摘要：本文首先阐述了飞轮储能技术的基本原理以及飞轮储能UPS电源车结构和工作原理，然后利用便携式多通道同步电能质量测试仪对其在北京电网供电保障场景的应用情况进行详细的测试分析。测试结果表明飞轮储能UPS电源车具有良好的运行性能，保障了重要用户重要负荷供电的连续性，满足了重要用户特殊时期苛刻的供电要求，提升了供电服务水平。本文飞轮储能UPS电源车的应用方案和测试数据可为其他重要用户应急供电保障方案的制定提供参考，具有较强的实用价值。

关键词：飞轮储能，UPS电源车，供电保障

1引言

飞轮储能技术是一种可以将电能转化成飞轮的旋转动能，并且储存起来的一种新型的储能技术。相比于抽水蓄能、压缩空气、蓄电池等传统的储能技术，飞轮储能突出的优点是其储能密度大、效率高、响应快、寿命长，几乎不需要维护，对环境无危害等。随着电力电子技术及先进材料技术的不断发展，对飞轮储能技术研究的不断深入，这一新型储能技术必将为解决能源问题贡献不可或缺的力量。

飞轮储能UPS电源车是将飞轮储能和柴油发电机组高度集成于一部车内的电源车。它采用了优良的设计理念和先进的制造工艺，攻克了结构高度紧凑所带来的隔音、散热、排气及减振技术难题，摒弃了现场需要多台应急电源车级联并机控制才能实现供电零中断的缺陷，实现了在一台应急电源车里同时运行具备飞轮储能和柴油发电机组，减少供电保障场所的占地空间和运行维护人员工作量，显著提高了供电保障效率。

2飞轮储能原理

飞轮储能一般是由高速飞轮、电动/发电机控制器、磁轴承控制器、IGBT双向变换器、DC断路器、真空泵等组成，如图1所示，是一种积木式的集成结构。飞轮储能技术基本原理为：能量存储时，电机以电动机方式运行，从外界吸收能量，并通过飞轮转子加速将电能转化为动能；能量释放时，电机以发电机方式运行，向外界释放能量，并通过飞轮转子减速，将动能转化为电能。

图1飞轮储能结构示意图

在整个飞轮储能装置中，飞轮无疑是其最主要储能部分，储存在其中的能量由下式确定：

3飞轮储能

UPS电源车结构飞轮储能UPS电源车主要由飞轮储能器、UPS电源、监控系统、柴油发电机、油机快速启动装置、ATS双电源控制器、配电控制柜、移动承载车辆以及平衡支撑、电动电缆线盘等组成。北京公司某品牌250kVA飞轮储能UPS电源车内部布局如图2所示。

图2飞轮储能UPS电源车内部布局图

飞轮储能UPS电源车采用VolvoFM38064RB货运车底盘，配套安装一体式方舱，车载方舱通过一个密封隔断将其分为前舱（发电机组舱）和后舱（飞轮储能UPS）。承载车发动机的排放符合国家环保排放标准要求，尾气排放量达到国Ⅳ以上标准。车头处安装工程抢险车专用黄色警示灯。另外，车辆还配备一键调平设备，保证飞轮储能UPS系统运行平稳可靠。

3.1前舱（发电机组舱）

前舱内部主体为柴油发电机组及其附属设备，发电机组功率为375kVA（备用功率），尺寸为4475mm×1410mm×2430mm，重量为4380kg。发电机组附属设备主要包含以下部分：1)进风口：在车身侧壁设置进风口，采用电动消声百叶。并设置消声通道，使进风口无直达声波向车厢外辐射。2)排风口：采用迷宫式排风通道,并且采用前部排风方式，使出风口无直达声波向车厢外辐射，并设置排风消音箱。3)排烟口：排烟口是发电机组噪声最高的地方，在管路中间加装了高效消音器，使噪音减少35dB左右，并且采用顶部排烟的方式，进一步减小噪音。4)发电机组辅助启动单元，利用飞轮所储存的动能为原动力，经过整流元件，在发电机组蓄电池故障的情况下，为发电机组提供紧急启动电源（在24V直流下高达1725A），提高发电机组启动可靠性及稳定性。发电机组舱两侧设有舱门，开启角度为180°，侧门处各设置挂梯一套,便于人员上下车操作设备及取用应急工具。舱内顶部安装AC220V防爆照明灯。

3.2后舱（飞轮储能UPS）

后舱主设备为两级ATS切换柜、双变换UPS柜和3组电缆绞线盘，两个ATS柜与双变换UPS柜对面放置，中部为工作人员操作区。双变换UPS容量为250kVA，尺寸为1981.2mm×1488mm×863.6mm，重量为2588kg。两级ATS将飞轮储能UPS电源车的输入电源端口扩展为3个，提高供电的可靠性。双变换UPS柜为飞轮储能UPS电源车主体设备，主要作用为外电源切换期间针对重要负荷提供不间断供电。电缆绞线盘采用独立DC24V电驱动，顶部安装AC220V照明灯和DC24V应急灯。舱后部为双开后门，开启角度270°，后门下安装抽拉梯1套，方便操作人员上、下车。另外，前舱内发电机组与双变换UPS主机之间选用机车专用柔性电缆连接，上部整体铺设工作台面，既可以保护电缆，也有安全防护作用，同时达到了舱内整洁、美观。电缆绞盘分为三组，两进一出，可根据现场保电工作重要级别选择输入电源的数量。同时为方便工作时输入和输出电缆连接，采用快速连接器，以便于与现有应急保电设备兼容使用。根据双变换UPS主机输入、输出额定电流要求，同时参照快速连接器的安全电流技术指标，共采用12套大功率快速连接器，分为飞轮储能UPS电源车输入和输出两部分别安装在方舱后部左右下面的下围箱内，快速连接器通过专用柔性电缆与设备舱内部的配电柜输入、输出端可靠连接。

4飞轮储能UPS电源车工作原理

图3飞轮储能UPS电源车电气接线图

飞轮储能UPS电源车电气主接线如图3所示。飞轮储能UPS电源车采用3路电源输入（市电1、市电2、柴油发电机组）的多重冗余供电方式，最大程度地增加供电可靠性，其中电源优先级设置为市电1>市电2>柴油发电机组。输入市电（市电1或市电2）正常时，市电一方面通过市电转换器和飞轮转换器给飞轮充电，将电能转化为机械能；另一方面利用内部滤波电抗器和市电转换器构成的有源动态滤波器对市电进行稳压和滤波，确保向负载提供优质电能。当市电异常时，首先由飞轮转换器和市电转换器将储存在飞轮储能装置里的机械能转化为电能，不间断地向所带负载提供高品质电能。柴油发电机组监测到市电异常信号以后，在6-8秒内完成启动，并输送电能至负载。

飞轮储能最多可以提供2.5分钟电能，此段时间足够负载由市电供电转换为柴油发电机组供电。当输入市电恢复正常时，柴油发电机组继续运行一段时间（如20秒）才停机或热备用。柴油发电机组配备有燃料油箱，在市电完全失去的情况下，可以连续稳定运行8小时。

5飞轮储能UPS电源车应用案例

某供电保障场所，举办大型国家级纪念活动，应用户需求电力公司派出一辆飞轮储能UPS电源车去现场保障。现场需要保障的重要负荷有金属卤化灯、射灯、音响、电子投票器等。有研究表明金属卤化灯对供电电压比较敏感，当供电电压暂降至0，持续时间超过5ms时，金属卤化灯就会熄灭，而其熄灭后冷却时间较长，8-10min后才恢复正常照明。现场电力保障人员通过现场负荷梳理和重新分配，将重要负荷分配至飞轮储能UPS电源车输出处，如图4所示。为了掌握飞轮储能UPS电源车接入用户系统后运行效果，利用便携式多通道同步电能质量测试仪IPQ同时监测飞轮储能UPS电源车输入处和输出处电压电流情况，具体监测位置见图5中“监测点一”和“监测点二”。

图4飞轮储能UPS电源车接入用户系统图

图5监测点位置图

5.1稳态电压电流分析监测点一处电压和电流统计报表数据如下表1和表2所示。

表1监测点一处电压统计报表

表2监测点一处电流统计报表

监测点二处电压和电流统计报表数据如下表3和表4所示。

表3监测点二处电压统计报表

表4监测点二处电流统计报表

监测点一处和监测点二处电压和电流局部5个周波的波形分别如下图6和图7所示。

图6监测点一处电压和电流局部波形图

图7监测点二处电压和电流局部波形图

从图6和表1可知飞轮储能UPS电源车负载侧（监测点一处）电压波形发生了畸变，电压总畸变率为4.06%，达到国家标准限值的81.2%；从图6和表2可知负载侧电流波形严重畸变，3、5、7次谐波电流较大，分别为9.53A、7.57A、3.57A，分别占基波电流17.67%、14.03%、6.62%。

从图7和表3可知飞轮储能UPS电源车电网侧（监测点二处）电压波形也发生了畸变，电压总畸变率为2.08%，达到国家标准限值的41.6%；从图7和表4可知负载侧电流波形也发生了畸变，3、5、7次谐波电流较大，分别为12.20A、2.74A、1.80A，分别占基波电流16.07%、3.53%、2.37%。

5.2暂态电压电流分析

为了掌握飞轮储能UPS电源车在市电故障时暂态运行情况，做如下测试：将ATS1#输出开关断开，模拟市电1#和市电2#完全失去，得出飞轮储能UPS电源车输出响应情况。监测点一处和监测点二处电压和电流局部5个周波的波形分别如下图8和图9所示。

图8监测点一处电压和电流局部波形图

图9监测点二处电压和电流局部波形图

由图8和图9可知飞轮储能UPS电源车在其输入电源断开的情况下，输出电压经过1.56ms恢复正常，并且现场值守人员未发现所保障的负荷异常工作或停机。

6结论

1)飞轮储能UPS电源车正常运行时，可以减小非线性负载谐波电流流入电网，降低母线电压总畸变率。2)市电异常时，飞轮储能UPS电源车在2毫秒内动作，继续向负载提供稳定、可靠的高品质电力供应，保障负载正常工作。3)随着北京电网规模的日益扩大、供电保障任务逐年攀升及重要客户供电要求不断提高的情况下，飞轮储能UPS电源车因具有功率密度高、寿命长、环境特性友好、维护简单、机动性好、可实现负载连续工作等优点，必将在北京电网供电保障中得到广泛应用。