張艷妍，宋瑋瓊，趙 成，蒙海軍，李國昌，李 蕊，彭 放，周文斌，孫 健，李 娜，柏 卉

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飛輪儲能裝置在重要場所供電中的應(yīng)用

張艷妍1，宋瑋瓊1，趙 成1，蒙海軍2，李國昌1，李 蕊1，彭 放1，周文斌1，孫 健1，李 娜1，柏 卉1

（1國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100075，中國；2國家電網(wǎng)公司，北京 100031，中國）

飛輪儲能設(shè)備在重要場所，可以被用于支撐大功率負載。應(yīng)用時，需充分考慮供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)，電能質(zhì)量可以系統(tǒng)地用各種指標(biāo)描述。本文首先介紹了電能質(zhì)量的國家標(biāo)準(zhǔn)，其次介紹了幾類較常見的電壓敏感類用電設(shè)備。最后介紹了一個案例，案例顯示飛輪儲能設(shè)備在重要場所帶大功率敏感用電設(shè)備時，其輸出穩(wěn)定可靠。

飛輪儲能；電壓敏感設(shè)備；電能質(zhì)量；鈉燈

國際電工委員會以及美國電氣和電子工程師協(xié)會電能質(zhì)量工作組，致力于研究供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量測試方法以及高質(zhì)量的供電，我國電源學(xué)會等行業(yè)機構(gòu)不斷結(jié)合國際最新動態(tài)，編制國內(nèi)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，供電企業(yè)按照國標(biāo)提供優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)。能夠滿足絕大多數(shù)用電設(shè)備的用電需求。但是，經(jīng)過北京電力科學(xué)研究院以及相關(guān)研究機構(gòu)的大量實驗驗證，有部分特殊的用電設(shè)備，對于電源的擾動表現(xiàn)出敏感的不耐擾動的特性，尤其某些電壓擾動甚至造成用電設(shè)備停止工作或非正常工作。為避免這些敏感設(shè)備在極其重要的場合出現(xiàn)停機或非正常的工作狀態(tài)，北京電力科學(xué)研究院以及相關(guān)研究機構(gòu)研究了大量定制電力設(shè)備的輸出特性，飛輪儲能設(shè)備是其中一類定制電力設(shè)備，能夠給敏感設(shè)備提供穩(wěn)定的供電。

本文首先了解電能質(zhì)量的基礎(chǔ)，結(jié)合敏感的用電設(shè)備的需求，提出針對用戶或設(shè)備的有關(guān)定制電力解決方案，利用飛輪儲能系統(tǒng)給重要負荷供電。

1 電能質(zhì)量基礎(chǔ)

電能質(zhì)量是指作為商品或產(chǎn)品，電能的“質(zhì)量”是由標(biāo)志其好壞的各種指標(biāo)來衡量的，所謂“好”或“壞”主要是由用電負荷、用戶或相關(guān)的電氣設(shè)備在用電中的“感受”所決定的。隨著用電負荷的多樣化，電能質(zhì)量指標(biāo)在不斷發(fā)展和完善之中。國際上專業(yè)人員和團體對目前電能質(zhì)量指標(biāo)及其體系的形成有較為全面的研究。大多數(shù)情況下，非重要場所，供電質(zhì)量完全可滿足用電設(shè)備的需求。

1.1 國際研究團體

美國電氣和電子工程師協(xié)會（institute of electrical and electronics engineers，簡稱IEEE）電能質(zhì)量的概念是指給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)置的接地系統(tǒng)均適合于該設(shè)備正常工作。

國際電工委員會（international electrotechnical commission，簡稱IEC）電能質(zhì)量問題是指導(dǎo)致用戶設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流、或頻率偏差[1]。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)

電能質(zhì)量是指輸配電系統(tǒng)中交流電能的品質(zhì)，它包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量、用電質(zhì)量。合格的三相交流系統(tǒng)電能品質(zhì)，指的是理想的電壓或電流波形，它包括電壓、頻率及波形指標(biāo)。國內(nèi)現(xiàn)有限定電能質(zhì)量的各項指標(biāo)主要有以下標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T156 標(biāo)準(zhǔn)電壓》、《GB/T 12325 電能質(zhì)量供電電壓偏差》、《GB/T 12326 電能質(zhì)量電壓波動和閃變》、《GB/T 14549 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》、《GB/T 15543 電能質(zhì)量三相電壓不平衡》、《GB/T 15945 電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》、《GB/T 18481 電能質(zhì)量暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》、《GB/T 19862 電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備通用要求》、《GB/T 24337 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)間諧波》、《GB/T 30137 電壓暫降與短時中斷》等。

1.3 供電電壓偏差的限值

國標(biāo)“GB/T 12325電能質(zhì)量供電電壓偏差”[2]描述了供電電壓偏差的限值為：電壓偏差（%）=（電壓測量值－系統(tǒng)標(biāo)稱電壓）/系統(tǒng)標(biāo)稱電壓×100%，公式描述為

1.4 公用電網(wǎng)諧波

國標(biāo)“GB/T 14549電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波”中4限值[3]規(guī)定了各電壓等級的總諧波畸變率，各單次奇次電壓含有率和各單次偶次電壓含有率的限制值。注入公共連接點的諧波電流不允許超過限值，限值與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)容量有關(guān)。

表1 諧波電壓限值

220 kV電網(wǎng)參照110 kV執(zhí)行

1.5 公用電網(wǎng)間諧波

國標(biāo)“GB/T 14549電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波”中4限值[4]規(guī)定了電網(wǎng)間諧波限值。

表2 間諧波電壓含有率限值（%）

1.6 三相電壓不平衡

國標(biāo)“GB/T 15543電能質(zhì)量三相電壓不平衡”中4限值適用于標(biāo)稱頻率為50 Hz的交流電力系統(tǒng)正常運行方式下由于負序基波分量引起的PCC點的電壓不平衡,不平衡度指電力系統(tǒng)中三相不平衡的程度。用電壓、電流負序基波分量或零序基波分量與正序基波分量的方均根值百分比表示。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點正常運行方式下不平衡度允許值為2%，短時間不得超過4%。

1.7 電壓波動和閃變

國標(biāo)“GB/T 12326電能質(zhì)量電壓波動和閃動”中4限值描述電壓波動（fluctuation）即電壓方均根值（有效值）一系列的變動或連續(xù)的改變，用（%）表示。

閃變（flick）即燈光照度不穩(wěn)定造成的視感，是由波動負荷，如電弧爐、軋機、電弧焊機等引起的。

表3 電壓波動限值

（%）：①很少的變動頻度（每日少于1次），電壓變動限值還可以放寬，但不在本標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定。②對于隨機性不規(guī)則的電壓波動，依95%概率大值衡量，表中標(biāo)有“”的值為其限值。③本標(biāo)準(zhǔn)中系統(tǒng)標(biāo)稱電壓ＵＮ等級按以下劃分：低壓（LV）n￡1 kV；中壓（MV） 1 kV ?n￡35 kV；高壓（HV）35 kV ?n￡220 kV

該標(biāo)準(zhǔn)適用于由波動負荷引起的公共連接點電壓的快速變動及可能引起人對燈閃有明顯感覺的場合，規(guī)定了各級電壓下的閃變限值。

=(max-min)/n×100% （2）

1.7 電力系統(tǒng)頻率偏差

國標(biāo)“GB/T 15945—2008電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差”中3限值規(guī)定電力系統(tǒng)頻率偏差允許值為±0.2 Hz；系統(tǒng)容量較小時，偏差值可放寬到±0.5 Hz；用戶沖擊引起的頻率變動不超過±0.2 Hz。

1.8 電壓暫降

國標(biāo)“GB/T 30137-2013電能質(zhì)量電壓暫降與短時中斷”中附錄A表A.1限值[5]規(guī)定電力系統(tǒng)中某點工頻電壓方均根值突然降低至0.1～0.9 p.u.，并在短暫持續(xù)10 ms～1 min后恢復(fù)正常的現(xiàn)象。

SEMI F47是半導(dǎo)體加工設(shè)備的電壓暫降抗擾力規(guī)范，定義了半導(dǎo)體加工、度量、自動化測試設(shè)備的電壓暫降抗擾力。

表4 SEMI F47曲線

2 敏感用電設(shè)備的電能質(zhì)量需求

北京地區(qū)重要電力用戶較多，項目研究某具有代表性的用戶，如會議場所、高端制造業(yè)、醫(yī)院等。調(diào)研其內(nèi)部使用的用電設(shè)備，作為重要用戶敏感負荷類型，進行敏感負荷電能質(zhì)量需求驗證及測試。

圖1 敏感的用電設(shè)備

2.1 400 W金屬鹵化燈

400 W金屬鹵化燈作為電壓敏感類設(shè)備，對其進行電壓敏感特性測試，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 400 W金屬鹵化燈測試結(jié)果

如圖2所示當(dāng)電壓跌落至額定電壓的百分比為0，持續(xù)時間大于7 ms時，金屬鹵化燈進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至額定電壓的40%，持續(xù)時間大于8 ms，金屬鹵化燈進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至額定電壓的50%，持續(xù)時間大于14 ms時，金屬鹵化燈進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至額定電壓的70%，持續(xù)時間大于80ms時，金屬鹵化燈進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至220 V額定電壓的75%，持續(xù)時間大于1000 ms時，金屬鹵化燈能夠正常工作，不進入非工作區(qū)域。

2.2 400 W高壓鈉燈

400 W的高壓鈉燈作為電壓敏感類設(shè)備，對其進行電壓敏感特性測試，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 400W高壓鈉燈燈測試結(jié)果

由圖3可知當(dāng)電壓跌落至額定電壓的百分比為0，持續(xù)時間大于7 ms時，鈉燈進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至額定電壓的50%，持續(xù)時間大于7 ms時，鈉燈進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至額定電壓的60%，持續(xù)時間大于15 ms時，鈉燈進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至額定電壓的70%，持續(xù)時間大于26 ms時，鈉燈進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至額定電壓的75%，持續(xù)時間大于1000 ms時，鈉燈能夠正常工作，不進入非工作區(qū)域。

2.3 交流接觸器

交流接觸器作為電壓敏感類設(shè)備，對其進行電壓敏感特性測試，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 電壓中斷的起始相角對交流接觸器的影響

測試表明交流接觸器對于電壓跌落的起始相位角非常敏感，隨電壓跌落的起始角由0°～360°變化時，交流接觸器的正常工作時間成周期性變化，其變化曲線近似為一個周期180°滯后于初始相位角10°的余弦曲線。為測試其對電壓變化的最敏感特性，特選取電壓跌落起始角為90°～100°區(qū)間，進行電壓跌落深度測試。

電壓跌落深度對交流接觸器敏感特性的影響（交流接觸區(qū)安全工作區(qū)圖）如圖5所示。

測試結(jié)果見圖5，當(dāng)電壓跌落至額定電壓的百分比為0，持續(xù)時間大于7 ms時，交流接觸器進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至額定電壓的10%，持續(xù)時間大于13 ms時，交流接觸器進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至額定電壓的25%，持續(xù)時間大于15 ms時，交流接觸器進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至額定電壓的30%，持續(xù)時間大于22 ms時，交流接觸器進入非工作區(qū)域；當(dāng)電壓跌落至額定電壓的43%，持續(xù)時間大于10000 ms時，交流接觸器能夠正常工作，不進入非工作區(qū)域。

圖5 交流接觸器的測試結(jié)果

2.4 計算機類負荷

對于計算機類負荷的測試結(jié)果表明，在電壓跌落至60%及以下時，計算機設(shè)備會重新啟動；跌落至0時，在1 s內(nèi)計算機設(shè)備會關(guān)機。

2.5 固定式框架開關(guān)

對固定式框架開關(guān)（配MN欠壓脫扣）的試驗顯示在電壓跌落至41%及以下時固定式框架開關(guān)其MN欠壓脫扣器動作。

表6 框架開關(guān)測試結(jié)果

3 飛輪儲能設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

飛輪儲能系統(tǒng)，作為一類有效解決電壓擾動問題的大功率帶載設(shè)備，可以解決幾個毫秒之內(nèi)的電壓擾動影響，其在電力行業(yè)的應(yīng)用較多，特別是重大的政治活動保障期間，能夠作為電網(wǎng)和用戶之間的隔離設(shè)備，向用戶提供不間斷高質(zhì)量的電源供應(yīng)。

3.1 飛輪儲能設(shè)備的原理

飛輪在摩擦很小的真空環(huán)境下持續(xù)旋轉(zhuǎn)，光學(xué)傳感器用以控制飛輪作為發(fā)電機或發(fā)動機間的轉(zhuǎn)換，飛輪在磁力環(huán)境及軸承的支撐下轉(zhuǎn)動達到最佳運行狀態(tài)，同時也減輕了軸承的壓力，增加軸承的壽命，飛輪充電過程其轉(zhuǎn)子消耗電能在電力驅(qū)動下不斷提高轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)子達到額定轉(zhuǎn)速后，只需要很小的電能以維持轉(zhuǎn)子持續(xù)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達50%，系統(tǒng)已具備條件可以對外進行放電，當(dāng)直流總線電壓降低到某一特定值時，觸發(fā)飛輪開始對外放電。

飛輪放電時，廠家不同，其結(jié)構(gòu)不同，但裝置內(nèi)部皆自帶逆變器，可實現(xiàn)完全濾波，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波供電，供電品質(zhì)優(yōu)良。且一般情況下，飛輪配合柴油發(fā)電機一同使用，柴油發(fā)電機可在帶負載的同時，完成油箱補油，因此，理論上飛輪儲能裝置配柴油發(fā)電機使用，為用戶供電時，可無限期提供標(biāo)準(zhǔn)正弦波優(yōu)質(zhì)供電電源，特別是在需要大負荷長時間供電情況下，比電化學(xué)儲能型UPS節(jié)省空間。

圖6 飛輪儲能設(shè)備的原理

3.2 飛輪儲能設(shè)備應(yīng)用案例

某用戶單位按照重要性分類，屬于特級重要用戶。該用戶用電設(shè)備按照重要性分為三類負荷，分別為一級負荷、二級負荷和三級負荷，其中一級負荷，又分為特別重要負荷和一級負荷。如表7所示，（GB50052—2009供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范）。

表7 用戶負荷分級

圖7 飛輪供電示意圖

依據(jù)用戶負荷分級，重要會議廳、重要辦公室、貴賓接待、應(yīng)急照明、消防電梯、客梯屬于一級負荷，使用頻次高，供電電壓異常將造成重大影響，采用飛輪儲能UPS加柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)（簡稱“飛輪+柴發(fā)”應(yīng)急供電系統(tǒng)），作為用戶采用的各種應(yīng)急供電方式的有效補充。

該方案中客梯、消防電梯變頻器啟動特性、抗擾動特性，需要測試。貴賓接待用電類負荷特性、會議室用電負荷特性、辦公用電特性，需測試。飛輪儲能系統(tǒng)的輸出特性、帶大功率負載的突增負荷時帶載能力需要測試。電源擾動時（電壓驟升驟降擾動、頻率擾動、諧波擾動）飛輪儲能系統(tǒng)的響應(yīng)特性需要測試。

最后，測試市電電源供電中斷的情況下，飛輪輸出特性如圖8所示。

由測試數(shù)據(jù)可知，當(dāng)市電電源在最惡劣的情況下，即市電中斷的情況下，飛輪儲能裝置的輸出特性仍舊保持干凈穩(wěn)定的電壓、電流波形，可持續(xù)不間斷為用電負載供電。

圖8 飛輪輸出特性

4 結(jié) 論

（1）電網(wǎng)公司能夠提供的電能質(zhì)量根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，是允許有諧波、不平衡、短時中斷等現(xiàn) 象的。

（2）各類用電設(shè)備其耐受電壓擾動時，響應(yīng)特性是不同的，不同類型設(shè)備之間，耐受同樣電壓擾動，其響應(yīng)特性不同；同一類用電設(shè)備，當(dāng)電壓擾動的時間和深度不同時，其相應(yīng)特性也不相同。

（3）應(yīng)用飛輪儲能系統(tǒng)時，一般應(yīng)配合發(fā)電機一同使用，飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用時應(yīng)充分考慮電網(wǎng)電源與用電設(shè)備的特性，以便選用容量和接入方式。在與用電容量相匹配的情況下，飛輪儲能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)無間斷的高質(zhì)量持續(xù)供電。

（4）飛輪儲能系統(tǒng)輸入端電源在電源斷電情況下（最惡略情況），飛輪儲能系統(tǒng)的輸出特性仍平穩(wěn)，不間斷輸出。因此在某重要場合，帶大功率負載時，選用飛輪儲能系統(tǒng)供電是極佳的選擇。

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General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China. Quality of electric energy supply-Harmonics in public supply network: GB/T 14549-93[S]. Beijing: Standards Press of China, 1994.

[5] IEEE Standards Coordinating Committee. IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[S]. IEEE Std1547-2003, 2009.

Application of flywheel energy storage equipment in vital places

ZHANG Yanyan1, SONG Weiqiong1, ZHAO Cheng1, MENG Haijun2, LI Guochang1, LI Rui1, PENG Fang1, ZHOU Wenbin1, SUN Jian1, LI Na1, BAI Hui1

(1State Grid Beijing Electric Power Research Institute, Beijing 100075, China;2State Grid Corporation of China, Beijing 100031, China)

Flywheel energy storage equipment can be used in vital places, for high power loads in short time duration. Multi-index is used to describe the power quality. The national standard of power quality and several kinds load characteristics are discussed in this paper. An application example of flywheel energy storage equipment was presented in actual engineering, which demonstrated that flywheel energy storage equipment could provide output with excellent power quality.

flywheel energy storage; voltage sensitive devices; power quality; sodium lamp

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0120

TM 919

A

2095-4239（2018）05-847-06

2018-06-15；

2018-08-18。

張艷妍（1977—），女，高級工程師，主要研究方向為電能質(zhì)量定制電力及配電自動化，E-mail：z568@163.com。