我們過去討論的UPS都屬於靜態UPS的範疇，它的原理是:在這些UPS的運行中，除了散熱風扇之外，所使用的各種電子元件和電器元件都沒有機械運動。多年的靜態UPS運行經驗表明，靜態UPS為保障各行業用戶負荷的安全運行做出了巨大貢獻。但是，它仍然有以下缺點:
(1)靜態UPS效率“不夠高”:相關統計數據顯示，中大容量工頻UPS效率僅為93% ~ 94%。對於中大容量的高頻UPS，其效率只有94% ~ 95%。對於越來越強調節能環保的今天，這個UPS本身的損耗還是很高的。
(2)UPS中的電池組是導致UPS故障率和日常維護增加的重要因素。而且電池使用壽命短。此外，可能對環境造成嚴重汙染的廢電池的處理仍然是困擾我們的難題之壹。
因此，作為解決上述問題的技術途徑之壹，選擇帶飛輪儲能的動態UPS替代在線雙變換的靜態UPS。
2.飛輪UPS的技術優勢
近年來，國內外的數據中心、半導體芯片制造、壹些特殊的軍事通信系統和政府保密部門都越來越重視和選擇壹種飛輪儲能動態UPS(簡稱飛輪UPS或動態UPS)。采用這種UPS可以獲得以下好處:
(1)進壹步提高UPS的效率:相關數據顯示，UPS的效率可以從靜態UPS的92%提高到飛輪UPS的98%。
(2)從UPS中徹底取消故障率明顯較高的電池組件。由此獲得的好處是:不僅有助於提高UPS的可靠性，還大大減少了值班供電人員的維護工作量。
對於這種飛輪式UPS來說，當市電供電正常時，它利用市電為用戶供電，同時還通過具有電動機和發電機調節功能的“G/M”裝置，將部分電能以動能的形式儲存在其巨大的飛輪中。
此時，對於其“同步補償器(G/M)”裝置來說，它不僅承擔短期的能量轉換調節功能，還將市電的電能轉化為儲存在飛輪中的機械能。而且還承擔著對可能來自市電電網和用電設備的諧波電流進行自動穩壓和自動補償的調節功能，即將輸出電流的諧波含量THDI的值實時調整為零。當市電供電中斷時，它可以利用原本儲存在其飛輪中的巨大動能的慣性驅動同步補償器(G/M)裝置繼續旋轉。此時，同步補償器(G/M)裝置將自動承擔發電機的調節功能，從而保證對各種電氣設備的連續不間斷供電。能夠將飛輪式UPS推向新的實用階段的驅動因素有:
(1)對於技術相當成熟的今天的電力行業來說，由於廣泛采用了具有信息管理和智能供電的電網調度技術，以及在用戶供電系統中使用ATS開關自動執行兩路市電輸入電源之間的“切換調節”操作的保護設計方案，其供電系統長期停電的概率極低。
這樣就為飛輪式UPS的實際應用創造了極其有利的運行條件，飛輪式UPS依靠動能慣性能保證負載的持續供電。
(1)根據美國電力研究所對美國供電網絡的調查，發現90%以上的停電事故持續時間小於10s；
②根據RWE對歐洲9國126供電網絡的調查，發現95%以上的停電持續時間小於3s；
(3)對於采用ATS在兩路市電輸入電源之間切換的自動切換調節技術的用戶設備，當優先供電的輸入電源發生故障時，另壹路備用電源能夠在小於1 ~ 3s的時間間隔內恢復對用電設備的供電。理論上，ATS開關會造成輸入電源的電力中斷數十到數百毫秒，因為ATS開關的典型切換時間約≤200ms或更短。ATS開關的總切換時間之所以可能長達幾秒，是為了防止ATS開關因市電電網意外閃斷而在兩路市電之間進行不必要的、頻繁的“誤切換”操作，從而導致用電設備輸入端惱人的尖峰型電源幹擾，縮短ATS開關的使用壽命。因此，需要人為地為ATS開關設置合適的延時切換保護功能。因此，對於具備“雙母線輸入”供電條件的用戶來說，選擇飛輪UPS可以省去配置龐大、故障率高、維護量大的電池組。
綜上所述，由於供電網絡長期停電的概率極低。這樣就為充分發揮飛輪式UPS對可能來自商用電網的暫態電壓波動、閃絡、暫態幹擾、諧波電流實施實時補償調節功能的技術優勢奠定了堅實的技術基礎。
(2)與傳統的雙轉換在線靜態UPS相比，飛輪UPS具有以下明顯的技術優勢，如表1所示。
從表中可以看出，飛輪式UPS在整體效率、單機最大輸出功率、抗過載能力、抗輸出短路能力、輸入功率因數、負載功率因數、允許工作溫度範圍、無需電池組維護、可靠性高等方面明顯優於雙轉換在線式靜態UPS。這裏需要註意的是，飛輪式UPS供電系統的平均整體效率比靜態式UPS高3% ~ 4%。美國Active Power公司的真空磁懸浮飛輪UPS能效甚至可以提高6%。這在當今能源價格大幅上漲的背景下，對於節能降耗和綠化環保尤為明顯。飛輪UPS更節能的另壹個原因是自帶風冷電風扇，不需要配備環境溫度低於25℃的電池組。因此，不再需要為UPS機房配置具有高消耗運行特性的空調機組。但需要註意的是，還是需要配備必要的熱風排氣系統。
3.飛輪UPS的工作原理
圖1顯示了帶飛輪動能存儲的動態UPS的典型控制框圖。可提供輸出功率分別為150、180、260、400、500、750、1000、1300、1670kVA的產品。如圖所示，UPS有兩個電源通道***:
(1)旁路供電通道維護:正常運行時，開關S2處於斷開狀態；
(2)主電源通道:由輸入開關S1、輸入靜態開關、扼流線圈1和扼流線圈2、功率橋和輸出開關S4組成。其中，電源橋由同步電動機/發電機組、雙向變流器、勵磁發電機和儲能飛輪組成。市電中斷時，其滿負荷供電時間約為20s。對於需要長時間持續供電的用戶，可以通過匹配柴油/燃氣發電機組來實現(可選)。在這裏，由扼流圈1、扼流圈2和同步電動機/發電機組成的電源橋，就是所謂神奇的隔離耦合扼流圈式控制回路，具有輸出自動穩壓和輸入電流諧波補償控制功能。這裏電源橋同時承擔自動調壓器和有源濾波器的雙重調節功能。該控制回路的控制功能可以總結如下:
(1)用電流諧波補償和處理非線性負載產生的諧波電流；
(2)輸入電網電壓畸變的電壓諧波補償和治理；
③限制反射到主輸入電網的短路電流的幅值；
(4)利用電源電橋產生的正弦波電源來執行自動電壓調節功能，以確保其能夠向負載輸出電壓調節精度
3.1飛輪UPS自動穩壓不間斷電源調節原理
(1)飛輪UPS輸入電源正常時自動調壓原理。
根據該UPS的設計方案，正常運行時，其輸入開關S1和輸出開關S4處於閉合狀態，維護旁路開關S2處於斷開狀態。當輸入電源電壓在-20% ~+15%範圍內時，“輸入靜態開關”處於導通狀態。在這種情況下，可能含有高頻幹擾的不穩定市電經扼流圈1和扼流圈2濾波抗高頻幹擾，饋入位於其輸出端的電氣設備，同時位於“電源橋”的發電機/同步補償器(G/M機)承擔同步補償器的調節功能。此時“電源橋”處於電機工作狀態。它在高速旋轉狀態下通過勵磁發電機主軸帶動壹個巨大的儲能飛輪(轉速高達1800 ~ 3300轉/分)，從而達到將市電電網的部分電能轉化為飛輪在高速旋轉狀態下的機械慣性動能的目的。同時，在邏輯控制板的控制下，利用飛輪UPS中位於“電源橋”的“雙向變流器”，勵磁發電機和同步發電機/發電機組可以同時執行市電自動穩壓和同步跟蹤的控制任務。此時，其發電機/同步補償器在雙向變流器的控制下輸出調節精度為380 V 1%的穩壓電源。此時，扼流圈1和2承擔無源電壓諧波補償器的調節功能。
(2)飛輪UPS在輸入電源短時故障時的自動調壓控制原理。
當電源因故失效時，位於飛輪UPS中的勵磁發電機利用原本儲存在巨大飛輪中的慣性動能繼續高速旋轉。此時，頻率和電壓都在緩慢變化的輸出電源從發電機饋入雙向變流器的輸入端(註:這是因為隨著輸入電源停電時間的不斷延長，原本儲存在巨大飛輪中的慣性動能被不斷消耗。在這種情況下，勵磁發電機輸出的電源頻率和電壓會有不同程度的降低。這樣壹個供電質量差的電源，經過雙向變換器處理後，可以輸出自動穩壓、自動穩頻的高質量電源。這種優質電源饋入同步電動機/發電機組的輸入端後，可連續輸出380 V 1%穩壓電源(見圖1b)。
當電源出現故障時，UPS持續供電的持續時間取決於飛輪中儲存的機械能和UPS的負載百分比。對於輸出功率為1670kVA的動態UPS，其機械儲能為16.5 MW·s·s，該UPS持續供電時間與UPS負載百分比之間的典型變化參數值如表2所示。
從上面可以看出，對於飛輪式UPS來說，在其運行中，在瞬時供電中斷時間不超過上述時限的情況下，可以持續向用戶的負載輸出高質量的電能。另外，如果市電供電的問題不是停電，而是輸入電壓低，那麽UPS的持續供電將大大延長。
在這種條件下，可以獲得寬的輸入電壓工作範圍。典型的技術參數為:輸入電壓為380V，-20%，+15%時，能連續工作；當輸入電壓下降到380V和-30%時，其供電時間為10min；當輸入電壓降至380V和-50%時，其供電時間為30s。當然，對於選擇柴油/燃氣發電機選項或具有兩路輸入電源和+ATS開關的“雙母線輸入”電源設計方案的用戶，可以為連接的負載提供365×24小時不間斷供電。
典型飛輪UPS的外形及其主要部件的結構圖如圖2所示。
3.2飛輪UPS諧波補償特性的控制原理
飛輪式UPS的第二個重要技術優勢是具有優良的輸入諧波補償特性和較高的系統效率(96% ~ 98%)。
當所接負載為阻性時，其輸入功率因數PF值為1，輸入電流諧波分量的THDI值幾乎為零。當它負載有PC、低檔服務器、工控系統中的DCS設備、家用電器等單相整流濾波非線性負載而沒有輸入功率因數校正(PFC)時，這些用電設備本身的輸入諧波特性就很差。雖然此時饋入這些電器的輸入電源的電壓波形呈現出極好的正弦波形，但它們從輸入電源汲取的電流波形卻變成了如圖3(a)所示的不連續的鐘形脈沖串(即它們的輸入電流波形呈現出嚴重的電流畸變)，導致其輸入電流的諧波含量THDI值高達55% ~ 77%，輸入功率因數PF值下降到0.8左右。
但選用飛輪式UPS驅動上述用電設備後，可采用“扼流圈1+同步電動機/發電機+雙向變流器+扼流圈2”組成的供電橋對這類非線性負載進行諧波治理。在這種情況下，由並聯到飛輪UPS主供電線路的同步電動機/發電機提供的無功功率用於實現電流諧波補償調節。這樣，在飛輪UPS的輸入端可以再次獲得如圖3(a)所示的具有良好正弦波的輸入電流波形。
在此背景下，其輸入電流的諧波特性可以得到很大的改善。典型值有:輸入電流的諧波含量，THDI值；0.98左右。這裏需要說明的是，由於當今數據中心機房使用的大部分IT設備(中高檔服務器、存儲設備、網絡設備)都采用了帶輸入功率因數校正的PFC技術，當使用飛輪UPS驅動這些用電設備時，得到了以下具有“綠色電源”類型的輸入諧波特性:即其輸入電流的諧波含量THDI值；大約0.99，如圖3(b)所示。
綜上所述，相對於傳統的雙變換在線式靜態UPS只能解決其輸入電流諧波和輸出諧波的問題，飛輪式UPS可以同時對其輸入電流諧波和輸出諧波進行諧波補償調節，技術優勢不言而喻。
3.3飛輪UPS具有優良的輸出動態響應特性
飛輪式UPS的另壹個重要技術優勢是具有出色的動態響應特性。如圖4所示，當UPS所連接的負載突然負載時，由“同步電動機/發電機組+扼流圈2”組成的並聯電源橋向所連接的負載提供瞬態和補充有功功率，以保證UPS的輸出端能獲得優良的自動調節輸出特性。其典型的動態響應特征是:
在這裏，飛輪UPS中由輸入靜態開關、扼流圈1和扼流圈2組成的電路可以看作是商用電網中功率傳輸的主通道，而由“飛輪+勵磁電機+雙向變換器+同步電機/發電機”組成的供電橋可以看作是其輸出端並聯的穩壓儲能器，可以動態調節飛輪UPS輸出的功率，以便快速響應後期用電設備。
3.4飛輪UPS的典型技術參數
輸出功率:150，180，260，400，500，750，1000，1300，1670 kva；
輸入功率因數:0.96 ~ 0.99；輸入電壓諧波含量96%的THDV值；
輸入電壓範圍:380V，-20% ~+15%，長期工作；380V，-30%，支持運行時間10min；380V，-50%，支持運行時間2min
輸出電壓:380伏
輸出短路電阻:300%，5s；1400%，10ms；
不間斷電源的平均無故障時間(MTBF)為65438+30萬小時；
允許的UPS並聯機數量:16。
4.結束語
綜上所述，對於市電環境較好的用戶來說，飛輪UPS在以下技術性能上明顯優於雙變頻在線靜態UPS。分別是:整機效率、單機最大輸出功率、抗輸出短路能力、輸入功率因數、輸出功率因數、允許工作溫度範圍、可靠性、EMC電磁兼容性，並且由於不需要配置電池組，UPS的維護工作量和機房占用面積大大減少。其中可靠性高、節能降耗效果顯著、無需配置故障率高的電池組尤為引人註目。鑒於此，它已在美國、歐洲和臺灣省的壹些半導體芯片廠和軍事系統中得到應用。近年來，它也越來越受到中國人的關註。據悉，飛輪UPS有可能納入我國數據中心建設的標準中。這是因為，作為近年來快速發展的技術，飛輪UPS在建設綠色數據中心的同時，可以獲得經濟和環境雙重效益。不過需要註意的是，這個UPS並不完美。
雖然飛輪式UPS還存在壹些不足，但截至目前，對於那些具備“雙母線輸入”供電條件、為電池應用而煩惱的用戶來說，通過采取技術措施，完全可以消除配置故障率高、維護工作量大的電池組可能帶來的種種弊端，因為其預期使用壽命可長達15 ~ 20年。目前，國外大型數據中心普遍采用飛輪式UPS保障供電，尤其是在磁懸浮飛輪式UPS系統領域。相比之下，電池的使用壽命只有幾千次，更換電池壹般也就幾年的時間。
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