2.3脉冲功率储能技术-电感

储能技术 电感储能 电感储能是以磁场方式进行储能的 电感储能技术在现代科学技术领域中 如等离子体物理 受控核聚变 电磁推进 重复脉冲的大功率激光器 高功率雷达 强流带电粒子束的产生及强脉冲电磁辐射等领域 都有极为重要的应用 10 6 10 3 1 103 106 储能密度与能量释放时间比较 概述 电容器与电感储能密度比较 从储能密度方面看 电容储能密度1 2 E2 显然要受介质的电场强度所限制 而且介质承受电压的时间越长越容易击穿 因此 电容器储能器充 放电时间过长也限制了储能密度的提高 电容储能密度B2 2 仅与磁感应强度有关 且最高电场仅出现在向负载转换的最后一段期间 比电容储能情况短得多 因此电场强度对电感储能的限制不大 其储能密度几乎只受与B有关的磁压力限制 取合理性数值计算发现 电感储能密度比电容大两到三个量级 电感储能密度在10 40MJ m3或30 50kJ kg 电感与电容器储能密度比较 相同尺寸 w 0 25m d 0 4m l 1 5m电容器以水介质 电场强度E 1MV cm 电感以空气介质 磁场强度 B 10T 电容器储能密度 Uc 0 22MJ m3电感储能密度 UL 40MJ m3电感储能成本 1 25 J 电容器储能成本 0 12 J 电感储能的缺点向负载转换能量需要大容量的断路开关 并且开关动作要快 工作可靠和寿命较长 断路开关技术是决定电感储能技术能否发展的因素之一单级电感储能装置向负载馈电的能量转换效率低 对电感负载最大不超过25 虽然多极电感储能可提高效率 但使电路和设备复杂性 导致体积庞大和造价升高 电感储能技术 目前主要研究方向超导储能技术快放电技术微秒放电串联充电 并联放电发展新型断路开关和换流技术高阻抗负载和高功率重复脉冲放电 超导储能技术超导将有效地降低对充电电源的功率要求 从而能将功率放大倍数增大到103倍 超导状态能长期无损地储存能量 并且能量释放时间可从微秒扩大到若干小时 使得电感储能不仅能在微秒 毫秒放电领域与电容器竞争 也可以在秒级入电领域与旋转机械储能装置和电池组竞争 也电磁发射领域也可以较大的应用 超导储能的应用 主要取决于超导材料在充电和能量向负载转换期间磁场变化速度的临界性 快放电技术就脉冲功率技术而言 快速放电意味着能量的时间压缩倍数增大和功率的提高 电感可以串联充电 并联放电 前苏联建立了储能60MJ 放电机6MA 50kV和150 200us的电感储能系统 新型断路开关和换流技术电感对断路开关的要求甚高 电爆炸导体开关 等离子体融蚀开关等电阻型断路开关在单级电感储能电路时其转换效率低 发展了相关的换流技术 电容换流技术等 高阻抗负载和高功率重复脉冲放电由于电感储能具有很大的储能能力 高的储能密度 大功率水平和单位能量成本分配随尺寸的增加而减小 采用电感储能进行高功率连续脉冲放电极为有利 研究重点还是断路开关阵列 电感储能装置包括充电电源P 储能电感L 转换装置 断路开关 闭合开关 负载Z 几种换流电路分析 根据磁通守恒定律 传输到负载能量 当Lc Ll时 能量传输效率 Lc中剩余能量 开关中消耗能量 开关上产生的过电压 采用并联电容器的换流电路 电流过零换流技术 1 电流过零换流 2 一种大功率固体开关换流 工作过程 初始状态 S1和S2都断开 充电过程 S1a和S1b闭合 充到所需要电流 换流过程 给S1b开关FET管栅极一个信号 控制FET管压降达40V 此压降迫使电流换流到S2 当开关S1中的电流降到零时 S1a SCR 恢复阻断能力 然后关断FET管的栅级信号 负载换流 关断S2b开关的IGBT 其并联的压敏电阻将保持800V电压直到电流完全换流到负载上 S2a恢复正向阻断能力 超导储能 SMES 充放电装置 工作过程 充电阶段 Sc闭合 Sc1和Sc2被加热处于 断路 电源沿回路Sc Sp1 L1 Sp2 L2充电到所需要的电流 保持阶段 Sc1和Sc2被冷却到超导状态 断开Sc 电流流过回路Sp1 L1 Sc1和Sp2 L2 Sc2处于保持状态 放电阶段 触发与Sp1 Sp2并联的电容上串连的晶闸管 电容向Sp1和Sp2放电 产生脉冲使Sp1和Sp2失超 迫使L1和L2中的电流并联向负载放电 一种复合开关 工作原理 变压器原边处于超导状态 储能变压器变比n大于1 原边充电到一定电流时I0时 断开复合开关 变压器副边获得nI0的电流比 复合开关中 真空断路器承担断路后的高压 GTO熄弧 串联谐振抵消脉冲开关 工作过程 Sop闭合 Sc断开单极发电机通过Sop给Ls充电SCR触发导通 电容C放电产生抵消脉冲 流过断路开关Sop 当电流降到0时断开Sop Sc闭合 负载电流流过Sc并减小 Sop再次闭合 电流减小到0 断开Sc 复合变压器零电流开关 工作过程 初始S1闭合 S2断开 变压器原方处于超导状态并充电到一定值 然