飞轮UPS供电系统在数据中心中的应用

    直流飞轮系统的组态是带有两个端子直流电的存储系统，在功能上，飞轮代替了三相化学电池UPS系统的蓄电池储库。同蓄电池储库一样，它会从UPS直流母线两端子处获取重新充电电源及浮动电源，当直流母线电压降低到程序设定水平以下，它将把电源输回直流母线。

飞轮UPS的构成

    直流飞轮的核心是高14”, 直径32”的集成电机/发电机/飞轮系统，这个系统可以储存并给UPS直流母线供给250kW的电能。钢质转子在低真空的环境中旋转，将钢质转子中动量能储存起来。

    通过定子和转子实现了电机、发电机和储能的功能。转子上既没有永磁体或永刷，也就没有线圈和磁体，光学传感器控制了电机通讯。磁轴承与电动发电机励磁线圈融为一体，支撑了转子的大部分重量，这就确保了机械轴承可最佳地承担负载，且可最大限度地延长轴承的使用寿命。连接并接通UPS充电机时，系统将开始从充电机处获取能量加速转子的运转。当飞轮达到全速充电速度时，此时的模式同化学能电池的“漂充”状态类似。在这种模式中，UPS充电机中的一小部分电能便可保持飞轮的恒定转动速度。

    一旦飞轮的速度达到其最小放电速度以上(大约为全速充电速度的二分之一)，在主网电力中断时，它能为直流母线提供电能。一旦市电中断，UPS直流输出母线能够为控制器提供保护电源。当控制器感应到直流母线电压降到预设最小值时，电机便会开始工作。用闭合环路磁场蝶环升高发电机的输出电压，所以双向绝缘栅晶体管转换器才能提高飞轮直流输出量，以保持恒定电压，保持转子速度免受干扰。不管UPS整流器的电源是由市电提供还是由备用发电机提供的，在电力恢复时，双转换UPS整流器会使直流母线恢复到正常工作状态，从而使飞轮自动恢复到充电状态。

飞轮UPS工作原理

    在市电输入正常的情况下，飞轮UPS通过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，同时对磁悬浮飞轮储能装置进行充电，飞轮 UPS利用内置的磁悬浮飞轮储能装置储存能量；

    在市电输入质量无法满足飞轮UPS正常运行要求，或者在市电输入中断的情况下，由飞轮UPS内部的磁悬浮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；

    在飞轮UPS内部出现问题影响工作的情况下，飞轮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；

    在市电输入恢复供电，或者在市电输入质量恢复到满足飞轮 UPS正常运行要求的情况下，则立即转到市电通过飞轮UPS向负载设备提供高品质并且不间断供电的模式，同时继续对磁悬浮飞轮储能装置进行充电。

    飞轮UPS的优势

    首先，飞轮UPS的效率非常高，可达98%。也即是说一度电进去只有2%的损耗。当负载在50%的情况下，效率仍然可达96%，这大大超出了传统蓄电池UPS效率。一般情况下，传统UPS在满载的情况下，供电效率只有92%。也就是说飞轮UPS较传统UPS节能75%。对于一个10兆瓦的数据中心来说，一年节省的电费就可达上百万度电，这不是一个小数目。

    第二，飞轮ups更加安全可靠。飞轮UPS的原理非常简单，然而，这个世界往往如此，越是简单的越是可靠的，大道至简就是这个道理。飞轮是有质量的，旋转中又有速度，如果质量恒定，跟速度的平方成正比，转速所产生的能量很容易就可用物理公式算出来，它是精细可测量的。对于化学储能来说则完全不同，它靠电子从阴极到阳极产生电能，但是这个过程不可见也不可测，用设备测量时可能有电压，但是真正去放电的时候未必能提供这么多的能量。最常见的例子是，冬天开车，前一天开车还挺好，第二天早晨打不着火了，要检查的肯定是蓄电池，这是化学反应的特点。据统计，UPS 70%的故障是由蓄电池所引起，蓄电池已经成为了传统的UPS系统中最不可靠的组成部分。“飞轮UPS”比传统的蓄电池UPS可靠性或者说用出现故障的概率来讲，减少了七倍。

    第三，飞轮UPS对环境的依赖程度很低，不需要空调制冷，它的工作温度在0度到40度之间，对于数据中心来说是非常大的节省。因为传统的化学蓄电池工作温度是要在20到25之间，当室内温度超过25度之后，温度每升高一度，电池寿命就会缩短一年，必须要用空调制冷，据统计，空调的耗电已经占到了数据中心电费的将近三分之一左右 。

    第四，飞轮UPS对占地的要求大大减少。最多可以为用户节约75%。在土地成为最为紧缺资源的今天，它的意义不言而喻。举个例子来说，对2万甚至5万平米机房来说，蓄电池占地可达1000平米，这还是后备时间在15-30分钟区间的，如果后备时间达到30分钟-60分钟，就要有2000甚至更多的空间。如此大的空间为客户带来的是额外的土建成本，大量的空调制冷成本，包括整个维护成本。

    第五，就是飞轮UPS的绿色环保。飞轮UPS本身是钢制飞轮，寿命20年，无毒。 一节纽扣电池会污染一平方公里的土地。生产过程中产生的铅尘也非常可怕，据悉，1000个电池会产生63.2千克铅尘。这些烟尘会对周围空气、土壤、河流等造成影响。所带来的直接后果是，血液中铅元素的含量过高就会发生铅中毒，它会引起机体的神经系统、血液系统、消化系统的一系列异常表现，严重的甚至会危及生命，对孩子的影响尤其严重。■