《Electric Power Systems Research》：Inherent uninterruptible power supply via directly grid-connected machines and variable inertia flywheels
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为解决备用电源系统(SPS)在电网故障后数秒启动延迟期间关键负荷断电的问题，本文提出了一种新型内置式离线旋转不间断电源(UPS)方案。研究人员将一种新型液压变惯量飞轮(HVI-FW)法兰连接至现有直接并网电机（感应电机IM或电励磁同步电机EESM）转轴上，形成无需电力电子变换的离线旋转UPS。通过详细的数值仿真，系统对比了HVI-FW与两种同等条件的传统飞轮(CFW)的性能。结果表明，电励磁同步电机(EESM)与HVI-FW的组合能提供最稳定的电压和频率支撑，而广泛使用的感应电机(IM)在此应用中并不理想。该方案不仅可作为备用电源系统的补充技术，还能为低惯量电网提供分布式惯性支持和次级效益。
在医疗、数据中心和精密工业等关键领域，哪怕几秒钟的电力中断都可能带来灾难性的后果。传统的解决方案通常依赖于备用电源系统，例如柴油发电机组。然而，这些系统有一个致命的弱点：从检测到电网故障到完全启动并输出额定功率，往往需要数秒乃至数十秒的时间。在这段“黑暗时刻”，关键设备只能依靠额外加装的不间断电源系统来续命。目前主流的不间断电源主要分两种：基于电池和功率电子器件的静止式UPS，以及由电机/发电机和直接连接的飞轮构成的动态式（或称旋转式）UPS。虽然它们能提供瞬时备份，但也各自存在短板，例如电池寿命有限、维护复杂，以及旋转UPS通常需要复杂的功率电子控制。能否找到一种更简单、可靠且能充分利用现有设备的方法，来无缝衔接这段供电空窗期呢？
来自德国弗伦斯堡应用科学大学风电技术研究所的Arne Rettig、Saeed Nikbakhsh Jahromi、Clemens Jauch和Lisanne Reese等研究人员，将目光投向了一种新颖的能量存储装置——液压变惯量飞轮。他们的核心思路颇具巧思：与其为关键负载专门配置一套独立的备用电源，不如让那些本来就日夜运转、驱动着风机、水泵的工业电机，在电网掉线的紧急关头，“摇身一变”成为临时的发电机。具体做法是，将一个特制的液压变惯量飞轮直接安装到这些现有电机的转轴上。这样，在电网正常时，飞轮随着电机一同旋转储能；一旦电网断开，电机立即转为发电机模式，依靠飞轮储存的巨大动能继续驱动负载，稳稳地撑到大型备用发电机组完全启动。这项研究旨在探究这种“变惯量”飞轮与传统固定惯量飞轮相比，在提升备用电源系统性能方面究竟有何潜力，并找出最合适的“电机-飞轮”黄金组合。相关成果发表在《Electric Power Systems Research》期刊上。
本研究主要采用了数值仿真这一关键技术方法，构建了一个包含无限大电源（主网）、本地电网（包含关键负载、离线旋转UPS和备用电源系统）的仿真模型。研究人员系统模拟了感应电机(IM)和电励磁同步电机(EESM)分别搭配三种不同类型飞轮（液压变惯量飞轮HVI-FW、同惯量传统飞轮CFW-SMI、同能量传统飞轮CFW-SEC）作为离线旋转UPS时的动态性能。仿真中设定了电网在稳态运行后突然与主网断开（变压器解列）的工况，并考虑了非关键负载（如风机）通过离合器在故障后延时断开的过程。通过比较不同组合在孤岛运行期间对恒定功率负载的支撑能力，特别是电压、频率的稳定性表现，来评估其优劣。研究所用电机的等效电路参数(ECP)基于文献数据设定，涵盖了两种不同的参数组合以评估系统鲁棒性。
4.1 感应电机(IM)作为离线旋转UPS的仿真结果
通过与三种飞轮的组合仿真发现，感应电机的性能表现普遍不佳，尤其是在配合传统飞轮（CFW-SMI和CFW-SEC）时。电网解列后，由于缺乏独立的励磁来源，感应电机端电压急剧下降，频率迅速跌落，均很快跌破47.5Hz的临界下限，无法为50kW的临界负载提供有效的30秒供电支撑。其根本原因在于，感应发电机需要外部提供持续的无功功率（在本研究中由电容提供）来建立和维持气隙磁场，而其无功需求与转速（频率）、端电压强相关，形成一个不稳定的正反馈循环：电压降低导致励磁电流减小，进一步削弱电压。
4.2 电励磁同步电机(EESM)作为离线旋转UPS的仿真结果
电励磁同步电机的表现则远为优异。三种飞轮组合均能在电网解列后，成功维持电压和频率在允许范围内，并为负载提供完整的30秒供电。其中，液压变惯量飞轮(HVI-FW)的表现尤为突出：它能够以近乎恒定的转速释放能量，从而为电网提供了极其平滑的频率支撑，频率曲线下降最为缓慢。相比之下，同等惯量的传统飞轮(CFW-SMI)由于能量存储较少，尽管初始频率支撑类似，但持续时间不足；而同能量的传统飞轮(CFW-SEC)虽然能够提供足够能量，但其转速（频率）下降速度明显快于HVI-FW，稳定性稍逊。
4.3 系统鲁棒性分析
使用第二套电机等效电路参数(ECP 2)进行的仿真表明，上述结论具有鲁棒性。电励磁同步电机配合液压变惯量飞轮的组合，在不同的电机参数下依然展现出最佳的整体稳定性能。这增强了该配置在实际应用中的可靠性预期。
本研究通过系统性的仿真分析与比较，得出以下核心结论：将液压变惯量飞轮(HVI-FW)与现有直接并网电机的转轴进行法兰连接，构成内置式离线旋转UPS，是一种极具潜力的技术方案，能够有效解决备用电源系统启动延迟期间的供电中断问题。具体而言，研究发现电励磁同步电机(EESM)是该应用场景下远优于感应电机(IM)的选择，因为其独立的直流励磁系统能够自主提供稳定的磁场支撑，从而确保孤岛运行时电压和频率的稳定。在飞轮选型上，液压变惯量飞轮(HVI-FW)凭借其独特的“准恒速”放电特性，能够提供比传统固定惯量飞轮更为优越的频率调节能力和动态稳定性，是实现无缝供电过渡的关键创新。
这项研究的重要意义在于，它提出并验证了一种简单、可靠且经济高效的新型不间断供电路径。该方案摒弃了对复杂功率电子变换器的依赖，通过利用现有工业电机资产，实现“一机两用”——正常时作为驱动，紧急时作为发电，极大地降低了系统附加成本并提升了可靠性。在更深层次上，它为构建未来高可再生能源渗透率下的低惯量电网安全提供了新颖的思路。由遍布电网的电机-飞轮组合构成的分布式惯性资源，能够以物理方式天然、快速地为系统提供频率稳定支撑，这是传统电力电子设备难以比拟的内在优势。因此，这项工作不仅是对传统备用供电技术的有力补充，也为增强整个电力系统的韧性贡献了一个具有广泛应用前景的工程解决方案。
