脉冲功率储能技术-惯性储能

储能技术惯性储能,惯性储能是依靠物体运动来储存能量的方法。储存在旋转机械和飞轮中的动能是旋转机械能，不仅储能密度高，而且提取方便。一般使用较小功率的拖动机构，以相对长的时间把一定质量的转子或飞轮慢慢地加速使其转动起来，使其储存足够的动能，然后利用其转动惯性脉冲地驱动合适地发电设备，把机械能转变成电磁能。法拉第电磁感应定律,优势：储能密度高，结构紧凑，体积小，成本低，可移动。应用于：近代同步加速器，托卡马克聚变装置，等离子体箍缩，大型风洞装置，大截面金属对头焊接，加热钢坯，泵浦大功率激光，作重复发射的粒子束武器的电源和电磁发射器的电源，烧结金属粉末，电磁喷涂，模拟地震脉冲，脉冲金属成型等。,10-6,10-3,1,103,106,储能密度与能量释放时间比较,概述,常用惯性储能,直流换向直流脉冲发电机单极脉冲发电机交流同步发电机补偿脉冲发电机,惯性储能机械的典型分类和性能,直流发电机,直流发电机由激磁磁场，转子电枢和端部换向器组成，从电刷引出直流电压。为了获得更高能量的脉冲，应当使用飞轮惯性储能。发电机转子和更大质量的飞轮常用异步机拖动，使它们逐渐储存大量的动能。当达到额定转速后，再向发电机提供激磁电流以建立激磁磁场，于是发电机便产生空载电压。使电动机与电网脱离，同时接通外电路负载，负载便获得电流。发电机开始减速，储存于转子和飞轮中的机械能被脉冲地转变成电磁能，完成一个脉冲的工作。发电机在空载启动和加速飞轮过程中必须切断激磁绕组。可以单台独立运行，也可多台串并联运行。,单极脉冲发电机（HPG）,单极脉冲发电机（HPG）,惯性储能：W=1/2*IMr2=1/2*GD2/4*r2(J)V=1/2*r2*B*r(V)W=1/2*(4IM/r4B2)*V2Ceq=4IM/r4B2,导电的圆盘（转子）本身就可储能，它在外加的轴向磁场中旋转。由于圆盘切割磁力线，所以在圆盘的外缘和轴之间产生感应电动势，并用电刷将它引出，供外电路负载用。这个感应电压U与磁感应强度B，转子半径r，旋转角速度(边缘线速度p)有关。,通常所说的储能，是指转子惯性储存的动能，由于使用的转子即是储能体又是感应电势所用的单匝线圈，所以的输出电压较低，一般在几十伏到几百伏之间。由于的内阻较低（10u），弥补了电压低的缺点。HPG特别适合作脉冲电源用，特别是所需的储能达几十至几百兆焦耳时。所用的激磁的场线圈异常简单，且转子无绕组，所以转子很快能被加速到高速度，并且能以毫秒时间把惯性储存的动能转变成电能。,恒流激磁时，可以被看成一个大容量低压等效电容Cef。这个等效电容很大，可以达几千法拉。为了有效地传递能量，与电感负载配合将不方便。,Cef=2Ek/U2,Ek是储存在转子中的动能,Cef=2Ek/U2=42J/2=2h/B2,是转子的材料密度，h是转子的厚度。,减小Cef，可能通过改变相关参量（,h,B），但要考虑相应的制约因素。第一，过分减小转子材料密度，难于保障转子的机械强度和电导率。此外，如果使用非铁磁材料时，减小将导致激磁的场线圈和电源的成本提高。第二，不能使h太小，转子太薄将引起转子振动，并且电磁力可能损坏转子，而且由于储能成本几乎与转子厚度和直径之比成反比，所以减小h将使储能成本增大。第三，磁感应强度的增大受磁轭的磁饱和限制，过分加大将使场线圈和它的电源成本增加。,减小等效电容的有效办法：采用本身给它的场线圈供电的自激式，此时的场线圈即起激磁作用又起电感储能器作用。将若干个串联使用，尤其在相邻的转子共用一个激磁线圈时，效果更好。它不仅能使等效电容变小，而且还能提高输出电压。,几种常见HPG,圆盘形,鼓形,自激式单极脉冲发电机,自激的工作过程如下：转子被电动机（或其它原动机）驱动而旋转，当转子达到额定转速后，使转子脱离驱动电机以惯性转动。首先启动外部电路或利用电感储能线圈的剩磁提供少量磁通，转子切割此磁通，同时用驱动器接入电刷，与电感线圈串联的电路便获得电流，这个电流产生的磁场再激励，使转子和电感线圈的电流迅速增大起来。当电感线圈电流达到额定值后，使断路开关断开，以高压把能量传递给外负载。,自激放电过程,电压方程：,能量守恒方程：,可推导出：,脉冲功率用同步发电机,带整流负载运行,励磁方式,-托卡马克100MW脉冲发电机组,磁通压缩原理,初始电感L0，电流I0，磁通L0I0磁通压缩后：电流I，电感L=LALB-2M磁通守恒：I*L=I0*L0,磁通守恒原理,主动补偿脉冲发电机(补偿绕组与电枢绕组串联),电感,主动补偿电机电压、电流、电感变化,补偿脉冲发电机,被动补偿脉冲发电机(PCP