脉冲功率技术中的储能方式

脉冲功率技术中的储能方式摘要主要分析脉冲功率技术中电容储能、电感储能、化学储能、机械储能，这四种主要储能方式的机理及特点并进行各自的优缺点比较，找出每种储能方式的限制条件关键词：脉冲功率技术；电容储能；电感储能；化学储能；机械储能概述随着科技不断的发展，脉冲功率技术的应用领域越来越广阔。但脉冲功率技术却一直受到储能技术的制约。因为不可能从电网直接获得一定波形要求的大功率，一般都是要借助能量储能系统先把能量在较长时间里（相对放电来说）储存起来，然后瞬间释放出来，以获得脉冲强电流和大功率。因此如何经济、可靠、有效地存储能量已成为脉冲功率技术领域的重要课题。储存能量的方式有很多种，在脉冲功率技术中常用的是电容储能、电感储能、化学储能和机械储能。下面主要介绍在脉冲功率技术中，这四种储能方式的原理和特性。1、 电容储能电容储能是被研究最早的一种储能方式，也是目前应用最广的储能方式。其技术成熟，可用于毫秒、微妙、纳秒量级的脉冲功率装置中。作为储能器件，具有容量大、内部电感极小、耐压高的特性，储能达数千焦耳至数兆焦耳，缺点是储能密度低，在107J以上的装置上使用不够经济【1】。模块化电容储能脉冲功率源系统主要由三个部分组成【4】：电容充电装置；脉冲成形网络模块；测控系统。其工作原理可以用下面的原理图来说明【2,3,5】，此阶段为电流上升阶段，二极管D，反偏截止;当电流上升到最大值时，二极管D!正偏导通，阻止电流对电容反向充电，此时电感中积蓄的能量经二极管DI、D:继续向负载供应，此阶段为电流下降阶段。整个过程可用如下函数来表示-i*式;1）中 略;Vlc,Fh电路理论町知,当於载电阻很小时,有诚;T=-nVLC （2）式⑵浏A为电St式大值我为屯流脉呼底宽：.放电电成曲税也图3.：y鱼载电流呈正弦变化裁电流坪.指敷宓化-2、 电感储能相比电容储能，电感储能的储能密度高，系统体积小、重量轻、造价降低，因此应用电感储能有潜力得到更高的能量利用率和脉冲功率，并且电感储能系统的绝缘问题相对容易解决。目前被广泛应用于等离子体物理、强激光、电磁辐射等研究领域【6,8,9】。电感储能可有如下原理图说明：图2单模垸脉冲功一率电源削路电容储能式功率脉冲电路包括高压充电电源U、储能电容C、阻尼二极管D.与DZ、主开关RZ、调波电感L和负载R几部分。开关采用真空触发开关，应具有极高的di/dt性能。调波电感用来调整负载电流的幅度和脉宽。阻尼二极管的作用是防止反向电压对电容反向充电，避免损坏电容器。负载R包括轨道阻抗和电枢阻抗。假设开关是理想的，当开关闭合时，电容向负载放电，同时向电感充电，一般的电感储能脉冲电源，山储能电感器L、给L充电的初级电源P和断路开关OS组成（如上图所示），有时还需在负载ZL和L间串接闭合开关CS。当L被充电后断开OS时，能产生一个较高的感应电压L（di/d「）。在这种装置中常可储能10——100MJ，借助Os可把能量脉冲“压缩”到充电时间的1/5-1/10或更小，能把脉冲功率放大到1014-1015W【6,7,11,12,13】。其中初级电源P常为Marx发生器、蓄电池等。3、 化学储能化学储能实际上就是利用储能材料相接触时发生化学反应，而通过热能与化学能的转换储存能量储存起来。它具有很高的储能密度（例如TNT炸药储能密度为5.25X103j/cm3）【9,i9】。并且它们又能快速脉冲地释放和转换成电脉冲，所以现代脉冲功率技术常采用化学能的脉冲发电装置，除高储能密度的电化学电源（如蓄电池）夕卜，常用的还有各种形式的磁通压缩发生器（发电机）、脉冲磁流体发电机和磁流体电容器等e9】。蓄电池作为一种化学储能装置，其原理是使用时先充电，将电能转化成化学能存储起来，工作时，将化学能转换成电能对负载释放电能。这个过程可以重复多次。在脉冲功率装置中使用的蓄电池分为两大类：秒级放电的普通型和毫秒级放电的脉冲型。暴磁压缩发生器是利用磁通祖在良导体回路内守恒原理即电感L与电流i之间的关系祖=廿，通过化学反应产生的机械力做功，压缩回路磁通和减少电感L，则使i增大（因祖守恒）"，9】。即将炸药所含的化学能转化为电磁能。原理及其典型电路如下图所示。奥始俺逸屯源） 成「I；监本的4、 机械储能机械储能装置最常见的是脉冲发电机和单机发电机，并且多是先用透平机或电动机把大质量飞轮驱动起来旋转到高速度，使飞轮惯性地储存动能，然后突然转接到脉冲发电机的转子轴上，使其产生电脉冲输出，同时飞轮因释能而被减速或停转E9，.】。飞轮的结构如下图所示，主要包括5个基本组成部分:1）采用高强度玻璃纤维（或碳纤维）复合材料的飞轮本体；2）悬浮飞轮的电磁轴承及机械保护轴承;3）电动/发电互逆式电机；4）电机控制与电力转换器;5）高真空及安全保护罩【I16】。飞轮储能系统的工作原理为:系统储能时，电机作为电动机运行，由电网提供电能经功率电子变换器驱动电机加速，电机拖动飞轮加速储能，能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮中;当飞轮达到设定的最大转速以后，系统处于能量保持状态，直到接收到一个释放能量的控制信号，系统释放能量，高速旋转的飞轮利用其惯性作用拖动电机减速发电，经功率变换器输出适用于负载要求的电能，从而完成动能到电能的转换。由此，整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出控制【14,15,16,17】。5、 四种储能方式的比较由最常见的电容储能装置平板电容器，和电感储能装置螺线圈可得到，电容储能密度为'•. •'，受介质电强度所限制，介质承受电压时间越长越容易击穿，故其储能密度不高；电感储能密度为"1」，仅与B有关，且最高场强仅出现在向负载供电的最后脉冲期间，所以储能密度相对于电容要高很多。但电感储能技术在运用的工作过程中要开断巨大的高压电流，从而限制了其运用范围。机械储能技术储能密度大、功率大、运行安全、可靠、寿命长等优点，仍存在产生的脉冲时间一般为几秒或几百毫秒，所以只能在一定条件下使用。化学储能密度很高，但其目前是用的材料昂贵，并且要求条件苛刻，因此在实际运用中也受到限制。6、 结束语随着脉冲功率技术在日常生活中使用的日益普及，能量存储技术的重要性日益凸显。因此，研发更加优越的能量储能方式显得迫切需要。参考文献：韩文邹晓兵脉冲功率技术基础杨玉东，王建新电容式电磁炮电源电路的设计与仿真陶立电容储能式脉冲发生器的分析与设计⑷周照松大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源中的特性研究袁伟群，栗保明电容储能脉冲功率源中Rogowski线圈标定方法郝世荣，谢卫平Marx发生器驱动的电感储能型脉冲功率源王莹电感储能强脉冲电源及其断路开关孙凤举，邱爱慈高功率Z-Pinch脉冲源技术的发展王莹脉冲功率技术综述杨汉武，钟辉煌新型爆磁压缩脉冲功率调制电路李志强，钟辉煌新型电感储能脉冲功率驱动源李志强新型电感储能脉冲功率源及其驱动S波段锥形MIL。的研究TARASENKOVF， PANCHENKOAN用于激光器的电感储能发生器（英文）赵冰飞轮储能系统的智能控制研究王宝军飞轮储能系统电机设计与充放电控制仿真研究张冰具有飞轮电池储能的移动电站研究JIANGShuyun，JULihuaStudyonelectromechanicalcouplingnonlinearvibration