磁儲能[5]，如下表所示。

表 飛輪儲能與其他儲能方式對比

由上表可看出，飛輪儲能系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

1）能量密度及放電深度較大，尤其是轉(zhuǎn)速提升時儲存電量將以指數(shù)形式提升。

2）使用壽命長及工作效率較高，長期使用場景下部署成本較低。

3）充電時間短，放電響應(yīng)迅速，可以為負(fù)載提供完全連續(xù)的供電需求。

4）工作溫度要求較低，在較寬的溫度范圍內(nèi)均可正常工作。

5）維護簡單，系統(tǒng)不會因過放及過充受到損傷，轉(zhuǎn)子為純機械結(jié)構(gòu)，只需更換軸承及真空泵滑油即可滿足維護要求。

同時，飛輪儲能系統(tǒng)也存在如下缺點：

1）抗震能力差，工作時須牢牢緊固至地面。

2）前期部署成本較高。

3）放電時間短，僅適合短時間電力波動時過渡。

相比于其他儲能方式，飛輪儲能更適用于與蓄電池組或柴油機組配合使用，在外部電源失去時，由飛輪首先供能，保護蓄電池組壽命及為發(fā)電機組啟動提供過渡支撐時間。

3 系統(tǒng)主接線方式及啟動步驟

車載式應(yīng)急飛輪儲能系統(tǒng)主要分為兩個結(jié)構(gòu)：外部主接線系統(tǒng)及內(nèi)部主接線系統(tǒng)。

3.1 外部主接線系統(tǒng)

為了保證用戶供電不中斷，在部署儲能系統(tǒng)時，須將用戶從電源側(cè)斷開，將儲能車串聯(lián)于市電與用戶負(fù)荷中間，同時與柴油發(fā)電機組相連，如圖2所示。

圖2 飛輪儲能不間斷電源車外部接線方式

在充電完畢并將系統(tǒng)調(diào)試好后，電源即從市電輸入至飛輪儲能車，經(jīng)穩(wěn)壓后輸出給用戶使用。當(dāng)外部市電發(fā)生故障時，將按照以下順序進(jìn)行負(fù)載保護動作：

1）由ATS柜檢測主電源失電，短延時后斷開市電輸入斷路器，同時給予發(fā)電車啟動信號。

2）在等待柴油機組啟動并穩(wěn)定出力期間，用戶負(fù)荷由飛輪儲能機構(gòu)進(jìn)行供電。

3）ATS柜檢測到發(fā)電車啟動完畢并準(zhǔn)備帶載，將電源輸入投切至發(fā)電車側(cè)，合入輸入斷路器。

4）系統(tǒng)開始由應(yīng)急發(fā)電車向用戶供電，并對飛輪重新進(jìn)行儲能。

5）ATS柜檢測到市電恢復(fù)，長延時后將電源輸入投切至市電側(cè)，給予發(fā)電車停機信號。

在整個負(fù)載投切過程中，由飛輪控制柜保證用戶電源不丟失，實現(xiàn)了不間斷供電。

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3.2 內(nèi)部主接線系統(tǒng)

飛輪儲能車內(nèi)部分為三個部分，分別為 ATS機柜、系統(tǒng)柜及飛輪儲能柜。其中單個飛輪柜容量為250kVA，最多可并聯(lián)4組使用，如圖3所示。

圖3 內(nèi)部接線主電路圖

在將外部線路連接完畢后，需要執(zhí)行以下啟動步驟：

1）確認(rèn)車輛底盤支撐腿已將車身找平，所有斷路器及隔離開關(guān)均在分位，所有飛輪柜中快拆機構(gòu)已全部解鎖。

2）通知用戶隨時可能送電，將工作人員撤離。

3）合入輸入斷路器總，系統(tǒng)柜通電自檢。

4）待系統(tǒng)柜自檢完畢后，合入系統(tǒng)柜內(nèi)所有輸入及輸出隔離開關(guān)，飛輪柜通電自檢。

5）在系統(tǒng)柜顯示屏上檢查飛輪底部軸承壓力、飛輪倉真空度、電樞溫度。

6）使用串口線連接系統(tǒng)柜內(nèi)通訊接口，向飛輪柜逐個發(fā)送粗調(diào)校準(zhǔn)指令。

7）內(nèi)部旁路開關(guān)自動合入，飛輪柜開始自動在低轉(zhuǎn)速下初始化飛輪。通過調(diào)整底部磁力軸承，將飛輪狀態(tài)粗找平。

8）當(dāng)所有飛輪粗調(diào)結(jié)束后，將所有飛輪柜及系統(tǒng)柜鑰匙由旁路旋至在線位置，飛輪將開始充電，轉(zhuǎn)速將迅速升至 7700RPM。轉(zhuǎn)速到達(dá)后，內(nèi)部旁路斷開，系統(tǒng)自動開始精調(diào)校準(zhǔn)。

9）精調(diào)結(jié)束后，系統(tǒng)在線，合入輸出斷路器總，系統(tǒng)向用戶開始提供受保護的電力供應(yīng)。

在保障工作結(jié)束后，恢復(fù)原接線方式時，通過系統(tǒng)柜向各飛輪柜發(fā)送剎車指令，待所有飛輪停轉(zhuǎn)后，將系統(tǒng)執(zhí)行旁路并下線，反向逐一拉開開關(guān)即可。

4 實驗結(jié)果分析

本次測試模擬380kW居民照明負(fù)荷，采用純阻性三相平衡負(fù)載，測試飛輪儲能車在失去市電時自動投切電源、放電及電源恢復(fù)時充電能力。測試時，啟用兩組飛輪柜，系統(tǒng)處于滿電待機模式，電樞溫度及真空度均在最佳值。系統(tǒng)于16s處切除市電并開始放電，同時發(fā)送發(fā)電機組啟動信號，于22s處柴油發(fā)電機組啟動成功并開始供電，于 27s處開始為飛輪充電，并于93s處充電完成，系統(tǒng)回到待機模式。圖4～圖7為輸入及輸出參數(shù)曲線。

圖4 飛輪儲能車輸入與輸出電壓曲線

圖5 飛輪儲能車輸入與輸出電流曲線

圖6 飛輪儲能車輸入與輸出功率曲線

圖7 飛輪儲能車轉(zhuǎn)速與剩余電量曲線

由圖4可知，當(dāng)市電失去時，負(fù)載由儲能車立即接替供電，用戶感知不到電網(wǎng)波動。由于測試時發(fā)電機組處于熱機狀態(tài)，啟動較快，約6s后啟動成功并開始提供輸出。ATS柜在檢測到第二路電源正常后，立即將負(fù)載投切至發(fā)電機組輸入側(cè)，系統(tǒng)柜檢測到供電恢復(fù)，延時后開始重新對兩組飛輪進(jìn)行儲能。系統(tǒng)充電功率約為120kVA，耗時66s充電完成。在本次測試中，飛輪轉(zhuǎn)速最低降至 5400RPM，剩余電量最低降至 45%。電樞溫度及真空度略有升高，不影響運行。

在另一次極限測試中，不給予第二路電源，采用800kW 負(fù)載進(jìn)行純放電測試。系統(tǒng)啟用了 4組飛輪柜，約17s后電量耗盡，系統(tǒng)斷電。此時飛輪轉(zhuǎn)速降為 2000RPM，已基本沒有剩余能量。根據(jù) W=Pt可知，整輛車存儲約3.8kWh電能，即單個飛輪單元最多可儲存約0.95kWh電能。

在兩次測試中，證明了移動應(yīng)急飛輪儲能車在與柴油發(fā)電機組配合使用的情況下，可以較為完美地保證在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，用戶不發(fā)生閃動。

5 結(jié)束語

隨著材料技術(shù)、磁懸浮技術(shù)及電力電子技術(shù)的發(fā)展，飛輪儲能相對于傳統(tǒng)化學(xué)電池儲能等方式愈加顯露出其優(yōu)點。在重大慶典、重要節(jié)日及重大政治活動等場合中，不間斷移動應(yīng)急電源系統(tǒng)將得到更為廣泛的應(yīng)用。通過與應(yīng)急柴油發(fā)電車配合，飛輪儲能技術(shù)實現(xiàn)了對用電敏感用戶的電源零閃動要求，為提升客戶服務(wù)質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。