储能脉冲：脉冲功率储能技术

储能脉冲：脉冲功率储能技术……1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D1、主开关K1、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K2闭合时，电容向负载放电，同时向电感充电，此阶段为电流上升阶段，二极管D1，反偏截止；当电流上升到最大值时，二极管D1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、D2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● 测控系统。电容储能脉冲功率源工作原理可以下图来说明图示1：单模块脉冲功率电源电路

随着脉冲功率技术在日常生产生活中的日益普及，其能量储存技术亦受到越来越多的重视。下面本文主要根据现今脉冲功率技术中主要的电容储能、电感储能、化学储能、机械储能等储能方式，介绍其相关特点及应用原理。

一、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10^7J以上的装置上使用不够经济。模块化电容储能脉冲功率源系统主要由三个部分组成：

● 电容充电装置；

● 脉冲成形网络模块；

● 测控系统。

电容储能脉冲功率源工作原理可以下图来说明

图示1：单模块脉冲功率电源电路

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D1、主开关K1、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K2闭合时，电容向负载放电，同时向电感充电，此阶段为电流上升阶段，二极管D1，反偏截止；当电流上升到最大值时，二极管D1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、D2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

……1

式1中：

由电路理论可知，当负载电阻很小时，有：

；

……2

式2中，I0为电流最大值；T为电流脉冲底宽。放电电流曲线见下图3。t＜t0负载电流呈正弦变化；t≥t0负载电流呈指数变化。

图2：放电电流曲线

二、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。

电感储能可有如下原理图说明：

图3：电感储能原理图

一般的电感储能脉冲电源，包含储能电感器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/dt）。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10^14—10^15W。其中初级电源P常为marx发生器、蓄电池等。

三、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5.25*10^3J/cm³。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）外，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。

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φ在良导体回路内守恒原理即电感 L 与电流i之间的关系φ＝Li，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φ守恒）。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：

图4：化学储能原理图

四、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。

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。

图5：飞轮系统组成图

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。

相关文章：

• 脉冲变压器 https://www.vfe.cc/NewsDetail-931.aspx

• 脉冲 https://www.vfe.cc/NewsDetail-1643.aspx

• 不同功率因数下相位误差对功率测量准确度的影响 https://www.vfe.cc/NewsDetail-285.aspx

• 浅谈变频电机试验的功率测量 https://www.vfe.cc/NewsDetail-305.aspx

• 功率分析仪有效带宽 https://www.vfe.cc/NewsDetail-639.aspx