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1、JCCAT金辰凯特金辰凯特金 辰 凯 特 信 息 技 术 有 限 公 司金 辰 凯 特 信 息 技 术 有 限 公 司JCCAT Information Technology Co.,Ltd飞 轮 储 能 高 压 直 流 电 源 系 统飞 轮 储 能 高 压 直 流 电 源 系 统技 术 应 用 方 案技 术 应 用 方 案金辰凯特金辰凯特飞轮储能高压直流供电系统技术方案摘要摘要：本方案介绍了绿色环保、高效节能的飞轮储能 HVDC（高压直流）电源系统。这是一种新型的储能供电技术，具有广阔的应用空间和发展前途。1 1 1 1、前言前言随着通信网络和业务需求的不断发展， 通信设备对电源安全供电要求
2、也越来越高。长期以来，使用交流电源的通信设备均由交流UPS供电，但UPS 电源系统存在着单点故障点的问题始终没有地得到很好解决，因UPS 电源系统而造成整局瘫痪的恶性通信事故屡屡发生，使通信网络的供电安全受到了严峻考验。与传统的供电方式比较， 在通信网络系统设备中采用交流 UPS 系统供电，主要存在以下弊端：（1） 可靠性低UPS 交流电源系统，就单台设备而言，通过冗余技术可以使其UPS 设备本身的可靠性大为提高，但就整个UPS 供电系统而言，有很多不可备份的系统单点故障点，比如蓄电池组（据业界统计，UPS电源的故障70%是由蓄电池所引起的）、同步并机板、静态开关、输出切换开关等，这些单点故障
3、点，都可能导致整个通信系统“掉电”瘫痪。即使采用相对可靠的串联热备份系统，切换电路的单点故障也容易造成整个通信网络系统“掉电”瘫痪。尤其是瞬间过载的容错能力差，一旦UPS 主机过载保护切换到备机，备机由于瞬间浪涌也同时过载保护自动切换到旁路。 对于过去有人值守的机房可以立即人工处理，但现在普遍采用机房无人值守，一旦发生故障，恢复时间较长，危害很大。金辰凯特金辰凯特飞轮储能高压直流供电系统技术方案（2）维护、扩容难度大随着通信技术的不断发展， 数据通信逐渐成为主体已经成为不争的事实。在网的程控交换必然逐步退网，数据业务比重逐步增大。 按照现在的设备供电模式，会有大量的新的UPS系统投入运行，也会
4、有大量的在用UPS 系统扩容改造。而每一次UPS 在线扩容都是一次巨大的风险操作， 甚至可能因为UPS 制造商产品更新换代使得UPS扩容不可能，使得UPS 单台故障时没有设备替换。按照现在的运行状态和维护模式，发生巨大灾难的“掉电”事件将频频引发。（3）供电质量大容量的 UPS 大多数是相控的、低频的、非智能的、一个元器件故障或一个电池故障，整个输出就会中断，如果另有一套备用， 则要通过外接配电屏倒换。这样就存在一定的间断时间，无法保证供电质量。对后面的数字负载有一定的影响。另外高频的 UPS 存在较大的零线电压（大到几十 V） 。对网络传输非常不利。同时高频的 UPS 容易接受干扰产生误动作
5、，造成事故。（4） 效率低为保证 IT 设备用电的安全可靠性，目前通信用传统整机式UPS系统均配置N+1并机冗余模式或2N独立双系统模式。 按照中国电信相关设计规范的规定，在正常情况下，系统负载率一般都限制在80以下。而单机负载率即使以2+1并机冗余模式，最高也不超过53.3%， 如果是1+1并机冗余模式或2N 独立双系统模式，则单机负载率更低。另一方面，在实际使用中，业务发展是一个渐进的过程，兼顾到建设金辰凯特金辰凯特飞轮储能高压直流供电系统技术方案周期和业务发展规划，一般供电系统都按终局容量设计，使得单机实际负载率大多数时间只有2030。如此使用UPS 系统供电，必然导致效率低下。（5）环
6、境污染严重目前 UPS 电源系统利用了大量的化学蓄电池储能，而化学蓄电池存在着诸如占地面积大、故障率高、维护周期密集、维护成本高、使用寿命短、 对环境的污染严重以及对工作温度及其它工作环境指标要求高等问题。根据现代人类对节能减排和环境保护的要求， 在许多领域中已经不能接受化学蓄电池的弊端， 而逐渐将目光放在更加先进的储能技术方式上，以替代传统的化学蓄电池储能技术。在这种新形势下， 我公司与美国 Vycon 公司合作， 采用了绿色环保的磁悬浮飞轮储能技术与高压直流供电技术相结合， 不仅大大提高了供电系统的可靠性、安全性，而且提高了系统效率，实现了高效节能和绿色环保。该项技术的应用属于世界首创，为
7、现代通信提供了绿色能源。2 2 2 2、飞轮储能飞轮储能 HVDCHVDCHVDCHVDC 电源系统工作原理电源系统工作原理(1)磁悬浮飞轮储能技术工作原理磁悬浮飞轮储能技术是以高速旋转的飞轮铁芯作为机械能量储存的介质，飞轮等器件被密闭在一个真空容器内，大大减少了风阻，同时为了减少运转时的损耗，提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率，在飞轮储能装置内部使用磁悬浮技术对飞轮加以控制，并利用电金辰凯特金辰凯特飞轮储能高压直流供电系统技术方案动机/发电机和能量转换控制系统来控制电能的输入和输出。图1 为磁悬浮飞轮储能装置的结构示意图。图 1：磁悬浮飞轮储能装置的结构示意图在市电正常的情况下，磁悬浮飞轮储
8、能装置相当于一台电动机，其将外界输入的电能，通过电力电子装置驱动飞轮转动，由此将电能转化为飞轮转动的动能(机械能)储存起来，在正常待机时，使飞轮的转速达到 36000 转/每分钟。在市电异常或停电的情况下， 高压直流系统输出电源出现波动或完全消失，磁悬浮飞轮储能装置相当于一台发电机，飞轮转动的动能转化为电能， 再通过电力电子装置变成不同负载所需要的电压等级的电能，对高压直流输出电源进行补偿或承担所有负载的电源，以满足负载正常运转的需要。一旦市电恢复正常，则立即对磁悬浮飞轮储能装置进行“充电”，使飞轮高速运转储能。金辰凯特金辰凯特飞轮储能高压直流供电系统技术方案(2)飞轮储能 HVDC 电源系统
9、工作原理飞轮储能 HVDC 电源系统是一种采用飞轮储能技术，纯在线式的高压直流供电系统。图 2 为飞轮储能 HVDC 电源系统工作原理框图。图 2：飞轮储能 HVDC 电源系统工作原理框图图 3：飞轮储能单线图金辰凯特金辰凯特飞轮储能高压直流供电系统技术方案在市电正常的情况下，直接由市电通过高压直流向负载供电，同时利用飞轮装置储存能量；在HVDC输出电压偏低时，飞轮则释放电能对其进行补偿。在市电异常或停电的情况下， HVDC 将储存在飞轮里的机械能转化为电能，向外界负载供电，同时在规定时间内，转为后备发电机向外界负载供电。一旦市电恢复正常，则在设定的时间内切换到市电向外界负载供电。3 3 3
10、3、 飞轮储能飞轮储能 HVDCHVDCHVDCHVDC 电源系统特点和优势电源系统特点和优势(1)高可靠性、高安全性飞轮储能 HVDC 电源系统是一种纯在线式的电源系统，与传统蓄电池式 UPS 电源系统相比，飞轮储能 HVDC 电源系统的设计理念更为简单、实用、有效。传统蓄电池式UPS 电源系统要不断的通过整流器和逆变器转换电能，因此易造共用点的故障，降低了系统的可靠性。 而飞轮储能 HVDC 电源系统直接采用 DC240V 直流供电，不仅大大提高了系统效率和功率因数，而且减少 DC/AC 变换环节，提高了整个供电系统的可靠性和安全性；飞轮储能 HVDC 电源系统采用无蓄电池储能技术。目前，
11、传统蓄电池式 UPS 电源系统最大的薄弱环节就是蓄电池组，据统计，在传统蓄电池式 UPS 电源系统返修的过程当中，UPS 故障 70%由蓄电池引起。而飞轮储能 HVDC 电源系统采用创新的免蓄电池磁悬浮飞轮绿色储能技术，免去了传统蓄电池式UPS 电源系统因蓄电池而带来的不可靠性和不稳定性， 因此大大提高了供电系统的可靠性和安金辰凯特金辰凯特飞轮储能高压直流供电系统技术方案全性；3飞轮储能 HVDC 电源系统工作寿命长达 20 年以上，平均故障间隔时间 MTBF250000 小时，在工作寿命期间系统工作是稳定、可靠而安全的；4飞轮储能 HVDC 电源系统有着强大的瞬间断电保护能力。当市电输入出现
12、断点时，由于系统内的飞轮是在线运行状态，此时高速旋转的飞轮立刻转入发电机工作输出状态，向负载进行供电，因此输出并没有出现断点，完全满足了不间断供电。当市电输入频繁出现市电断点时，反复的对飞轮储能装置进行充放电，对飞轮储能装置不会产生任何的影响。而对于传统蓄电池式UPS 电源系统来讲，当市电输入频繁出现断点时，蓄电池会频繁的处于充放电状态，这样大大降低了蓄电池的性能和使用寿命。所以飞轮储能HVDC 电源系统对瞬间断电起到了良好的保护作用， 大大提高了整个供电系统的可靠性和安全性；5飞轮储能 HVDC 电源系统自动稳压功能强大。系统内部的自动稳压调整电路，可以在市电输入15%的变化范围内，将输出稳
13、定到1%。这样，我们能够保证在交流输入不稳定的情况下，保证向负载提供稳定而可靠的电力；(2)高可用性高效率、低能耗。飞轮储能 HVDC 电源系统采用纯在线设计方式，并且减少了 DC/AC 变换能耗，使系统效率达到 95%，尤其在轻载(20%30%)环境下，也能够达到 92%以上的系统效率，较之金辰凯特金辰凯特飞轮储能高压直流供电系统技术方案传统蓄电池式 UPS 电源系统大大节省了运行能耗；功率因数高。0.99 的高输入功率因数，对电网有功功率的吸收能力强， 对电网影响的程度轻， 有效利用电网效能， 减少无功损耗，节约电能，降低电网的谐波污染及空间辐射干扰。高压直流供电具有很强的带载能力；系统采
14、用高集成度模块化设计、可扩容。采用N+1冗余配置，其中N个主用，N10个时，1个备用；N10个时，每10个备用一个。系统供电宜采用分散供电方式；完善的自动本地与远程监控。支持干节点、MODEM、RS-232/485 接口、 以太网系统可选的监控软件为操作员提供了与飞轮储能 HVDC 电源系统进行人机对话的界面，允许操作者启动和停止系统运行，改变运行参数和操作模式，显示系统错误和遥测数据。可实时监控如下信息：输入输出电压，功率因素，输出电流，飞轮温度、线圈温度、轴承温度、轴承压力、飞轮速率，放电数量、真空度等。对市电、柴油发电机组，UPS，切换柜供电状况实时进行监控;并可将故障以短信、拨号、邮件
15、等方式自动汇报给用户的运行维护人员，实现完善的故障回报功能；适应极其恶劣的工作环境。设备正常运行温度范围：20C 50C 之间；系统噪音低：在一米内小于 68dbA；过载能力强：1000%额定负载 / 10 毫秒、500%额定负载 / 1秒；金辰凯特金辰凯特飞轮储能高压直流供电系统技术方案安装简单、维护方便;节省空间，占地面积小。最高节省 75%的占地面积(同等功率)，只相当于传统蓄电池式 UPS 电源系统 1/4 的占地面积。(3)高经济性面积的节省给用户带来的获利：飞轮储能 HVDC 电源系统占地面积小，较之传统蓄电池式 UPS 电源系统最高节省 75%的占地面积(同等功率)， 按 IDC
16、 机房年租金 12 万元人民币/的价格估算(北京地区)， 如果飞轮储能 HVDC 电源系统和传统蓄电池式 UPS 电源系统额定容量同为 500KVA， 那么从用户在 IDC 机房年租金的获利这方面来讲，每年大约能够为用户获利 134 万元人民币左右;节省电费：由于飞轮储能 HVDC 电源系统效率高，从而大大节省了运行能耗。 在额定容量为 500KVA 同等功率情况下， 飞轮储能 HVDC 电源系统和传统蓄电池式 UPS 电源相比，每年大约能够为用户节省用电量 50 万度左右，可节省电费 50 万元人民币，折合标准煤约 200 吨，减少二氧化碳排放量约 500 吨；购买空调投入成本和空调运转成本的节省：由于飞轮储能HVDC 无需加装空调系统进行散热， 因此节省了用户对于空调系统的投入资金与能耗；运维费用的节省：由于传统蓄电池式 UPS 电源系统中的蓄电池部分维护周期密集，故障率高，如果计算购买检测蓄电池的仪器仪表的成本费用;检测人员的人工成本费用(日常);更换部分蓄电池的成本费用(不定期);更换整组蓄电池的成本费用(每隔 3
