随着经济的不断发展，对汇集大量金融保险的写字楼和办公楼电力供应提出了较高的要求。为了解决用户重要负荷正式电源和后备电源的问题，需要建立一套合理高效，安全可靠的供电系统。然而除安全可靠的电源外，还需要满足负荷量瞬时输出较大、供电电压稳定、排除高次谐波干扰、空间位置条件有限、后期维护费用和运行费用预算较低，设备一旦投入使用后检修工作不得停止供电或发生电源中断等条件。一般可供选择方案有备用发电机+传统蓄电池UPS+动态电源滤波装置的供电系统方案和新型磁悬浮飞轮UPS+备用发电机方案。对于传统蓄电池方案文献，著作论述较多，本文着重介绍柴油发电机和磁悬浮飞轮UPS组成的不间断电源供电系统在工程实践中的应用。其供电系统示意图如图1所示。
　　
　      　                 图1 磁悬浮飞轮UPS不间断供电系统示意图
　　
　　由图1所示为了保证重要负荷的供电安全和电能质量的要求，方案中采用双路10kv/400V高压变压器供电，低压分段母线由自动联络开关互连，在一路故障路电源断电后自动联络开关动作将所带负荷分配到正常供电电源，从而实现了正常运行时两台变压器互为备用。在双路电源全部失效情况下供电系统中后备柴油发电机接到市电中断的信号后，在10秒钟内自动启动并且稳定输出，通过ATS开关对磁悬浮飞轮UPS供电，发电机将保证提供大于8小时的连续供电。另一方面，当电源输入质量无法满足飞轮储能UPS正常运行要求，或者在市电输入中断的情况下，先由飞轮储能UPS内部的储能装置（即飞轮储能装置）将机械能转化为电能为末端关键设备供电，由UPS供电的时间称为过渡时间，足够长的过渡时间，保证系统能够在末端设备毫无察觉的状态下实现了市电供电向后备发电机供电的转换，实现了在发电机启动过程中仍然向关键设备提供高品质并且不间断的电力保障。
　　
　　1.飞轮储能技术原理
　　
　　磁悬浮飞轮UPS是一种新型机械储能装置，当充电时电动机通过变频调速逐步提高飞轮转子的转速，将电能转化为飞轮的动能存储起来；而放电时，则通过发电机向外输出电能，使飞轮转速逐步下降。飞轮的可提取能量与飞轮的最大安全运转速度、最小稳定运转速度，以及飞轮的转动惯量有关。其关系公式如下：
　　
　　           (1-1)
　　
　　式(1-1)中J为飞轮转动惯量，ω为飞轮的转速。由式(1-1)可以看出，飞轮储存的动能与其转速的平方成正比。因此，高速飞轮的储能量和能量密度都远远高于低速飞轮，提高飞轮转速增大储能量的有效手段，不平衡转动力矩的作用是飞轮转速改变的根本原因。这一关系可描述为：
　　
　　           (1-2)
　　
　　当转矩的方向与飞轮转动方向一致时，飞轮受到正向不平衡转矩的作用而化为动能储存起来；相反，当飞轮减速时，动能转化为电能输出。飞轮在最大转速与最小速度之间之间循环运转时，可以吸收和释放的能量公式为：
　　
　　        (1-3)
　　
　　下图为飞轮储能装置基本结构示意图：
　　
　    　                     图2：飞轮储能装置的结构示意图
　　
　　图2所示为ACTIVEPOWER公司UPS产品核心部件磁悬浮飞轮结构示意图，其待机稳态保持转速为7700转/每分钟，放电最小转速为2000转/每分钟。由式1-1可计算得出此飞轮的放电效率可达到93%，具有极高的放电效率。飞轮储能装置结构一般都是由一个圆柱形旋转质量块和磁悬浮轴承支撑机构组成，采用磁悬浮轴承的目的是消除摩擦损耗，提高驱动效率，延长零件的使用寿命。另外为使飞轮有足够高的储能效率，减少风阻损耗，飞轮储能系统被置于真空度较高的环境中运行。飞轮与电动/发电机同轴相连，通过电力电子能量转换装置，可进行飞轮转速的调节，实现储能装置与电网之间的能量交换。
　　
　　2.磁悬浮飞轮储能UPS工作原理
　　
　　磁悬浮飞轮储能UPS是一种基于飞轮储能的原理而开发的以机械储能方式替代传统化学蓄电池储能技术，能够提供在线互动式输入输出方式的新型UPS产品。
　　
　　 图3所示为典型的磁悬浮飞轮储能UPS工作原理示意图
　　
　　                                   图3：飞轮储能UPS工作原理示意图
　　
　　1) 在市电输入正常的情况下，磁悬浮飞轮储能UPS通过其内部的有源动态滤波器对市电进行稳压和滤波，保证向负载设备提供高品质的电力保障，同时对飞轮储能装置进行充电，磁悬浮飞轮储能UPS利用内置的飞轮储能装置储存能量；
　　
　　2) 在市电输入偏低或偏高（允许范围内）的情况下，工作原理同上；
　　
　　3) 在市电输入质量无法满足磁悬浮飞轮储能UPS正常运行要求，或者在市电输入中断的情况下，由磁悬浮飞轮储能UPS内部的飞轮储能装置将机械能转化为电能，继续向负载提供高品质并且不间断的电力保障；
　　
　　4) 在磁悬浮飞轮储能UPS内部出现问题影响工作的情况下，磁悬浮飞轮储能UPS通过其内部的静态开关切换到旁路模式，由市电直接向负载设备提供不间断的电力保障；
　　
　　5) 在市电输入恢复供电，或者在市电输入质量恢复到满足磁悬浮飞轮储能UPS正常运行要求的情况下，则立即转到市电通过磁悬浮飞轮储能UPS向负载设备提供高品质并且不间断供电的模式，同时继续对飞轮储能装置进行充电。
　　
　　3. 磁悬浮飞轮储能UPS运行模式
　　
　　1) 正常运行模式
　　
　　在市电输入正常的情况下，磁悬浮飞轮储能UPS通过其内部的有源动态滤波器对市电进行稳压和滤波，证向负载设备提供高品质的电能。
　　
　　2) 电压调整运行模式（见图4）
　　
　　                      图4：飞轮储能UPS电压调整运行模式
　　
　　连续的电压调节：
　　
　　i. 通过UPS内部的市电变换器和滤波电感构成有源动态滤波系统调节无功电流；
　　
　　ii. 市电输入电压低（即电流相位超前）时，市电变换器提供无功电流输入，以提高输入电压；
　　
　　iii. 市电输入电压高（即电流相位滞后）时，市电变换器吸收无功电流，以降低输入电压；
　　
　　iv. 市电输入电压正常时，不提供无功电流补偿（输入功率因数PF≈1.0）；
　　
　　v. 市电输入电压能够满足UPS正常运行要求时，飞轮不参与市电输入电压调节。
　　
　　3) 谐波补偿运行模式
　　
　　通过UPS内部的市电变换器和滤波电感构成有源动态滤波系统(APF)，既能够有效的防止电网干扰（抑制市电谐波），避免市电谐波对负载和UPS产生影响，也能够有效消除负载和UPS自身产生的谐波干扰，使其不污染电网。谐波抑制和无功补偿对改善电网品质，提高电能利用率，保持供电系统的稳定性具有重要意义。
　　
　　i. UPS控制单元采用数字信号处理技术实时检测负载的谐波电流；
　　
　　ii. 市电变换器实时地向UPS系统提供反方向等量级别的谐波补偿电流，并维持UPS输出电压的正弦波形；
　　
　　iii. 负载产生的谐波不会影响到UPS输入电压的波形；
　　
　　iv. UPS输入功率因数达到0.99，UPS输出稳压精度达到正负1%。
　　
　　                   图5：UPS谐波补偿运行模式功能结构图
　　
　　当磁悬浮飞轮免蓄电池UPS输入谐波超过系统限制时，市电变换器和飞轮变换器构成了完整的有源动态滤波系统。从其功能结构（如图5所示）可分为，指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动隔离电路、主电路四部分。指令电流运算电路通过检测线路中的谐波与无功电流等信号传递给电流跟踪控制电路产生相应的补偿电流。电流跟踪控制电路根据补偿电流指令信号，由控制算法计算得到驱动电路每相桥臂各功率开关器件的触发脉冲，从而驱动主电路IGBT开关使得主电路产生与谐波电流大小想得方向相反的补偿电流反馈到供电线路，从而抑制系统中的谐波电流。
　　
　　4) 在线模式
　　
　                      　图6：飞轮储能UPS在线充电模式[6]
　　

　                    　图7：飞轮储能UPS在线放电模式
　　
　　i. 在线——在线模式是系统的标准运行模式。当系统处于在线模式时，负载得到UPS保护，为了向负载供电，系统具有放电能力（如图6所示）。；
　　
　　ii. 在线充电——当飞轮达到4000RPM时，系统进入这种状态。系统得到充电。系统也能支持放电。此时市电低耗能对UPS内部飞轮储能装置进行在线充电；
　　
　　iii. 在线后备——当飞轮速度达到7700RPM时，系统进入这种状态。这时旋转的飞轮不带负载，处于在线后备状态，随时准备进入在线放电状态；
　　
　　iv. 在线放电——当系统中的飞轮向负载供电时，系统就处于这种状态（如图7所示）。
　　
　　5）旁路模式（见图8）
　　
　　                    图8：飞轮储能UPS旁路模式
　　
　　旁路——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。负载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：
　　
　　i. 启动；
　　
　　ii. 按钮开关（手动）；
　　
　　iii. 纠正故障而失败。
　　
　　6）飞轮储能柜并联运行模式（见图9）
　　
　　                     图9：飞轮储能柜并联运行模式
　　
　　飞轮储能UPS内部的飞轮储能柜单个额定功率为250KVA，最多可以并联7台飞轮储能柜，进行UPS系统内的扩容或者备份。飞轮储能UPS采用高集成度模块化设计、可扩容或者备份，支持N+X冗余备份连接，单机支持120KVA～1500KVA的配置，通过并联方式单系统容量最大可至3MVA。
　　
　　4. 实测数据分析
　　
　　文中描述了磁悬浮飞轮UPS的用途和运行模式并测试系统的安全和有效性，在UPS系统负载端安装了功率为500kw假负载，进行带载测试。当如图1所示变压器侧主断路器，UPS系统输入端失电，如图10所示在45分25秒时刻系统输入功率为零，而在同一时间如图11所示系统的输出侧仍保持不变。当系统主断路器断开后发电机接到启动信号系统，经测定经过大约11s后发电机自动启动恢复UPS系统的供电输入，系统的负载侧仍保持不变。由测试结果知负载侧没有发生供电中断，系统设计达到了当初设计的要求。
　　
　　                   图10：UPS总输入功率实域波形
　　
　　                    图11 UPS总输出功率时域波形
　　
　　通过对图12和图13的三相电流对比可以得到看出UPS的输出电流比系统的输入电流波形平稳。当系统输入电流变为零时系统的输出电流仍然保持，并且更加平稳，满足了设计要求。当时间为38分23秒系统电流发生变化为零，而后由零迅速升高到650A，而后突变为500A，系统输出依然保持平稳的电流波形，说明UPS系统对电流畸变具有很好的抑制作用。
　　
　                        　图12：UPS系统输入三相时域电流波形
　　
　　                           图13：UPS系统输出三相时域电流波形
　　
　　从图13和图14UPS系统对负载负荷变化响应较快，并且能够满足大负荷高功率输出的要求。
　　
　　5. 磁悬浮免蓄电池UPS在智能建筑中的设计安装要求
　　
　　磁悬浮免蓄电池UPS的外形设计尺寸较为固定，其由三部分单体成套柜组成，即输入输出柜，系统柜，和两个飞轮柜组成。其中输入输出柜为电源输入和输出接口，外部供电线路和UPS系统的接口开关柜，其提供了供电系统和UPS系统连接接口。系统柜由静态开关和飞轮系统监控单元组成，用于控制飞轮柜的在线或后备动作，并且收集各部分数据并显示出来。飞轮柜为主要由市电变换器，飞轮变换器和磁悬浮飞轮组成，是实现能量转换的模块。
　　
　　5.1 UPS系统对土建要求
　　
　　UPS系统在体积上远远小于传统蓄电池系统。以500KVA为例，免蓄电池UPS为L*W*H(4268mm*861mm*1981mm)重量约为4.8吨，,若为蓄电池UPS则要四倍于它的体积。
　　
　　免蓄电池UPS为成套柜组合式安装，在安装前需建造钢筋混凝土基础，或钢结构基础，并预埋地脚螺栓，若靠墙摆放则预留距墙大与60cm的检修通道。
　　
　　免蓄电池UPS重量较大需在机房顶部设置起吊钩（3T），或起吊钢梁。
　　
　　5.2  UPS系统对运行环境要求
　　
　　免蓄电池UPS其运行环境为0到40摄氏度，其自身带有冗余排列的散热风扇，不需专门设置空调系统，可辅助设置机房通风系统来实现机房温度控制。
　　
　　免蓄电池UPS在运行过程中不会产生有毒有害物质，其维护简便，飞轮噪音极低。
　　
　　5.3 UPS系统与发电机的配合
　　
　　免蓄电池UPS用于智能建筑应急供电系统需要同发电机配合使用。免蓄电池UPS满载时的后备时间一般较短，以500kVA为例后备时间如表1：
　　　　

图15：500kVA飞轮储能UPS带载率与后备时间的关系
　　因此在选择免蓄电池UPS时，应考虑发电机启动并稳定输出负载时间应小于免蓄电池UPS后备时间内。免蓄电池UPS容量应选择为负载容量的1.1~1.25倍。为了保证发电机系统和免蓄电池UPS有效整合，通过其选配功能中的发电机启动模块来实现。当市电故障时它将飞轮储能UPS的输出通过一个AC/DC整流器变换成DC24V，输出电流可达1725A的启动电源，确保柴油发电机的可靠启动。这种装置可有效地避免柴油发电机的启动蓄电池组在关键时刻失效而造成供电中断。
　　
　　5.4  PS系统与楼宇自控系统（BA）的配合
　　
　　免蓄电池UPS系统提供了故障报警的干接点接口，可以同楼宇自控系统连接，方便的定义检测事件实现准确的判断故障，提供快速修复的解决方案，轻松实现专家系统功能。
　　
　　6．结束语
　　
　　磁悬浮式UPS作为一种新型的应急电源解决方案，在实际应用中取得了很好的效果。本文想通过抛砖引玉的方式，希望看到更多、更好的应急电源解决方案应用到智能建筑里面来，提高建筑的能源利用效率，推进建筑领域的环保和节能工作。目前，全球范围内各工业强国正大力开展储能飞轮技术的研究，飞轮储能技术必将获得更加广泛的应用，笔者相信磁悬浮飞轮在线式UPS未来几年内将会在智能建筑领域得到较大的发展。