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脉冲功率技术中的储能方式
摘要
主要分析脉冲功率技术中电容储能、电感储能、化学储能、机械储能，这四种主要储能方式的机理及特点,并进行各自的优缺点比较，找出每种储能方式的限制条件
关键词：脉冲功率技术；电容储能；电感储能；化学储能；机械储能

概述
随着科技不断的发展，脉冲功率技术的应用领域越来越广阔。但脉冲功率技术却一直受到储能技术的制约。因为不可能从电网直接获得一定波形要求的大功率，一般都是要借助能量储能系统先把能量在较长时间里（相对放电来说）储存起来，然后瞬间释放出来，以获得脉冲强电流和大功率。因此如何经济、可靠、有效地存储能量已成为脉冲功率技术领域的重要课题。储存能量的方式有很多种，在脉冲功率技术中常用的是电容储能、电感储能、化学储能和机械储能。
下面主要介绍在脉冲功率技术中，这四种储能方式的原理和特性。
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107J以上的装置上使用不够经济【1】。模块化电容储能脉冲功率源系统主要由三个部分组成【4】：
电容充电装置;
脉冲成形网络模块;
测控系统。
其工作原理可以用下面的原理图来说明【2，3,5】，
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D.与DZ、主开关RZ、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D，反偏截止;当电流上升到最大值时，二极管D!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、D: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

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【6,8,9】。
电感储能可有如下原理图说明：

一般的电感储能脉冲电源，山储能电感器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1014—1015W【6,7,11,12,13】。其中初级电源P常为Ｍａｒｘ发生器、蓄电池等。
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５.２５×１０３Ｊ／ｃｍ３）【９,１９】。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【１，９】。
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）【１，９】。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。

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【１，９，１７】。
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【１４,１６】。
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