2.4脉冲功率储能技术-惯性

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θ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。10-610-31103106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类型能量密度kJ/kg功率密度kW/kg典型脉宽s典型电压V短路电流kA储能时间s体比能密度MJ/m3直流发电机0.320.311800110020单极发电机8.5700.1-0.51002000415150同步发电机1.30.77169006300030补偿交流发电机3.825010-4-10-3600071254100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*IMr2=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ω(边缘线速度Ｖp)有关。通常所说的ＨＰＧ储能，是指ＨＰＧ转子惯性储存的动能，由于ＨＰＧ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ＨＰＧ的输出电压较低，一般在几十伏到几百伏之间。由于ＨＰＧ的内阻较低（10uΏ），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。ＨＰＧ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，ＨＰＧ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，ＨＰＧ与电感负载配合将不方便。Cef=2Ek/U2Ek是储存在转子中的动能Cef=2Ek/U2=4π2J/Φ2=2πρh/B2ρ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（ρ,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，ρ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Ｂ的增大受磁轭的磁饱和限制，过分加大Ｂ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ＨＰＧ本身给它的场线圈供电的自激式ＨＰＧ，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ＨＰＧ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ＨＰＧ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ＨＰＧ，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：ikUiRdtdiLr能量守恒方程：021)(21022202RdtiLiJt可推导出：2kidtdJALJi202)(LJIcm)(0002ln)1/(/IIRLtmcm脉冲功率用同步发电机带整流负载运行励磁方式Ｊ-ＴＥＸＴ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=LA＋LB-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)cos(1tLLL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(PCPA)•选择被动补偿脉冲发电机（SPCPA）•主动补偿脉冲发电机（ACPA）被动补偿脉冲发电机电感L=constant选择被动补偿脉冲发电机（在固定位置补偿绕组短路）电感)22cos(1tLLL主动补偿脉冲发电机电感)cos(1tLLL