飞轮:动力保护的选择

对于某些控制应用来说，短暂的停电或停电会带来不便。然而，对于大多数计算机控制的过程，即使是电源的短暂故障也是完全不可接受的，而且代价高昂。保证持续供电的传统方法是使用基于电池的不间断电源系统(ups)和发动机发电机组。

通过弗兰克·德拉特，Vycon的 2010年4月1日

飞轮在短暂的电力中断和限电期间提供不间断的直流行驶电源和电压稳定。

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对于某些控制应用来说，短暂的停电或停电会带来不便。然而，对于大多数计算机控制的过程，即使是电源的短暂故障也是完全不可接受的，而且代价高昂。保证持续供电的传统方法是使用基于电池的不间断电源系统(ups)和发动机发电机组。虽然ups是一种经过验证的解决方案，但其铅酸电池充电速度慢，需要持续维护，对温度敏感，并造成沉重的环境成本。在严格的环境法规的监管下，正确的处置也是一个问题。

电池制造商表示，如果电池保持在75°F的恒定温度，并且没有过度循环，电池寿命可以保持至少4年。对于经常经历短时间电源中断的设施来说，这可能是一个问题。每次在这种情况下使用电池时，电池循环都会降低电池的整体寿命。此外，ups的大多数电池是串联的，这意味着串中有一个电池失效就会使串无用。

另一种解决方案是飞轮

作为机械电池，飞轮将动能储存在高速旋转组中，并将其转换回电能以支持临界负载。飞轮系统提供了穿越时间，将电力连接到备用发电机，是一种节省空间，几乎为零维护和负担得起的方式，确保关键任务安装的恒定电力。美国能源部在2006年的一份联邦技术警报中指出:“飞轮似乎已经准备好取代或补充电池，作为UPS系统的备用电源。虽然飞轮的初始成本通常比电池要高，但它更长的寿命和更简单的维护通常会导致更低的生命周期成本。”

通过使用两个飞轮，Model 1的运行时间将达到26.6秒，Model 2的运行时间将达到28.6秒。无论哪种情况，飞轮都超过了满足20秒运行时间需求的最低目标。

清洁能源储存

飞轮技术将动能存储在一个安静的旋转磁盘中，以提供可靠和可预测的直流电源。随着最近的进步，飞轮技术已经变得更加紧凑，能够支持更高的功率应用，它已经成为一种可靠的、环保的电力保护解决方案，通过机械而不是化学方式存储能量，从而提高了可靠性，减少了碳足迹。

飞轮系统专为高功率、短持续时间应用而设计，它可以像动态电池一样工作，通过围绕轴旋转质量来动态存储能量，从而取代铅酸电池。电输入使飞轮转子加速，备用电荷使其24/7旋转，直到需要释放储存的能量(见截屏图)。飞轮中使用的成熟技术允许飞轮轮毂-具有无接触磁轴承的高速永磁电机/发电机-在运行期间100%悬浮并维持转子。这种配置允许转子轮毂旋转，没有金属接触，消除轴承磨损，轴承加油或润滑脂，或维护。因此，在飞轮的使用寿命中不需要更换轴承。

与传统电池不同的是，飞轮可以在20年的寿命内以高速率充放电无数次而不退化。可用的能量和它的持续时间与它的质量和它的转速的平方成正比。在飞轮的世界里，质量翻倍，能量容量翻倍，但转速翻倍，能量容量翻四倍:E = kMω²(k取决于旋转质量的形状;M为飞轮的质量;ω是角速度)。

当与UPS系统一起使用时，飞轮可以在短暂的电力中断和停电情况下提供不间断的直流行驶电源和电压稳定，保留电池阵列以供长期停电使用。大多数备用发电机需要6到10秒才能上线，并通过自动转换开关与UPS连接。一些飞轮单元可以提供高达300千瓦的瞬时行驶功率和超过20秒的电压稳定(或其他功率和时间的组合)，这对于大多数电干扰来说是足够的时间。作为一个优点，飞轮单元可以并行额外的功率容量，运行时间，和/或冗余。

切割维康飞轮的图像。来源:Vycon

应用分级

ups和飞轮的尺寸一般是根据实际负荷确定的。大多数工程师将UPS的大小设定为比实际负载大30-40%，以适应增长。一旦UPS的大小，飞轮需要大小的UPS。所有UPS的额定值都是基于kVA和kW数字，用于电力应用的额定值是kW额定值。当这个kW数确定后，它将被标记为满载kW额定值。例如:275 kVA的UPS额定功率因数(pf)为.9，相当于248 kW的UPS功率。由于大多数负载的UPS负载系数约为80%，逆变器效率为96%，这相当于207 kwb。因此，这是用来确定飞轮尺寸的额定值，以确保适当的额定功率和适当的运行时间要求。为了更容易地确定飞轮的大小，大多数飞轮制造商为客户提供匹配kVA和运行时的运行时图表(参见运行时规格图表图表)。

如运行时间规范图所示，通过使用两个飞轮，模型1将实现26.6秒的运行时间，通过使用两个飞轮，模型2将实现28.6秒的运行时间。无论哪种情况，飞轮都超过了满足20秒运行时间需求的最低目标。这提供了一种解决方案，可以满足大多数设施的需求，并且在发生较长时间停电时，有足够的时间转移到发动机发电机组。

投资回报

当比较电池的生命周期成本和飞轮的生命周期成本时，很明显，在技术的生命周期内，哪种技术节省的成本更大。这种投资回报率(ROI)是大多数企业用来证明购买决策中花费的美元是合理的方法。大多数工程师发现，飞轮比电池更受青睐，因为在三到四年内可以节省投资回报率的成本。然而，重要的是要知道，购买决定不一定是一个非此即彼的选择，因为飞轮可以带电池或不带电池使用。

当与电池一起使用时，飞轮是防止破坏性电源故障的第一道防线，因为它吸收了所有短时间放电。因此，飞轮减少了放电的次数和频率，从而缩短了电池寿命。当飞轮与UPS一起使用且没有电池时，系统将为连接的负载提供即时电力，就像使用电池组一样。然而，如果电力事件持续足够长时间，被认为是“硬”停电(而不仅仅是短暂停电)，飞轮将移交给设施的发动机-发电机。

作者信息

Frank DeLattre是Vycon的总裁。可以在……找到他fdelattre@vyconenergy.com