強(qiáng)脈沖儲能電源的進(jìn)展綜述

楊懷智

摘 要：脈沖電源作為一種重要的供能方式，在國防科技、軌道交通等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，與國家經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)密切相關(guān)，使得脈沖電源技術(shù)一直以來都被作為技術(shù)科研領(lǐng)域關(guān)注的重點。本文以強(qiáng)脈沖儲能電源為研究對象，總結(jié)近年來強(qiáng)脈沖儲能電源的研究進(jìn)展，重點關(guān)注強(qiáng)脈沖儲能電源的理論基礎(chǔ)、技術(shù)原理、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及具體應(yīng)用情況，并對強(qiáng)脈沖儲能電源的未來發(fā)展做前瞻分析，為相關(guān)研究的開展提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)脈沖儲能電源;脈沖電源技術(shù);儲能電源

中圖分類號：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0249-02

0 引言

受控核熱反應(yīng)、強(qiáng)磁場、高超音速風(fēng)洞等領(lǐng)域技術(shù)研究的深入使得強(qiáng)脈沖儲能電源得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)張。強(qiáng)脈沖儲能電源的儲能模式為間歇性進(jìn)行，過程中易受到外部因素的干擾，影響電源輸出穩(wěn)定性。近年來，不少有關(guān)強(qiáng)脈沖儲能電源的研究都集中在電源控制方法優(yōu)化及儲能容量升級上，將先進(jìn)信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入到強(qiáng)脈沖儲能電源體系當(dāng)中，使電源供能水平得到顯著提升。

1 強(qiáng)脈沖儲能電源理論基礎(chǔ)

1.1 電源分類

脈沖電源可視為脈沖強(qiáng)磁場技術(shù)發(fā)展的附加產(chǎn)物，其提供產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場所必須的大電流。常見脈沖電源由脈沖發(fā)電機(jī)、電容器、蓄電池、電網(wǎng)等。其中，脈沖發(fā)電機(jī)的儲能水平在百兆焦耳，其與整流系統(tǒng)相配合，共同完成供電活動，控制整流系統(tǒng)觸發(fā)角即可對磁場波形進(jìn)行調(diào)整。但整流過程也會產(chǎn)生電流波紋，因此脈沖發(fā)電機(jī)一般不被用于實驗研究過程，運(yùn)維費(fèi)用高、操作難度大也是導(dǎo)致該現(xiàn)象的重要原因。世界上最大的脈沖發(fā)電機(jī)在美國，其最大輸出功率在1430MVA，能量級在650MJ。我國武漢國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心擁有的脈沖發(fā)電機(jī)最大輸出功率在100MVA，能量級在100MJ[1]。該脈沖發(fā)電機(jī)可為J-TEXT裝置和脈沖強(qiáng)磁場裝置提供電能。當(dāng)其被作為脈沖強(qiáng)磁場裝置的電能來源時，其空載電壓在3kV，滿載電流在50kA。

電容器能夠輸出大幅值的瞬時電流，一般被用于激發(fā)超高短脈沖磁場，其產(chǎn)生的電流不存在波紋，對實驗研究的干擾量非常有限，因此被大多數(shù)磁化測量試驗所選用。電容器還同時具備運(yùn)維方便、操作簡單等優(yōu)勢，可滿足小型脈沖強(qiáng)磁場實驗室的使用要求。發(fā)展初期，電容器電壓多在3～4kV，儲能水平不超過500kJ。對磁場需求的提升使得電容器電壓及儲能水平快速發(fā)展，現(xiàn)有電容器的電壓幅值多在20kV以上，能量級別達(dá)到MJ。世界上最大的電容器電源來自德國，其電壓峰值達(dá)到24kV，能量級為50MJ。我國武漢國家脈沖強(qiáng)磁場科學(xué)中心的電容器能量級在14.8MJ，距離國際領(lǐng)先水平還存在較大差距。

蓄電池同時具備脈沖發(fā)電機(jī)及電容器的優(yōu)點，進(jìn)行單次充電后可反復(fù)放電，使用便捷性較高。單個蓄電池輸出電流和電壓的幅值均較小，為滿足脈沖強(qiáng)磁場要求，一般會將多個蓄電池并聯(lián)。在設(shè)計蓄電池電源時，需著重關(guān)注電流關(guān)斷開關(guān)的設(shè)計，單個磁場脈沖很難消耗電源全部能量，若無法及時關(guān)斷脈沖磁體電流，會引導(dǎo)電流一次性過磁導(dǎo)致磁體受損的問題。蓄電池方面，世界最大的蓄電池在我國，該蓄電池電源中串并聯(lián)975個12V的蓄電池，最大儲能在8GJ，輸出電壓在77V，電流在35kA。

電網(wǎng)電源直接對電網(wǎng)電壓做整流處理，依照特定參數(shù)輸出后對磁體供電。因此不存在儲能環(huán)節(jié)，電網(wǎng)輸出功率與磁體需求功率相等。因電網(wǎng)容量有限，很難承受巨大的負(fù)載沖擊，因此其適用的脈沖強(qiáng)磁場多在20MW以下，現(xiàn)階段該類型脈沖電源已被徹底淘汰。

電感儲能電源也是常見的強(qiáng)脈沖儲能電源類型，該電源以電感為儲能元件，利用較長的時間，在低功率狀態(tài)下將電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲在電感內(nèi)，然后瞬時釋放至脈沖磁體，形成大電流和強(qiáng)磁場，同時發(fā)揮功率放大功能。電感儲能電池的優(yōu)點為造價低廉、維護(hù)便捷，但其儲能效率偏低?，F(xiàn)階段全球唯一的脈沖強(qiáng)磁場電感儲能電源在法國，其主體材料為鋁板，內(nèi)外直徑分別為1.14m和2.16m，高1.05m，自重10t。該電感儲能電源在儲能過程中，僅3s即可將電流幅值提升至120kA，儲蓄電能72MJ。

1.2 技術(shù)原理

脈沖電源技術(shù)的發(fā)展以脈沖功率技術(shù)為基礎(chǔ)，被研發(fā)于20世紀(jì)30年代，當(dāng)時因核聚變研究需求，而逐漸搭建起脈沖功率技術(shù)體系，目前該技術(shù)已經(jīng)在國防、工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代末，核物理技術(shù)、等離子技術(shù)、微波射頻技術(shù)的發(fā)展又帶動了脈沖功率技術(shù)的快速發(fā)展。脈沖功率技術(shù)的應(yīng)用需要將巨大能量暫存于存儲單元中，然后通過開關(guān)控制完成能量的瞬時釋放，輸出極高的瞬時功率。在以上反應(yīng)系統(tǒng)中，高壓電源為主要的功能單元，若功率較小，可直接引入市電，經(jīng)調(diào)壓整流處理后使用，若功率較大，則需要借助專門的轉(zhuǎn)換電路。

儲能單元存儲來自高壓電源的電能，其儲能模式與自身性能及高壓電源的特點有關(guān)，如前文所述的不同類型的脈沖電源。脈沖功率系統(tǒng)中，脈沖形成回路處于核心位置，其借助高速開關(guān)，將儲能單元內(nèi)的電能轉(zhuǎn)化為脈沖電流傳輸至負(fù)載上，以滿足不同的輸出需求。其中負(fù)載則作為能量的消耗主體，包括阻性、感性等多種類型。除負(fù)載意外的系統(tǒng)模塊即可被視為脈沖電源，目前其已成為最具研究價值的熱門學(xué)科之一，負(fù)載類型不同，脈沖電源技術(shù)又與不同學(xué)科相結(jié)合，如脈沖形成過程設(shè)計、高速開關(guān)優(yōu)化、能量存儲等均為熱點研究問題。

以脈沖發(fā)電機(jī)為例，對強(qiáng)脈沖儲能電源的運(yùn)行原理做簡要介紹。脈沖發(fā)電機(jī)的運(yùn)行經(jīng)歷自激勵磁和補(bǔ)償放電量兩個階段。

（1）在自激勵磁階段：脈沖發(fā)電機(jī)設(shè)計為空心結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子采用高強(qiáng)度密度的復(fù)合材料，可實現(xiàn)電機(jī)更高的轉(zhuǎn)速。同時復(fù)合材料不受磁飽和限制，因此氣隙磁場能夠達(dá)到更高的水平，但因復(fù)合材料的導(dǎo)磁率與空氣大致相同，因此在磁場構(gòu)建時存在一定困難，需使用自激勵磁的方式解決[2]。1）原動機(jī)促使發(fā)電機(jī)提升至額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子在慣性作用下持續(xù)旋轉(zhuǎn);2）關(guān)閉種子電容開關(guān)，向勵磁繞組施加千安級別的種子電流，促使激勵繞組形成氣隙磁場，在電樞繞組形成感應(yīng)電壓;3）電樞繞組的感應(yīng)電壓再借助晶閥管整流橋回到勵磁繞組，提高勵磁電壓及勵磁電流，直到電流達(dá)到額定水平;4）自激勵磁過程完畢，關(guān)閉整流橋，此時勵磁繞組借助續(xù)流二極管續(xù)流，閉合放電開關(guān)向負(fù)載放電。（2）在補(bǔ)償放電階段。脈沖發(fā)電機(jī)放電過程通過磁通補(bǔ)償可降低電樞繞組電感，進(jìn)而獲得瞬時大電流脈沖。以往在電樞繞組與勵磁繞組間設(shè)置補(bǔ)償繞組的補(bǔ)償方式，會導(dǎo)致氣隙厚度提高，并帶來更復(fù)雜的電機(jī)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段補(bǔ)償繞組已被磁通補(bǔ)償所取代，電路結(jié)構(gòu)也得到明顯簡化。脈沖發(fā)電機(jī)繞組阻抗較感抗更小，幾乎可忽略不計，電樞繞組與勵磁繞組間耦合作用越大，等效電感越小，相應(yīng)的補(bǔ)償作用也越大。反之，補(bǔ)償作用越不明顯。

2 強(qiáng)脈沖儲能電源研究現(xiàn)狀

我國有關(guān)強(qiáng)脈沖儲能電源的研究起始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時的研究主體主要為中科院，研究對象則為主、被動補(bǔ)償鐵芯電機(jī)。發(fā)展至90年代，強(qiáng)脈沖儲能電源的研究主要在華中科技大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展。對這兩所學(xué)校的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

2.1 華中科技大學(xué)的研究現(xiàn)狀

華中科技大學(xué)研究空心脈沖發(fā)電機(jī)的設(shè)計原理及方法，給出電機(jī)尺寸及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇需遵照的原則，表明導(dǎo)體短時發(fā)熱狀態(tài)下的導(dǎo)體熱容量應(yīng)與繞組橫截面積相對應(yīng)。在Saber軟件環(huán)境下搭建脈沖發(fā)電機(jī)仿真模型，觀察其自激勵磁過程，計算種子電容、整流橋晶閘管、保護(hù)電路的最優(yōu)參數(shù)。對于自激勵磁存在的效率低下問題，提出可通過電充脈沖勵磁進(jìn)行彌補(bǔ)。基于以上研究成果，華中科技大學(xué)研發(fā)出我國首臺百兆瓦級別的空心脈沖發(fā)電機(jī)，該電機(jī)長1.1m，直徑0.49m，最大轉(zhuǎn)速為8000r/min，釋放脈沖電流的峰值可達(dá)到71kA[3]。

2.2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究現(xiàn)狀

哈爾濱工業(yè)大學(xué)對強(qiáng)脈沖儲能電源的研究成果主要集中在脈沖發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理、溫度上及仿真模型建立上。2010年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計出定子雙電樞繞組空心被動補(bǔ)償沖發(fā)電機(jī)，定子存在兩套電樞繞組，分別負(fù)責(zé)自激勵磁和負(fù)載放電。該空心電機(jī)主體材料導(dǎo)熱性能較差，整個機(jī)組自身的散熱性無法達(dá)到運(yùn)行要求，因此額外進(jìn)行脈沖發(fā)電機(jī)的升溫及冷卻計算。研究小組構(gòu)建電機(jī)三維電磁場仿真模型及溫度場仿真模型，分別計算電樞繞組損耗及放電間歇模型與溫度間的影響關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)放電間歇達(dá)到120s時，電機(jī)不依靠外部冷卻模塊可自然恢復(fù)正常溫度;當(dāng)放電間歇達(dá)到30s時，則需要添加冷卻結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)連續(xù)發(fā)射?？偨Y(jié)來說，國內(nèi)針對強(qiáng)脈沖儲能電源的研究起步較晚，在電源設(shè)計、匹配、控制等方面的研究文獻(xiàn)積累還非常有限。

3 強(qiáng)脈沖儲能電源具體應(yīng)用

現(xiàn)階段有關(guān)強(qiáng)脈沖儲能電源的最新研究將關(guān)注點放在強(qiáng)脈沖儲能電源的控制系統(tǒng)升級上。強(qiáng)脈沖儲能電源在運(yùn)行過程中，電能轉(zhuǎn)換擾動易導(dǎo)致電源輸出失穩(wěn)，為有效解決這一問題，提高電源運(yùn)行可控性，徐明生[4]等提出了一種以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)的強(qiáng)脈沖儲能電源控制系統(tǒng)。系統(tǒng)提取強(qiáng)脈沖儲能電源大數(shù)據(jù)比特信息流，對電源做間歇性控制，可提供大規(guī)模的傳輸信道，具備明顯的隨機(jī)性特征。以往對強(qiáng)脈沖間歇電源的控制主要通過波特間隔均衡法、譜分析法等進(jìn)行，此類控制方式的大數(shù)據(jù)傳輸需要依靠動態(tài)分配儲能地址及傳輸功率分布特征信息，影響到大數(shù)據(jù)信道的均衡性及輸出穩(wěn)定。而間歇控制系統(tǒng)可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制方法的不足，徐明生等利用定量分析法，整合解釋變量模型和控制變量模型，得到模糊子空間調(diào)度模型，最終設(shè)計出數(shù)據(jù)分析模型。通過統(tǒng)計平均互信息分析，完成數(shù)據(jù)的融合和分類，然后再通過大數(shù)據(jù)分析，得到系統(tǒng)的最佳硬件配置方案，并進(jìn)行實驗仿真。仿真發(fā)現(xiàn)，使用大數(shù)據(jù)間歇控制系統(tǒng)對強(qiáng)脈沖儲能電源進(jìn)行控制，穩(wěn)態(tài)性更高，儲能特征聚類表現(xiàn)優(yōu)良。另外仿真實驗還對比了不同方法下電源控制的吞吐負(fù)載，發(fā)現(xiàn)該控制系統(tǒng)的控制吞吐能力較高，可明顯提高升電源負(fù)載水平。隨著強(qiáng)脈沖儲能電源應(yīng)用范圍的擴(kuò)張，對電源控制系統(tǒng)的技術(shù)水平也將提出更高要求。基于大數(shù)據(jù)的間歇式控制系統(tǒng)給儲能電源控制系統(tǒng)優(yōu)化提供了新的方向，有望成為未來一段時間儲能電源的研究重點。

4 結(jié)語

隨著相關(guān)科學(xué)實驗的研究深入，對強(qiáng)脈沖儲能電源的能量級別、功率計電壓等級將提出更高要求，建議相關(guān)人員加緊對強(qiáng)脈沖儲能電源的研究，開發(fā)性能更優(yōu)的儲能電源類型及控制系統(tǒng)，輔助有關(guān)科研工作的順利開展。

參考文獻(xiàn)

[1] 付國強(qiáng).智能化儲能式可移動應(yīng)急電源系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].北京：華北電力大學(xué)，2015.

[2] 李家強(qiáng)，黃懿赟，潘圣民，等.多級磁阱裝置脈沖電源系統(tǒng)研制[J].強(qiáng)激光與粒子束，2019（6）：90-94.

[3] 孫太強(qiáng).脈沖強(qiáng)磁場系統(tǒng)中24脈波整流器電源運(yùn)行方式設(shè)計與優(yōu)化[D].武漢：華中科技大學(xué)，2018.

[4] 姜東東，崔敏，張海寧，等.基于智能控制的可調(diào)間歇性振蕩電源控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究[J].通信電源技術(shù)，2018（6）：55-57.