基于磁悬浮飞轮储能技术的CAT蓄电池应急电源车设计和实现

【摘要】：依据磁悬浮飞轮储能技能的应急电源车，首要包含移动运送车辆、柴油发电机组、磁悬浮飞轮储能UPS体系、油机快速发动设备、ATS双电源控制器等环节。现在，磁悬浮飞轮储能技能具有多样化特征，能完成电能向动能方向进行转化，不间断给要害负载供给各种电力动力，完成和市电供电体系进行彼此切换，有用推进城市社会经济完成可持续发展。

【要害词】：磁悬浮飞轮储能技能；应急电源车；实验

一、前语

跟着社会经济不断发展，人们日常日子水平不断进步，电网供电安稳性成为政府部门注重的论题。特别在信息化时代背景下，由于全球气候变暖，导致全国各区域都呈现自然灾害，一旦呈现电力设备毛病，会让整个城市呈现大规模断电，给人们日常日子带来严重阻止。为防止停电给不同城市经济带来严重影响，给用户供给持续的电网支持，国家电网公司提出以柴油机式应急电源车为基础的城市配电网应急计划，该计划逐渐成为所有供电体系配电网日常运转的重要方法[1]。

现在，柴油机式应急电源具有连续供电时刻长、容量大等特征，是现在最常用的应急电源，但在停电时柴油发电机接收发动信号至电压安稳供电，一般需要耗费5分钟，即便快速发动柴油发电机也需要15秒，所以柴油发电机无法完成不间断供电需求。而柴油发电机需要完成和市电供电的无缝切换，要装备不间断电源UPS，传统UPS是以铅酸电池为主，存在运用寿命短、毛病率高、维护本钱高昂等问题，无法满意日常供电需求。因而，磁悬浮飞轮储能技能应运而生，和铅酸电池比较，其具有经济效益高、无污染、运用寿命长等特征，跟着高温超导技能和高能永磁技能呈现在人们视线范围内，磁悬浮飞轮储能UPS被应用在应急电源车上。

二、磁悬浮飞轮储能技能

磁悬浮飞轮储能设备首要包含电机、轴承、电机、飞轮等环节，电机驱动飞轮在真空容器中高速旋转，能开释很多能量，然后完成电能和动能间的彼此转化。在充电时，其功能和电动机功能基本相同，能引导飞轮高速运转，将电能全部转化为动能贮存起来，飞轮转速最高能到达每分钟几万转；放电时，飞轮转速不断下降，动能转化为电能，向负载方面传输很多电能。因为飞轮被安装在真空容器中，一般处于磁悬浮状况下进行正常作业，不会遭到空气阻力影响，能有用下降运转中的动力耗费程度（如图1所示）。

               

                     图1  磁悬浮飞轮储能设备

（一）飞轮

飞轮将电能转变为动能，便于作业人员进行贮存，飞轮贮存能量可用公式表明：

                                   （1）

公式（1）中：E表明飞轮贮存的能量；w表明飞轮旋转的角速度；j表明飞轮绕旋转轴的转动惯量。

经过剖析上述公式可见，飞轮转速和飞轮贮存能量功率有直接联系，飞轮转速越高就能贮存更多能量。在日常运转过程中，飞轮转速最高峰为40000r/min，一般金属所制作的飞轮很难接受这种高频率转速，为防止飞轮因高速旋转发生离心力和内部结构应力，导致飞轮呈现断裂问题，飞轮一般采用碳纤维资料制作，能保证飞轮不仅具有高抗拉功能，还要进步其安稳性，然后到达长期运用不变形的问题，还能有用下降整个设备的重量。

（二）轴承

飞轮在旋转过程中会发生适量的摩擦损耗，这种损耗和轴承质量有直接联系。在正常情况下，轴承是由磁悬浮轴承、机械轴承两个环节组成，其中机械轴承具有结构简单、本钱低等长处，但其运用寿命较短、摩擦损耗较高；磁悬浮轴承首要包含电磁轴承、永磁轴承、超导体磁轴承等，永磁轴承虽然有能耗低、结构简单等特征，但其无法独立悬浮在空中，超导体磁轴承有磨损低、高承载等特征，但这种物体的制作本钱较高，电磁轴承具有能耗低、无磨损的长处，但需要持续耗费电能。依据上述作业人员的剖析，一般采用不同磁悬浮轴承和其他轴承形式彼此配合运用[2]。

（三）电机

电机不仅是电动机，也可作为发电机运用。在储能阶段，作业人员经过运用电动机来引导飞轮运转，等到飞轮速度增长到一定程度后，能直接将电能转化为动能；在能量开释阶段，飞轮能带动电动机进行运转，将动能转变为动能。且在整个运转过程中，电机转速较高且运动速度变化程度较高；在真空环境中，由于散热条件较差，所以对电机功能提出更高要求。从飞轮储能的节能降耗和内部结构规划方面来看，作业人员一般运用磁阻电机、三相无刷直流电机、永磁无刷电机等[3]。

三、磁悬浮飞轮储能应急电源车规划

（一）规划要求

磁悬浮飞轮储能应急电源车首要包含移动运送车辆、控制体系、ATS双电源控制器、磁悬浮飞轮储能UPS体系等环节[4]。应急电源车能给负载供给零毫秒级断电保护，然后完成长期不间断供电；飞轮储能UPS和柴油发电机彼此结合，经过合理控制体系完成负载的长期供电。在市电输入正常情况下，UPS体系要进步市电安稳性，且将飞轮储能设备中进行充电；当市电输入反常时，为持续向负载供给电力保障，作业人员可快速切换到UPS状况下进行供电；在市电输入正常后，作业人员要及时切换到市电，持续给负载进行供电（如图2所示）。

                      图2  磁悬浮飞轮储能应急电源车作业原理

（二）磁悬浮飞轮储能UPS体系

磁悬浮飞轮储能UPS体系是运用并行在线式UPS，当沟通输入处于正常状况时，能采用逆变设备和整流设备进行负载供电；沟通输入反常时，UPS经过逆变器进行负载供电，磁悬浮飞轮储能UPS体系能自动阻挡市电驶入影响，保证负载能正常运转[5]。

四、实验成果

（一）实验条件

磁悬浮飞轮储能应急电源车实验条件如表1所示。

                        表1   实验环境条件

项目	数值
海拔高度/m	小于1000
相对湿度/%RH	0-90
环境温度/°	-20—+40

（二）实验数据

经过对磁悬浮飞轮储能应急电源车进行实验，发现应急电源车能和市电电源间能进行自由切换，首要参数测验成果都满意行业标准（如表2所示）。

                          表2  磁悬浮飞轮储能应急车的实验数据

测验项目	参数值	测验成果	定论
电压瞬间恢复时刻	在日常作业时，输出接阻性负载，让输出电流呈现突加和突减现象，输出电压有用值上升到220V	电流突加10 电流突减10	合格
输出电压相位偏差	输出电压归于额定值，正常作业状况下的输出三相电压和逆变作业中的三相电压相差要低于1°	正常作业0° 逆变作业0°	合格
市电电池转变时刻	市电和电池供电彼此转化时刻为0	市电转电池0 电池转化市电0	合格
旁路逆变转化时刻	正常作业和旁边作业转化时刻要小于0	逆变转化到旁路0 旁路转化到逆变0	合格