強脈沖儲能電源的進展綜述

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、軌道交通等領域得到廣泛應用，與國家經濟社會建設密切相關，使得脈沖電源技術一直以來都被作為技術科研領域關注的重點。本文以強脈沖儲能電源為研究對象，總結近年來強脈沖儲能電源的研究進展，重點關注強脈沖儲能電源的理論基礎、技術原理、國內外研究現狀及具體應用情況，并對強脈沖儲能電源的未來發展做前瞻分析，為相關研究的開展提供理論依據。

關鍵詞：強脈沖儲能電源;脈沖電源技術;儲能電源

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

0 引言

受控核熱反應、強磁場、高超音速風洞等領域技術研究的深入使得強脈沖儲能電源得到迅速發展，其應用范圍也逐漸擴張。強脈沖儲能電源的儲能模式為間歇性進行，過程中易受到外部因素的干擾，影響電源輸出穩定性。近年來，不少有關強脈沖儲能電源的研究都集中在電源控制方法優化及儲能容量升級上，將先進信息技術、網絡技術融入到強脈沖儲能電源體系當中，使電源供能水平得到顯著提升。

1 強脈沖儲能電源理論基礎

1.1 電源分類

脈沖電源可視為脈沖強磁場技術發展的附加產物，其提供產生脈沖強磁場所必須的大電流。常見脈沖電源由脈沖發電機、電容器、蓄電池、電網等。其中，脈沖發電機的儲能水平在百兆焦耳，其與整流系統相配合，共同完成供電活動，控制整流系統觸發角即可對磁場波形進行調整。但整流過程也會產生電流波紋，因此脈沖發電機一般不被用于實驗研究過程，運維費用高、操作難度大也是導致該現象的重要原因。世界上最大的脈沖發電機在美國，其最大輸出功率在1430MVA，能量級在650MJ。我國武漢國家脈沖強磁場科學中心擁有的脈沖發電機最大輸出功率在100MVA，能量級在100MJ[1]。該脈沖發電機可為J-TEXT裝置和脈沖強磁場裝置提供電能。當其被作為脈沖強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，一般被用于激發超高短脈沖磁場，其產生的電流不存在波紋，對實驗研究的干擾量非常有限，因此被大多數磁化測量試驗所選用。電容器還同時具備運維方便、操作簡單等優勢，可滿足小型脈沖強磁場實驗室的使用要求。發展初期，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展，現有電容器的電壓幅值多在20kV以上，能量級別達到MJ。世界上最大的電容器電源來自德國，其電壓峰值達到24kV，能量級為50MJ。我國武漢國家脈沖強磁場科學中心的電容器能量級在14.8MJ，距離國際領先水平還存在較大差距。

蓄電池同時具備脈沖發電機及電容器的優點，進行單次充電后可反復放電，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，為滿足脈沖強磁場要求，一般會將多個蓄電池并聯。在設計蓄電池電源時，需著重關注電流關斷開關的設計，單個磁場脈沖很難消耗電源全部能量，若無法及時關斷脈沖磁體電流，會引導電流一次性過磁導致磁體受損的問題。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。

電網電源直接對電網電壓做整流處理，依照特定參數輸出后對磁體供電。因此不存在儲能環節，電網輸出功率與磁體需求功率相等。因電網容量有限，很難承受巨大的負載沖擊，因此其適用的脈沖強磁場多在20MW以下，現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，在低功率狀態下將電能轉化為磁能存儲在電感內，然后瞬時釋放至脈沖磁體，形成大電流和強磁場，同時發揮功率放大功能。電感儲能電池的優點為造價低廉、維護便捷，但其儲能效率偏低。現階段全球唯一的脈沖強磁場電感儲能電源在法國，其主體材料為鋁板，內外直徑分別為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 技術原理

脈沖電源技術的發展以脈沖功率技術為基礎，被研發于20世紀30年代，當時因核聚變研究需求，而逐漸搭建起脈沖功率技術體系，目前該技術已經在國防、工業等領域得到廣泛應用。20世紀70年代末，核物理技術、等離子技術、微波射頻技術的發展又帶動了脈沖功率技術的快速發展。脈沖功率技術的應用需要將巨大能量暫存于存儲單元中，然后通過開關控制完成能量的瞬時釋放，輸出極高的瞬時功率。在以上反應系統中，高壓電源為主要的功能單元，若功率較小，可直接引入市電，經調壓整流處理后使用，若功率較大，則需要借助專門的轉換電路。

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，如前文所述的不同類型的脈沖電源。脈沖功率系統中，脈沖形成回路處于核心位置，其借助高速開關，將儲能單元內的電能轉化為脈沖電流傳輸至負載上，以滿足不同的輸出需求。其中負載則作為能量的消耗主體，包括阻性、感性等多種類型。除負載意外的系統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科之一，負載類型不同，脈沖電源技術又與不同學科相結合，如脈沖形成過程設計、高速開關優化、能量存儲等均為熱點研究問題。

以脈沖發電機為例，對強脈沖儲能電源的運行原理做簡要介紹。脈沖發電機的運行經歷自激勵磁和補償放電量兩個階段。

（1）在自激勵磁階段：脈沖發電機設計為空心結構，其轉子采用高強度密度的復合材料，可實現電機更高的轉速。同時復合材料不受磁飽和限制，因此氣隙磁場能夠達到更高的水平，但因復合材料的導磁率與空氣大致相同，因此在磁場構建時存在一定困難，需使用自激勵磁的方式解決[2]。1）原動機促使發電機提升至額定轉速，轉子在慣性作用下持續旋轉;2）關閉種子電容開關，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電壓;3）電樞繞組的感應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，直到電流達到額定水平;4）自激勵磁過程完畢，關閉整流橋，此時勵磁繞組借助續流二極管續流，閉合放電開關向負載放電。（2）在補償放電階段。脈沖發電機放電過程通過磁通補償可降低電樞繞組電感，進而獲得瞬時大電流脈沖。以往在電樞繞組與勵磁繞組間設置補償繞組的補償方式，會導致氣隙厚度提高，并帶來更復雜的電機結構。現階段補償繞組已被磁通補償所取代，電路結構也得到明顯簡化。脈沖發電機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，相應的補償作用也越大。反之，補償作用越不明顯。

2 強脈沖儲能電源研究現狀

我國有關強脈沖儲能電源的研究起始于20世紀80年代，當時的研究主體主要為中科院，研究對象則為主、被動補償鐵芯電機。發展至90年代，強脈沖儲能電源的研究主要在華中科技大學和哈爾濱工業大學開展。對這兩所學校的研究現狀進行總結。

2.1 華中科技大學的研究現狀

華中科技大學研究空心脈沖發電機的設計原理及方法，給出電機尺寸及拓撲結構選擇需遵照的原則，表明導體短時發熱狀態下的導體熱容量應與繞組橫截面積相對應。在Saber軟件環境下搭建脈沖發電機仿真模型，觀察其自激勵磁過程，計算種子電容、整流橋晶閘管、保護電路的最優參數。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行彌補。基于以上研究成果，華中科技大學研發出我國首臺百兆瓦級別的空心脈沖發電機，該電機長1.1m，直徑0.49m，最大轉速為8000r/min，釋放脈沖電流的峰值可達到71kA[3]。

2.2 哈爾濱工業大學的研究現狀

哈爾濱工業大學對強脈沖儲能電源的研究成果主要集中在脈沖發電機的運行機理、溫度上及仿真模型建立上。2010年，哈爾濱工業大學設計出定子雙電樞繞組空心被動補償沖發電機，定子存在兩套電樞繞組，分別負責自激勵磁和負載放電。該空心電機主體材料導熱性能較差，整個機組自身的散熱性無法達到運行要求，因此額外進行脈沖發電機的升溫及冷卻計算。研究小組構建電機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系，發現當放電間歇達到120s時，電機不依靠外部冷卻模塊可自然恢復正常溫度;當放電間歇達到30s時，則需要添加冷卻結構，以實現連續發射。總結來說，國內針對強脈沖儲能電源的研究起步較晚，在電源設計、匹配、控制等方面的研究文獻積累還非常有限。

3 強脈沖儲能電源具體應用

現階段有關強脈沖儲能電源的最新研究將關注點放在強脈沖儲能電源的控制系統升級上。強脈沖儲能電源在運行過程中，電能轉換擾動易導致電源輸出失穩，為有效解決這一問題，提高電源運行可控性，徐明生[4]等提出了一種以大數據技術為基礎的強脈沖儲能電源控制系統。系統提取強脈沖儲能電源大數據比特信息流，對電源做間歇性控制，可提供大規模的傳輸信道，具備明顯的隨機性特征。以往對強脈沖間歇電源的控制主要通過波特間隔均衡法、譜分析法等進行，此類控制方式的大數據傳輸需要依靠動態分配儲能地址及傳輸功率分布特征信息，影響到大數據信道的均衡性及輸出穩定。而間歇控制系統可有效彌補傳統控制方法的不足，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，得到模糊子空間調度模型，最終設計出數據分析模型。通過統計平均互信息分析，完成數據的融合和分類，然后再通過大數據分析，得到系統的最佳硬件配置方案，并進行實驗仿真。仿真發現，使用大數據間歇控制系統對強脈沖儲能電源進行控制，穩態性更高，儲能特征聚類表現優良。另外仿真實驗還對比了不同方法下電源控制的吞吐負載，發現該控制系統的控制吞吐能力較高，可明顯提高升電源負載水平。隨著強脈沖儲能電源應用范圍的擴張，對電源控制系統的技術水平也將提出更高要求。基于大數據的間歇式控制系統給儲能電源控制系統優化提供了新的方向，有望成為未來一段時間儲能電源的研究重點。

4 結語

隨著相關科學實驗的研究深入，對強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，建議相關人員加緊對強脈沖儲能電源的研究，開發性能更優的儲能電源類型及控制系統，輔助有關科研工作的順利開展。

參考文獻

[1] 付國強.智能化儲能式可移動應急電源系統的研究與設計[D].北京：華北電力大學，2015.

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

[3] 孫太強.脈沖強磁場系統中24脈波整流器電源運行方式設計與優化[D].武漢：華中科技大學，2018.

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