强脉冲储能电源的进展综述

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　　摘 要：脉冲电源作为一种重要的供能方式，在国防科技、轨道交通等领域得到广泛应用，与国家经济社会建设密切相关，使得脉冲电源技术一直以来都被作为技术科研领域关注的重点。本文以强脉冲储能电源为研究对象，总结近年来强脉冲储能电源的研究进展，重点关注强脉冲储能电源的理论基础、技术原理、国内外研究现状及具体应用情况，并对强脉冲储能电源的未来发展做前瞻分析，为相关研究的开展提供理论依据。
　　关键词：强脉冲储能电源;脉冲电源技术;储能电源
　　中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）08-0249-02
　　0 引言
　　受控核热反应、强磁场、高超音速风洞等领域技术研究的深入使得强脉冲储能电源得到迅速发展，其应用范围也逐渐扩张。强脉冲储能电源的储能模式为间歇性进行，过程中易受到外部因素的干扰，影响电源输出稳定性。近年来，不少有关强脉冲储能电源的研究都集中在电源控制方法优化及储能容量升级上，将先进信息技术、网络技术融入到强脉冲储能电源体系当中，使电源供能水平得到显著提升。
　　1 强脉冲储能电源理论基础
　　1.1 电源分类
　　脉冲电源可视为脉冲强磁场技术发展的附加产物，其提供产生脉冲强磁场所必须的大电流。常见脉冲电源由脉冲发电机、电容器、蓄电池、电网等。其中，脉冲发电机的储能水平在百兆焦耳，其与整流系统相配合，共同完成供电活动，控制整流系统触发角即可对磁场波形进行调整。但整流过程也会产生电流波纹，因此脉冲发电机一般不被用于实验研究过程，运维费用高、操作难度大也是导致该现象的重要原因。世界上最大的脉冲发电机在美国，其最大输出功率在1430MVA，能量级在650MJ。我国武汉国家脉冲强磁场科学中心拥有的脉冲发电机最大输出功率在100MVA，能量级在100MJ[1]。该脉冲发电机可为J-TEXT装置和脉冲强磁场装置提供电能。当其被作为脉冲强磁场装置的电能来源时，其空载电压在3kV，满载电流在50kA。
　　电容器能够输出大幅值的瞬时电流，一般被用于激发超高短脉冲磁场，其产生的电流不存在波纹，对实验研究的干扰量非常有限，因此被大多数磁化测量试验所选用。电容器还同时具备运维方便、操作简单等优势，可满足小型脉冲强磁场实验室的使用要求。发展初期，电容器电压多在3～4kV，储能水平不超过500kJ。对磁场需求的提升使得电容器电压及储能水平快速发展，现有电容器的电压幅值多在20kV以上，能量级别达到MJ。世界上最大的电容器电源来自德国，其电压峰值达到24kV，能量级为50MJ。我国武汉国家脉冲强磁场科学中心的电容器能量级在14.8MJ，距离国际领先水平还存在较大差距。
　　蓄电池同时具备脉冲发电机及电容器的优点，进行单次充电后可反复放电，使用便捷性较高。单个蓄电池输出电流和电压的幅值均较小，为满足脉冲强磁场要求，一般会将多个蓄电池并联。在设计蓄电池电源时，需着重关注电流关断开关的设计，单个磁场脉冲很难消耗电源全部能量，若无法及时关断脉冲磁体电流，会引导电流一次性过磁导致磁体受损的问题。蓄电池方面，世界最大的蓄电池在我国，该蓄电池电源中串并联975个12V的蓄电池，最大储能在8GJ，输出电压在77V，电流在35kA。
　　电网电源直接对电网电压做整流处理，依照特定参数输出后对磁体供电。因此不存在储能环节，电网输出功率与磁体需求功率相等。因电网容量有限，很难承受巨大的负载冲击，因此其适用的脉冲强磁场多在20MW以下，现阶段该类型脉冲电源已被彻底淘汰。
　　电感储能电源也是常见的强脉冲储能电源类型，该电源以电感为储能元件，利用较长的时间，在低功率状态下将电能转化为磁能存储在电感内，然后瞬时释放至脉冲磁体，形成大电流和强磁场，同时发挥功率放大功能。电感储能电池的优点为造价低廉、维护便捷，但其储能效率偏低。现阶段全球唯一的脉冲强磁场电感储能电源在法国，其主体材料为铝板，内外直径分别为1.14m和2.16m，高1.05m，自重10t。该电感储能电源在储能过程中，仅3s即可将电流幅值提升至120kA，储蓄电能72MJ。
　　1.2 技术原理
　　脉冲电源技术的发展以脉冲功率技术为基础，被研发于20世纪30年代，当时因核聚变研究需求，而逐渐搭建起脉冲功率技术体系，目前该技术已经在国防、工业等领域得到广泛应用。20世纪70年代末，核物理技术、等离子技术、微波射频技术的发展又带动了脉冲功率技术的快速发展。脉冲功率技术的应用需要将巨大能量暂存于存储单元中，然后通过开关控制完成能量的瞬时释放，输出极高的瞬时功率。在以上反应系统中，高压电源为主要的功能单元，若功率较小，可直接引入市电，经调压整流处理后使用，若功率较大，则需要借助专门的转换电路。
　　储能单元存储来自高压电源的电能，其储能模式与自身性能及高压电源的特点有关，如前文所述的不同类型的脉冲电源。脉冲功率系统中，脉冲形成回路处于核心位置，其借助高速开关，将储能单元内的电能转化为脉冲电流传输至负载上，以满足不同的输出需求。其中负载则作为能量的消耗主体，包括阻性、感性等多种类型。除负载意外的系统模块即可被视为脉冲电源，目前其已成为最具研究价值的热门学科之一，负载类型不同，脉冲电源技术又与不同学科相结合，如脉冲形成过程设计、高速开关优化、能量存储等均为热点研究问题。
　　以脉冲发电机为例，对强脉冲储能电源的运行原理做简要介绍。脉冲发电机的运行经历自激励磁和补偿放电量两个阶段。
　　（1）在自激励磁阶段：脉冲发电机设计为空心结构，其转子采用高强度密度的复合材料，可实现电机更高的转速。同时复合材料不受磁饱和限制，因此气隙磁场能够达到更高的水平，但因复合材料的导磁率与空气大致相同，因此在磁场构建时存在一定困难，需使用自激励磁的方式解决[2]。1）原动机促使发电机提升至额定转速，转子在惯性作用下持续旋转;2）关闭种子电容开关，向励磁绕组施加千安级别的种子电流，促使激励绕组形成气隙磁场，在电枢绕组形成感应电压;3）电枢绕组的感应电压再借助晶阀管整流桥回到励磁绕组，提高励磁电压及励磁电流，直到电流达到额定水平;4）自激励磁过程完毕，关闭整流桥，此时励磁绕组借助续流二极管续流，闭合放电开关向负载放电。（2）在補偿放电阶段。脉冲发电机放电过程通过磁通补偿可降低电枢绕组电感，进而获得瞬时大电流脉冲。以往在电枢绕组与励磁绕组间设置补偿绕组的补偿方式，会导致气隙厚度提高，并带来更复杂的电机结构。现阶段补偿绕组已被磁通补偿所取代，电路结构也得到明显简化。脉冲发电机绕组阻抗较感抗更小，几乎可忽略不计，电枢绕组与励磁绕组间耦合作用越大，等效电感越小，相应的补偿作用也越大。反之，补偿作用越不明显。 　　2 强脉冲储能电源研究现状
　　我国有关强脉冲储能电源的研究起始于20世纪80年代，当时的研究主体主要为中科院，研究对象则为主、被动补偿铁芯电机。发展至90年代，强脉冲储能电源的研究主要在华中科技大学和哈尔滨工业大学开展。对这两所学校的研究现状进行总结。
　　2.1 华中科技大学的研究现状
　　华中科技大学研究空心脉冲发电机的设计原理及方法，给出电机尺寸及拓扑结构选择需遵照的原则，表明导体短时发热状态下的导体热容量应与绕组横截面积相对应。在Saber软件环境下搭建脉冲发电机仿真模型，观察其自激励磁过程，计算种子电容、整流桥晶闸管、保护电路的最优参数。对于自激励磁存在的效率低下问题，提出可通过电充脉冲励磁进行弥补。基于以上研究成果，华中科技大学研发出我国首台百兆瓦级别的空心脉冲发电机，该电机长1.1m，直径0.49m，最大转速为8000r/min，释放脉冲电流的峰值可达到71kA[3]。
　　2.2 哈尔滨工业大学的研究现状
　　哈尔滨工业大学对强脉冲储能电源的研究成果主要集中在脉冲发电机的运行机理、温度上及仿真模型建立上。2010年，哈尔滨工业大学设计出定子双电枢绕组空心被动补偿冲发电机，定子存在两套电枢绕组，分别负责自激励磁和负载放电。该空心电机主体材料导热性能较差，整个机组自身的散热性无法达到运行要求，因此额外进行脉冲发电机的升温及冷却计算。研究小组构建电机三维电磁场仿真模型及温度场仿真模型，分别计算电枢绕组损耗及放电间歇模型与温度间的影响关系，发现当放电间歇达到120s时，电机不依靠外部冷却模块可自然恢复正常温度;当放电间歇达到30s时，则需要添加冷却结构，以实现连续发射。总结来说，国内针对强脉冲储能电源的研究起步较晚，在电源设计、匹配、控制等方面的研究文献积累还非常有限。
　　3 强脉冲储能电源具体应用
　　现阶段有关强脉冲储能电源的最新研究将关注点放在强脉冲储能电源的控制系统升级上。强脉冲储能电源在运行过程中，电能转换扰动易导致电源输出失稳，为有效解决这一问题，提高电源运行可控性，徐明生[4]等提出了一种以大数据技术为基础的强脉冲储能电源控制系统。系统提取强脉冲储能电源大数据比特信息流，对电源做间歇性控制，可提供大规模的传输信道，具备明显的随机性特征。以往对强脉冲间歇电源的控制主要通过波特间隔均衡法、谱分析法等进行，此类控制方式的大数据传输需要依靠动态分配储能地址及传输功率分布特征信息，影响到大数据信道的均衡性及输出稳定。而间歇控制系统可有效弥补传统控制方法的不足，徐明生等利用定量分析法，整合解释变量模型和控制变量模型，得到模糊子空间调度模型，最终设计出数据分析模型。通过统计平均互信息分析，完成数据的融合和分类，然后再通过大数据分析，得到系统的最佳硬件配置方案，并进行实验仿真。仿真发现，使用大数据间歇控制系统对强脉冲储能电源进行控制，稳态性更高，储能特征聚类表现优良。另外仿真实验还对比了不同方法下电源控制的吞吐负载，发现该控制系统的控制吞吐能力较高，可明显提高升电源负载水平。随着强脉冲储能电源应用范围的扩张，对电源控制系统的技术水平也将提出更高要求。基于大数据的间歇式控制系统给储能电源控制系统优化提供了新的方向，有望成为未来一段时间储能电源的研究重点。
　　4 结语
　　随着相关科学实验的研究深入，对强脉冲储能电源的能量级别、功率计电压等级将提出更高要求，建议相关人员加紧对强脉冲储能电源的研究，开发性能更优的储能电源类型及控制系统，辅助有关科研工作的顺利开展。
　　参考文献
　　[1] 付国强.智能化储能式可移动应急电源系统的研究与设计[D].北京：华北电力大学，2015.
　　[2] 李家强，黄懿赟，潘圣民，等.多级磁阱装置脉冲电源系统研制[J].强激光与粒子束，2019（6）：90-94.
　　[3] 孙太强.脉冲强磁场系統中24脉波整流器电源运行方式设计与优化[D].武汉：华中科技大学，2018.
　　[4] 姜东东，崔敏，张海宁，等.基于智能控制的可调间歇性振荡电源控制系统设计及仿真研究[J].通信电源技术，2018（6）：55-57.
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