2.5脉冲功率储能技术-化学
脉冲功率技术
目录目录 0摘要 (1)一、脉冲功率技术的发展历史及现状 (2)二、脉冲功率技术的储能技术 (4)2.1惯性储能 (4)2.1.1直流发电机 (5)2.1.2单极脉冲发电机（HPG） (5)2.1.3同步发电机 (6)2.1.4主动补偿脉冲发电机 (7)2.2电容储能 (8)2.2.1电容器组放电 (8)2.2.2电容器组放电技术要点 (8)2.3电感储能 (9)2.3.1电感与电容器储能密度比较 (9)2.3.2电感储能的缺点 (10)三、串联谐振CCPS恒流充电 (11)3.1串联谐振CCPS概述 (11)3.2串联谐振CCPS工作原理 (11)3.3串联谐振CCPS恒流充电的MATLAB仿真 (14)总结 (16)参考文献 (17)脉冲功率技术摘要所谓脉冲功率技术是指将很大的能量（通常为几百千焦耳至几十兆焦耳）储存在储能元件中通常为电容器、电感器等, 然后通过快速开关（动作时间在毫微秒左右）将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上, 以得到极高的功率（兆瓦左右）。
脉冲功率技术研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量, 并将大能量和大功率有效地传输到负载上。
不断提高的能量、功率、上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命的要求, 给脉冲功率技术提出了一系列的科学技术问题。
本文介绍了，给储能元件电容充电的一种恒流充电电源，分析了CCPS充电的原理以及实现问题。
关键词：脉冲功率，CCPS,恒流充电，储能技术脉冲功率技术及其应用一、脉冲功率技术的发展历史及现状脉冲功率技术（PPT,Pulsed Power Technology）正式作为一个独立的部门发展,还是近几年的事。
事实上作为脉冲功率技术基础的脉冲放电, 早就存在于大自然中。
而对脉冲放电的研究则开始于研究天然雷电特性, 以及它对输电线路、建筑物危害及其防护措施。
当时这种放电仅限于毫秒级和微秒级。
四十年代末期, 就有人开始注意到亚微秒及毫微秒级的高压强流脉冲放电形式。
脉冲功率技术
华中科技大学研究生课程考试答题本考生姓名李猛虎考生学号 M201371361 系、年级高电压与绝缘技术2013级类别硕士考试科目脉冲功率技术考试日期 2013年12月15日脉冲功率技术是指把较小功率的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中，然后通过动作时间在毫微秒左右的快速开关将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高的功率，实质上是输出功率对输入功率的放大。
脉冲功率系统中能量的储存方式有许多种，如电容储能，电感储能，脉冲电机储能以及电池储能等。
脉冲功率技术研究的技术指标为：电压1kV~10MV，电子能量0.3~15MeV（电子伏），述流大小1kA~10MA，脉冲宽度0.1~100ns，束流功率0.1~100TW，总能量：1kJ~15MJ。
脉冲功率技术的特征是：高脉冲功率，短脉冲持续时间，高电压，大电流。
脉冲功率技术，是以电气科学技术为基础，把电工新技术和高电压－大电流技术融为一体的新型学科。
脉冲功率技术在国防科研和高新技术领域有着极为重要的应用,而且现在已经越来越多地应用于工业和民用部门,它是高新技术研究的重要技术基础之一,有着极其广泛的发展和应用前景。
脉冲功率的发展历程脉冲放电现象存在于大自然。
人们最早是在20世纪30年代开始研究脉冲功率现象。
1938年，美国人Kingdon和Tanis第一次提出用高压脉冲电源放电产生微秒级脉宽的闪光X 射线；1939年，苏联人制成真空脉冲X射线管，并把闪光X 射线照相技术用于弹道学和爆轰物理学实验。
采用高压脉冲电容器并联充电、串联放电方式来获得较高电压脉冲。
第二次世界大战期间，企图将脉冲功率技术应用于军事的电磁炮和其他研究再度兴起，也促进了脉冲功率科学技术的形成和发展。
1947年，英国人A.D.Blumlien以专利的形式，把传输线波的折反射原理用于脉冲形成线，在纳秒脉冲放电方面取得了突破。
1962年，英国原子能研究中心的J.C.Martin领导的研究小组，将Marx发生器与Blumlien的专利结合起来，建造了世界上第一台强流相对论电子束加速器SOMG（3MV，50kA，30ns），脉冲功率达TW（1012W）量级，开创了高功率脉冲技术的新纪元。
储能技术的三类价值体现
储能技术的三类价值体现在过去相当长一段时间，储能在电网的应用技术主要是抽水蓄能，应用领域主要是移峰填谷、调频及辅助服务等。
近年来，随着新能源发电技术的发展，风电、太阳能光伏发电等波动性电源接入电网的规模不断扩大，以及分布式电源在配网应用规模的扩大，储能及其在电网的应用领域和应用技术都发生了很大变化。
储能技术类型不断增多，应用范围也在扩大，本文就从储能技术的类型与应用范围谈起。
储能技术即能量存储和再利用的技术，按其基本原理分类，可分为物理储能、化学储能以及一些前沿储能技术，其中物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能等，化学储能有铅炭电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池、超级电容器等，液态金属电池、铝空气电池、锌空气电池等属于比较前沿的技术。
不同的储能技术其特征和应用范围也有所区别。
单从储能技术评价指标来看，就包括功率规模、持续时间、能量密度、功率密度、循环效率、寿命、自放电率、能量成本、功率成本、技术成熟度、环境影响等。
可以说，没有一种单一储能技术可以适应所有的储能需求，应按需选择合适的储能技术或技术组合。
1、储能技术简介1.1抽水蓄能电站抽水蓄能使用两个不同水位的水库。
谷负荷时，将下位水库中的水抽入上位水库;峰负荷时，利用反向水流发电。
抽水储能电站的最大特点是储存能量大，可按任意容量建造，储存能量的释放时间可以从几小时到几天，其效率在70%——85%。
1.2压缩空气储能压缩空气储能系统主要由两部分组成：一是充气压缩循环，二是排气膨胀循环。
在夜间负荷低谷时段，电动机—发电机组作为电动机工作，驱动压缩机将空气压入空气储存库;白天负荷高峰时段，电动机—发电机组作为发电机工作，储存的压缩空气先经过回热器预热，再与燃料在燃烧室里混合燃烧后，进入膨胀系统中(如驱动燃气轮机)发电。
1.3飞轮储能系统飞轮储能利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机械能储存起来，在需要时飞轮带动发电机发电。
近年来，一些新技术和新材料的应用，使飞轮储能技术取得了突破性进展，例如：磁悬浮技术、真空技术、高性能永磁技术和高温超导技术的发展，极大地降低了机械轴承摩擦与风阻损耗;高强度纤维复合材料的应用，飞轮允许线速度大幅提高，大大增加了单位质量的动能储量;电力电子技术的飞速发展，使飞轮储存的能量交换更为灵活高效。
脉冲功率电源中的无电抗器电容储能技术
脉冲功率电源中的无电抗器电容储能技术脉冲功率电源中的无电抗器电容储能技术无电抗器电容储能技术是一种在脉冲功率电源中常用的储能方式。
在这种技术中，电容器被用来储存电能，并通过无电抗器进行管理。
下面将逐步介绍这种技术的原理和应用。
第一步，了解无电抗器电容储能技术的原理。
在脉冲功率电源中，频繁出现电流的突变和瞬态过程。
由于突变电流会产生电感器的电感反应，因此需要通过无电抗器来消除这种反应。
无电抗器是一种电路元件，其电感和电容值均为零，因而能够有效消除电感反应，提高电能的传输效率。
第二步，了解无电抗器电容储能技术的工作原理。
在脉冲功率电源中，电容器会通过电流的突变来储存电能。
当脉冲电流突变时，通过无电抗器的作用，电感反应会被有效抑制，使电容器能够更好地储存电能。
此时，无电抗器起到了平衡突变电流的作用，保证了电容器的正常工作。
第三步，了解无电抗器电容储能技术的应用。
这种储能技术广泛应用于脉冲功率电源系统中。
例如，在雷达系统中，频繁的脉冲信号需要被传输和处理。
通过使用无电抗器电容储能技术，可以有效地储存和传输这些脉冲信号，提高雷达系统的性能和稳定性。
此外，该技术还可应用于激光器、电子设备等领域，提高功率传输的效率和稳定性。
第四步，了解无电抗器电容储能技术的优势和限制。
这种技术具有响应速度快、能量传输效率高、稳定性好等优点。
同时，无电抗器电容储能技术也存在一定的限制，如对电容器的要求较高，成本较高等。
综上所述，无电抗器电容储能技术是一种在脉冲功率电源中常用的储能方式。
通过无电抗器的作用，可以消除电感反应，提高电能的传输效率。
该技术在雷达系统、激光器、电子设备等领域具有广泛的应用前景。
虽然存在一定的限制，但其优势仍使其成为脉冲功率电源中重要的储能技术之一。
脉冲功率技术综述
型（笔者的发明专利），它们均利用爆炸 线、径向传输线和螺旋传输线。
激波加热惰性气体成等离子体作磁流
（２）Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线
体，因此具有异常高的磁雷诺数和窄脉
它是一种双层传输线，匹配负载能
宽输出；而 ＭＦＣＧ－ＭＨＤ 型是利用爆炸磁 获得线的充电电压值，通常分为平板型
通压缩为 Ｍ Ｈ Ｄ 机的磁体励磁，从而得到 和同轴型，图 １２（ａ）表示 Ｂｌｕｍｌｅｉｎ 线工
脉冲功率技术综述
■ 武汉大学电气工程学院电磁发射研究所 王 莹
概 念
１． 脉冲功率定义 尽管脉冲功率学科已诞生 ４０ 余年， 并被《中国电气工程大典》收录，被国 务院定为二级学科；但世人至今知之甚 少或了解不全面。就其字面而言，“脉 冲”表示在时间间隔宽度内输出的量数 值，“功率”是单位时间内的能量（Ｊ／ｓ）， 合义便是以脉冲形式出现的功率（单位 时间能量），即“脉冲功率”（ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｄ ｐｏｗｅｒ）。 但涵义并非如此简单。由于历史上 最初提出该术语人的疏忽和翻译的不甚 考究，对“脉冲功率”的字面涵意并不 能完全顾名思义地理解。现代人常对 ｐｕｌｓｅｄ ｐｏｗｅｒ这样解释：将电能慢慢地高 密度储存起来，然后脉冲地短时间快速 释放出来，从而获得巨大脉冲功率。 显然这里有两处词不达意：第一，自 然界有多种脉冲功率型式，诸如水库水 闸放水、地震、海啸、火山喷发、星球碰 撞、核爆炸、雷电等都有脉冲功率出现； 而电脉冲功率仅是其中的一种。４０ 年前 提出“脉冲功率”术语的人认为其他型式 的脉冲功率不可控、不便应用，他们就省 去了“电”字，仅用 ｐｕｌｓｅｄ ｐｏｗｅｒ 直接代 表“电脉冲功率”到现在。第二，从字面
图 ４ 全电感隔离型 Ｍａｒｘ 发生器
功率；三是空间和时间压缩并举。因为 提高功率的办法只有增多能量或缩短释 放时间；因此，脉冲功率系统应当包括 三大部分：①储能或脉冲发生系统；② 脉冲压缩或成形系统；③负载及其应用 系统。如图 ２ 所示。
储能技术
储能技术储能技术主要分为储电与储热。
储能技术主要分为物理储能(如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学储能(如铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池)和电磁储能(如超导电磁储能、超级电容器储能等)三大类。
根据各种储能技术的特点，飞轮储能、超导电磁储能和超级电容器储能适合于需要提供短时较大的脉冲功率场合，如应对电压暂降和瞬时停电、提高用户的用电质量，抑制电力系统低频振荡、提高系统稳定性等;而抽水储能、压缩空气储能和电化学电池储能适合于系统调峰、大型应急电源、可再生能源并入等大规模、大容量的应用场合。
目前最成熟的大规模储能方式是抽水蓄能，它需要配建上、下游两个水库。
在负荷低谷时段抽水蓄能设备处于电动机工作状态，将下游水库的水抽到上游水库保存，在负荷高峰时设备处于发电机工作状态，利用储存在上游水库中的水发电。
其能量转换效率在70%到75%左右。
但由于受建站选址要求高、建设周期长和动态调节响应速度慢等因素的影响，抽水储能技术的大规模推广应用受到一定程度的限制。
目前全球抽水储能电站总装机容量9000万千瓦，约占全球发电装机容量的3%。
压缩空气储能是另一种能实现大规模工业应用的储能方式。
利用这种储能方式，在电网负荷低谷期将富余电能用于驱动空气压缩机，将空气高压密封在山洞、报废矿井和过期油气井中;在电网负荷高峰期释放压缩空气推动燃汽轮机发电。
由于具有效率高、寿命长、响应速度快等特点，且能源转化效率较高(约为75%左右)，因而压缩空气储能是具有发展潜力的储能技术之一。
目前储能方式主要分为三类:机械储能、电磁储能、电化学储能。
一、机械储能机械储能包括:抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能。
1、抽水储能抽水储能是在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库，将电能转化成重力势能储存起来，在电网负荷高峰期释放上池水库中的水发电。
抽水储能的释放时间可以从几个小时到几天，综合效率在70%~85%之间，主要用于电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用等。
脉冲储能修补技术在轧钢设备中的应用
脉冲储能修补技术在轧钢设备中的应用【摘要】轧钢生产线上有许多大型传动设备，一旦发生事故将影响生产顺行，脉冲储能修补技术在轧钢设备中成功应用，可在短时间内对磨损的零件表面进行修复。
该技术在轧钢厂具有广泛应用前景。
【关键词】脉冲储能熔接现场修复1.引言宣钢小型轧钢厂拥有两条热轧窄带钢生产线，两条棒材生产线。
四条生产线中有70余台套大型减速机、人字齿轮机座等传动设备，在设备运行过程中，由于设备安装精度低、突发性油路阻塞、瞬时超负荷轧制、积累磨损等原因，都可能造成传动轴、机座、箱体轴承位磨损超差，引发设备事故，影响生产顺行。
曾试用电刷镀、热喷涂、专用粘合剂等工艺进行修复，效果均不尽如人意。
采用db —100型脉冲储能修补机对磨损部位进行现场修复后效果良好，实践证明，脉冲储能修补工艺在轧钢大型设备部件修复中发挥了重要作用，同时产生了巨大的经济效益和社会效益。
2. 脉冲储能修补机脉冲储能修补机利用了大电流脉冲在瞬间流过工件和修补材料的接合面，使其迅速熔化结合的技术。
其基本工作原理是：将储存于电容器中的电能在瞬间释放于电阻率较大的钢铁等金属材料组成的工件和补材之间的连接处，接触电阻使它们迅速发热而熔接在一起，达到修补工件的目的。
由于是小范围（<1 mm3）、短时间（ms）级的发热，因此就工件基体来说，发热很少，不会产生工件变形、退火、变色现象，所以又俗称冷焊机。
此外，该设备体积小（主机体积450×260×240 mm3），重量轻（25㎏），设备移动方便，非常适用于现场修复工作。
2.1脉冲储能修补机的优点：2.1.1熔接强度高：修补处可进行铣、锉等加工。
2.1.2修补精度高：使用薄片补材修补，不会失去原基准面，多余焊料少，后期整形容易。
2.1.3适用范围大，可用于修补多种金属材料：除铜、铝等电阻率极低的材料和硬质合金外，各种金属材料制成的工件均可修补。
2.1.4基材损伤小：发热点小，不会造成基材退火变形。
脉冲功率技术
华中科技大学研究生课程考试答题本考生姓名李猛虎考生学号 M201371361 系、年级高电压与绝缘技术2013级类别硕士考试科目脉冲功率技术考试日期 2013年12月15日脉冲功率技术是指把较小功率的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中，然后通过动作时间在毫微秒左右的快速开关将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高的功率，实质上是输出功率对输入功率的放大。
脉冲功率系统中能量的储存方式有许多种，如电容储能，电感储能，脉冲电机储能以及电池储能等。
脉冲功率技术研究的技术指标为：电压1kV~10MV，电子能量0.3~15MeV（电子伏），述流大小1kA~10MA，脉冲宽度0.1~100ns，束流功率0.1~100TW，总能量：1kJ~15MJ。
脉冲功率技术的特征是：高脉冲功率，短脉冲持续时间，高电压，大电流。
脉冲功率技术，是以电气科学技术为基础，把电工新技术和高电压－大电流技术融为一体的新型学科。
脉冲功率技术在国防科研和高新技术领域有着极为重要的应用,而且现在已经越来越多地应用于工业和民用部门,它是高新技术研究的重要技术基础之一,有着极其广泛的发展和应用前景。
脉冲功率的发展历程脉冲放电现象存在于大自然。
人们最早是在20世纪30年代开始研究脉冲功率现象。
1938年，美国人Kingdon和Tanis第一次提出用高压脉冲电源放电产生微秒级脉宽的闪光X 射线；1939年，苏联人制成真空脉冲X射线管，并把闪光X 射线照相技术用于弹道学和爆轰物理学实验。
采用高压脉冲电容器并联充电、串联放电方式来获得较高电压脉冲。
第二次世界大战期间，企图将脉冲功率技术应用于军事的电磁炮和其他研究再度兴起，也促进了脉冲功率科学技术的形成和发展。
1947年，英国人A.D.Blumlien以专利的形式，把传输线波的折反射原理用于脉冲形成线，在纳秒脉冲放电方面取得了突破。
1962年，英国原子能研究中心的J.C.Martin领导的研究小组，将Marx发生器与Blumlien的专利结合起来，建造了世界上第一台强流相对论电子束加速器SOMG（3MV，50kA，30ns），脉冲功率达TW（1012W）量级，开创了高功率脉冲技术的新纪元。
脉冲功率储能技术-惯性
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)*V2
C=
eq
电感 L=L1-ALCOS(2ot-2w)
主动补偿脉冲发电机
电感
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。
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。
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 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：
储能技术-储能概述
1.3 储能的分类
热储能
热储能即储热技术，有两个关键环节和三种主要存储方式。 两个关键环节
其一是热能的传递，即如何选用合适的传热工质和换热器结构，使得储热 系统能够高效地在热能富余时从热源吸热，而在热能短缺时向负载供热；
压缩空气储能可广泛用于电源侧、电网侧和 用户侧，发挥调峰、调频、容量备用、无功补偿 和黑启动等作用。
1.3 储能的分类
机械类储能
飞轮储能 飞轮储能系统是电能与飞轮机械能的一
种转换装置。储能时，电机驱动飞轮高速旋 转，将电能转化为机械能存储起来；释能时， 电机工作在发电机状态，使飞轮减速，将机 械能转化为电能。
充放电转换频繁 秒级响应速度 能量可观
大规模能量存储
主要应用场景
辅助一次调频 提高系统电能质量
二次调频 跟踪计划出力 平滑可再生能源发电 提高输配电设施利用率
削峰填谷 负荷调节
1.3 储能的分类
机械类储能
目前，机械类储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能。 抽水蓄能
抽水蓄能是以水为能量载体的一种储能技术。在电力系统负荷低谷时，通 过电动机机械做功，把将下游水库的水抽到上游水库，将过剩的电能转换成水 体势能的形式储存起来；在负荷高峰时，通过发电机将存储在上游水库的水体 势能转换成电能以供应电力系统的尖峰电量。
其二是热能的储存，即如何选取合适的储热材料及盛放储热材料的容器， 使得整个储热系统不仅能够在大量充、放热的交变过程中保持性能的稳定， 而 且在储存过程中能够将热能损失降到最低。
脉冲功率技术
目录目录 0摘要 (1)一、脉冲功率技术的发展历史及现状 (2)二、脉冲功率技术的储能技术 (4)2.1惯性储能 (4)2.1.1直流发电机 (5)2.1.2单极脉冲发电机（HPG） (5)2.1.3同步发电机 (6)2.1.4主动补偿脉冲发电机 (7)2.2电容储能 (8)2.2.1电容器组放电 (8)2.2.2电容器组放电技术要点 (8)2.3电感储能 (9)2.3.1电感与电容器储能密度比较 (9)2.3.2电感储能的缺点 (10)三、串联谐振CCPS恒流充电 (11)3.1串联谐振CCPS概述 (11)3.2串联谐振CCPS工作原理 (11)3.3串联谐振CCPS恒流充电的MATLAB仿真 (14)总结 (16)参考文献 (17)摘要所谓脉冲功率技术是指将很大的能量（通常为几百千焦耳至几十兆焦耳）储存在储能元件中通常为电容器、电感器等, 然后通过快速开关（动作时间在毫微秒左右）将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上, 以得到极高的功率（兆瓦左右）。
脉冲功率技术研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量, 并将大能量和大功率有效地传输到负载上。
不断提高的能量、功率、上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命的要求, 给脉冲功率技术提出了一系列的科学技术问题。
本文介绍了，给储能元件电容充电的一种恒流充电电源，分析了CCPS充电的原理以及实现问题。
关键词：脉冲功率，CCPS,恒流充电，储能技术一、脉冲功率技术的发展历史及现状脉冲功率技术（PPT,Pulsed Power Technology）正式作为一个独立的部门发展,还是近几年的事。
事实上作为脉冲功率技术基础的脉冲放电, 早就存在于大自然中。
而对脉冲放电的研究则开始于研究天然雷电特性, 以及它对输电线路、建筑物危害及其防护措施。
当时这种放电仅限于毫秒级和微秒级。
四十年代末期, 就有人开始注意到亚微秒及毫微秒级的高压强流脉冲放电形式。
但是, 一方面由于当时客观要求并不迫切；另一方面, 这样快的脉冲放电, 无论在产生技术上, 或者在测量技术上都存在着一定的困难。
脉冲功率技术的进展和应用
2 发展里程碑
➢ 1962年，英国J.C. Martin，发展了Marx+Blumlein， ns量级 ➢ 1967年，USA, Sandia，高功率粒子束，10MV,100KA,80ns ➢ 1972年，USA, Hary Diamond实验室，AURORA,14MV,
1.6MA,120ns ➢ 1978 年，USA, Sandia，PBFA-I , Fusion, 30TV, 1MJ ➢ 1986年, USA, PBFA-II, 12MV, 8.4MA, 40ns, 1014 W ➢ 1985年，俄罗斯，Kalchatov，Fusion，2MV,40MA,90ns
➢ 整体结构主要包含水、电、真空、机械、通讯、控制等组 成部分。产生的束流能量为10～12MeV，峰值功率为2.5～ 3MW，平均功率为20～25KW，能散度为±5%，重复频率为 10～500pps。
部分加速器图示 图示1 图示2 图示 3 图示4 图示5
➢ 工作原理：利用脉冲功率技术，将很大的能量储存在储能 元件--电容器中，然后通过快速开关将此能量在微秒时间 内释放到负载上, 以得到极高的峰值功率（兆瓦以上）。
自然界中的脉冲功率：简要介绍
2 常见脉冲波形
上升时间：电压峰值从 10%上升到90%所需要的 时间。
下降时间：同理。 上升时间和下降时间
主要依赖于负载阻抗。
脉冲宽度： 一般定义为底宽-在幅
值的90%处的时间宽度。
3 脉冲功率技术
脉冲功率技术是研究将很大的能量（通常为几百 千焦耳至几十兆焦耳）储存在储能元件中（通常为 电容器、电感器等）, 然后通过快速开关（动作时间 在毫微秒左右），将此能量在纳秒至微秒时间内释 放到负载上, 以得到极高的脉冲输出功率的发生器系 统及其相关技术。
电容储能脉冲电源的工作原理与优势
电容储能脉冲电源的工作原理与优势电容储能脉冲电源的工作原理与优势电容储能脉冲电源是一种常见的电源技术，其工作原理基于电容器的储能特性。
它具有许多优势，使得它在各种应用中得到广泛使用。
首先，让我们来了解电容储能脉冲电源的工作原理。
它主要包括以下几个步骤：第一步是充电阶段。
在这个阶段，电容器通过外部电源连接进行充电。
当电容器两端的电压达到设定值时，充电过程停止。
第二步是放电阶段。
在这个阶段，电容器释放储存的能量。
放电过程产生的电流被用来驱动负载，使其正常工作。
第三步是重新充电阶段。
当电容器释放完能量后，它需要重新充电，以便为下一次放电做准备。
这个过程被循环进行，持续地提供电源能量。
电容储能脉冲电源具有许多优势，使其成为一种受欢迎的电源技术。
以下是一些主要的优势：首先，电容储能脉冲电源具有高能量密度。
相比于传统的电池，电容器能够以更高的能量密度储存能量。
这使得电容储能脉冲电源在需要短时间高能量输出的应用中非常适用，如激光器、粒子加速器等。
其次，电容储能脉冲电源具有快速响应的特点。
由于电容器能够迅速储存和释放能量，它可以在短时间内提供高电流。
这种快速响应的特性使得电容储能脉冲电源在需要瞬态功率的应用中表现出色，如雷达系统、电力脉冲测试等。
此外，电容储能脉冲电源具有较长的使用寿命。
相比于传统的电池技术，电容器的使用寿命更长。
这是因为电容器没有化学反应和电化学腐蚀，因此不容易受到腐蚀和老化的影响。
这种长寿命的特性使得电容储能脉冲电源能够在长期使用和重复充放电的环境中稳定工作。
最后，电容储能脉冲电源具有较高的效率。
相比于传统的电池，电容器的能量转换效率更高。
这意味着更少的能量损耗，更高的能量利用率。
这种高效率使得电容储能脉冲电源在需要长时间工作且对能源消耗有限的应用中非常有用。
总结起来，电容储能脉冲电源是一种基于电容器储能特性的电源技术。
它具有高能量密度、快速响应、较长的使用寿命和较高的能量转换效率等优势。
这些特点使得它在各种应用中得到广泛使用，如激光器、雷达系统、电力脉冲测试等。
脉冲电容器规格参数
供应脉冲电容器的详细描述：脉冲电容器一、用途脉冲电容器能够把一个小功率电源在较长时间间隔内对电容器的充电能量储存起来，在需要的某一瞬间，在极短的时间间隔内将所储存的能量迅速释放出来，形成强大的冲击电流和强大的冲击功率。
主要用于高电压试验技术、高能物理、激光技术、振荡回路、地质探矿等领域。
二、主要使用条件及技术参数脉冲电容器符合标准JB/T8168-1999《脉冲电容器及直流电容器》。
a) 环境温度：-40～+40℃。
b) 海拔：≤1000m。
海拔高于1000m时，另行说明。
c) 电容器分为户内和户外两种。
d) 电容偏差：±5%、±10%。
e) 绝缘电阻或时间常数C≤1μF时，绝缘电阻≥1×1000MΩ。
C＞1μF时，时间常数≥5×1000s。
注：如有特殊使用条件、技术性能、参数、要求等均可另行商定。
三、型号说明第1个字母——表示电容器系列代号，M表示脉冲电容器；第2个字母——表示绝缘油，W表示烷基苯、C表示蓖麻油；第3个字母——表示极间介质，F表示膜纸复合。
第1个数字——表示额定电压 kV。
第2个数字——表示额定电容冲击分压及冲击负荷类为pF，其余类别为μF。
MWF100-0.4型脉冲电容器MCF100-1型脉冲电容器MWF80-4型脉冲电容器MWF60-8型脉冲电容器脉冲电容器部分产品参数脉冲电容器脉冲电容器用于冲击电压发生器和冲击电流发生器及振荡回路等高压试验装置，此外还可用于电磁成型、液电成型、液电破碎，储能焊接，海底探矿以及生产高温等离子超强冲击磁场，强冲击光源、激光等装置中。
脉冲电容器一般为户内装置。
适用环境温度±40℃，海拔不超过1000米的地区使用。
脉冲电容器由于具体用途不同，结构上差别很大。
电容器的外壳有绝缘套筒、瓷套筒及钢板三种，部分圆标形电容器内部装有抗张器，用以补偿随油体积温度的变化。
主要技术参数脉冲电容器脉冲电容器用于冲击电压发生器和冲击电流发生器及振荡回路等高压试验装置，此外还可用于电磁成型、液电成型、液电破碎，储能焊接，海底探矿以及生产高温等离子超强冲击磁场，强冲击光源、激光等装置中。
脉冲功率储能技术应用电感(33页)
Method Electrostatic
TABLEII.ENERGY STORAGE MECHANISMS
Equation Assumption
Typical
State- of- the- Art Parameters
High energy density plastic film
电感储能的缺点
向负载转换能量需要大容量的断路开关，并且开关 动作要快，工作可靠和寿命较长。断路开关技术是决 定电感储能技术能否发展的因素之一
单级电感储能装置向负载馈电的能量转换效率低， 对电感负载最大不超过25%。虽然多极电感储能可提 高效率，但使电路和设备复杂性，导致体积庞大和造 价升高。
电感储能技术
Electrochemical Chemical
LiMS operating at 480C
High energy density materials
1.72V Few eV/bond
4,000 5,000-10,000
概述
唐 见 黄 电 叫 阻 ( s)
10-6 10~ 北 电容善
10-3 10
流。
·保持阶段： Sc1和Sc2被冷却到超导状态，断开Sc, 电流流过回路Sp1,L1,Sc1和Sp2,L2,Sc2处于保持 状态。
·放电阶段：触发与Sp1,Sp2 并联的电容上串连的 晶闸管，电容向Sp1和Sp2放电，产生脉冲使Spl 和Sp2失超，迫使L1和L2中的电流并联向负载放 电。
一种复合开关
·负载换流：关断S2b开关的IGBT, 其并联 的压敏电阻将保持800V电压直到电流完全 换流到负载上，S2a 恢复正向阻断能力。
超导储能 (SMES) 充放电装置
脉冲功率储能技术应用电容器
储能方法
电容储能 电感储能 机械储能 化学能储能
•脉冲功率储能技术应用电容器
几种储能技术比较
•脉冲功率储能技术应用电容器
脉冲电容器
利用电场储能
电容 C 储能
W=（1/2）CU2
U 充电电压
•脉冲功率储能技术应用电容器
C=εε0A/d
电容量与面积A
和ε成正比
与介质的厚度成 反比
电容器集中参数电路模型
对于MJ的电容器组 ，采用多个开关并联 ， 减小烧蚀和增加 开关寿命 ，减小放电回路电感和电阻 ，有利于实施电容器保护。 但大量的开关给严格同步带来很多困难。
•脉冲功率储能技术应用电容器
高电压发生器
•脉冲功率储能技术应用电容器
双边充电Marx 发生器
•脉冲功率储能技术应用电容器
其他几种Marx 发生器结构形式
•脉冲功率储能技术应用电容器
Marx发生器的同步特点
Marx发生器由并联充电转变为串联放电是靠点火 击穿第一级间隙或前几级间隙 ，其余间隙靠自然过电压 而逐个击穿 ，最后输出间隙击穿 ，产生输出高压 ，这个 过程叫同步 。通常发生器建立时间的分散性（抖动） ， 来表示同步的好坏。
点火间隙通常用三电极或带中间平面的场畸变开关。 影响同步的主要原因是火花间隙放电的分散性， 以及 电路中由于寄生电容的影响 ，使得某些环节自然过电
•脉冲功率储能技术应用电容器
•脉冲功率储能技术应用电容器
•脉冲功率储能技术应用电容器
可以看出 ，输出功率的大小主要受到电路电感，包括 负载电感的影响 。在s1合上之后 ， 电容C1上的电压将加 S2上 ，使的s2两侧的电压接近相等 ，这样 ，开关s2将不 被击穿（导通），要尽量避免这种情况。
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铅钙极板的铅酸蓄电池
每个电池具有通常的 2V电压和5000Ah的容 量。 适当的串并联，可以 输出去几MW的功率。
12V电压，
重量13.8kg，
能量密度33Wh/kg
炸药的储能密度高
• 汽油：35MJ/kg • 高级炸药：5MJ/kg
– 驱动导体速度：0.5-5km/s
• 磁通压缩发生器（magnetic flux compression Generator －－－MFCG)， 通常采用炸药 • 磁流体发电机
螺旋发生器
一端引爆，负载接在另端电枢和 线圈之间
一端引爆，负载接在线圈两 端
螺旋发生器
从电枢两端同时起爆，负载 接在线圈中间抽头上
一端引爆和线圈接地的方式
螺旋发生器
• 螺旋MFCG的工作也是基于压缩磁通和减小 电感的原理。电枢是内含高级炸药的铜或 铝良导体金属圆管，在爆炸时电枢和线圈 接触形成闭合回路，从而俘获初始磁通； 电枢膨胀压缩磁通并减少回路电感。 • 优点：初始电感较大，可以俘获更多的初 始磁通，能量放大倍数比较其它的MFCG要 大。
排斥型MFCG
• 增大互感型MFCG的电枢和定子是不接触的， 是借助快速增大它们之间的互感来放大能 量和电流的，这类发生器多半是以两个线 圈的耦合来实现功率放大的。
可以用广义的磁场冻结和磁通压缩概念说明排 斥型MFCG压缩磁通的物理涵意如下：线圈A本来 无磁通，当带有磁通的线圈B向它同轴地靠近时， 线圈A内的磁通量从无到有地发生变化，于是线圈 A产生感应电流，很据楞次定律，此感应电流严生 的磁场将反抗原来的磁通变化。 如果线圈A的导体电阻为零，感应电流足以抵消 原磁通在A内的变化．即排斥原磁通使A内保持原 零值磁通． 这便是磁通冻结的广义概念，由于线圈B产生 的磁通被排斥，所以线圈B向线圈A同轴地移动就 需要强大的外力做功来克服这种排斥，这便是另一 种形式的磁通压缩概念。于是化学能驱动线圈B在 压缩磁通做功的过程中转变成电磁能。
MFCG的限制因素
磁通损失 • 由于内部击穿或磁通压缩区域部分地过早 闭合形成回路从而损失部分磁通。 • 回路电阻的存在将减小电流幅值，势必降 低磁场，造成一定的磁能损失。 • 存在渗透到发生器元件导体内而不可收回 的磁通。 • 短路点接触不良，损失少量磁通。
MFCG的限制因素
强磁场效应 • 在高场强环境中，将引起表面温度的升高。 这种温升与场达到峰值的时间基本无关， 但依赖于脉冲形状。 • 磁场强度影响磁通的俘获效率。场强越大， 效率越低。低于80T时，磁通损失率小于 20%。 • 高场强环境对变压器工作十分不利。电动 力可使绕组导体严重径向移动。
平板型发生器
平板型发生器
• 平板型发生器的电感在几百nH范围内。 • 为了进行有效的电流和能量放大，必须限制负载 电感最大不得超过几十nH。 • 同时还应当特别注意减小发生器到负载的连接用 传输线电感，应当把传输线做得尽可能的短和宽。 • 优点：结构简单，容易制造；平板较宽，能够传 导大电流；脉冲持续时间相对短，可以实现更大 的功率；新的起爆装置能够使大面积炸药精确地 同时爆炸。
排斥型MFCG
炮击式MFCG
A＝1．4，在n＝10级的装置中，能量增加近似103倍。
条状发生器
条状发生器
条状发生器
• 为了克服电磁力扩张而造成的窄条元件位
移，除采用坚固的镇压条或夹紧方法之外， 常使用“里朝外”型结构。
平板型发生器
• 平板型发生器是两块板状导体构成的传输 线，由条状发生器演变而来的。 • 驱动板比条状发生器要宽。 • 需要平面波引爆装置同时引爆整个面积上 的炸药片以驱动平板电枢同时运动。 • 当输入电流达到或接近峰值时，同时引爆 驱动板上的炸药块，使回路闭合并俘获磁 通。驱动板以爆速移动，上下驱动板同时 相对运动和压缩磁通。
磁通压缩发生器（MFCG）
• 化学储能（爆炸）在脉冲功率中的应用。 • 化学能产生的膨胀力能够加速导电体和压 缩磁通。 • 主要采用炸药爆炸驱动导电的固态良导体 或活塞或射弹来压缩磁通。 • 优点：储能密度高，产生电流大和脉冲持 续时间相对长。 • 缺点：一次性使用，成本高。
磁通压缩发生器（MFCG）
同轴发生器
同轴发生器
• 具有较大的电流传导能力，和特别好的机 械强度。 • 电流沿圆筒平行轴流动，电流传导最小宽 度是内筒的圆周长，一般规模的发生器都 能传导100MA以上的电流。 • 内外导体均为圆柱体，具有良好的搞磁压 和机械强度。 • 磁扩散损失也较小，因此效率较高。 • 电感较小，负载电感要求更小。
球形发生器
由两个扇形球壳和一 个环形负载组成。高级炸 药置于球中心，初始电流 由外电源经一侧缝隙供给。 内扇球环壳起电枢作用， 外扇形球壳是定子，在输 入电流达到峰值时引爆中 心的炸药，用以压缩环形 或切向磁力线。
MFCG的初始储能
• 直接馈电
就是用初级电源直接向发生器本身提供初始电 流建立初始磁通，如电容器组就是行之有效的初 始电源。
磁通压缩概念
磁通压缩发生器（MFCG）
磁通压缩发生器（MFCG）
磁通冻结保障了磁通能被俘获，在压缩磁通时，外力 所作的功转变成电磁能。 通过磁通压缩获得电磁能量脉冲的唯一条件是减小回 路电感。 变形型：通过一些方法改变MFCG的形状，从而使电 感减小，如用外力驱动与发生器回路接触的电枢向前移动， 或者用炸药崩溃电感器本身。 排斥型：采用良好导电的壳体（活塞戓炮弹）快速穿 入已具有初始磁通的线圈，在壳体内感应性出一反向电流， 这一电流产生的磁通排斥原磁通，使壳体与线圈间的互感 增大，导致线圈网络电感减小。
脉冲功率化学储能
化学储能有极高的储能密度，已经广泛地应用于 脉冲功率领域。
蓄电池组
炸药
蓄电池
用作高功率脉冲电源的蓄电池是能再充电的化学
装置，平时把电能转变成化学能储存起来（充电）， 工作时再把化学能转变成电能（放电）。 高功率领域所用的蓄电池分为酸性的和碱性的。 酸性蓄电池的电解液是浓度为27%-37%的硫酸水 溶液，正极板是活性物质二氧化铅，负极板的活性物质 是绒状铅，所以酸性蓄电池也叫铅酸电池。 碱性蓄电池的电解液是浓度为20%的氢氧化钾水溶 液。用氢氧化镍作正极板；用铁作负极板的叫作镍铁电 池；用镉作负极板的叫镍镉电池；用银作正极板和用锌 作负极板的银锌电池。
• 原理上分：减小自感变形型和增大互感的 排斥型。 • 燃料上分：炸药驱动，气体燃烧驱动，火 箭推进剂驱动。 • 破坏性上分：全毁坏单次型，半毁坏单次 型，不毁坏重复脉冲型。
磁通压缩发生器（MFCG）源自磁通压缩发生器（MFCG）
设计思路
• MFCG本身电阻不宜过大，它也不适合激励 大电阻负载，否则负载指数不能使电流放 大。 • 在非理想情况下，回路电阻不仅产生欧姆 损耗，还会引起磁能损失。 • 发生器的电感包括初始电感和变化的电感。
电感储能器馈送能量 一种间接的能量馈送方式。围绕在发生器的外场
线圈产生磁通通过发生器回路数，为发生器提供初始
能量。可以是超导线圈，也可以是常规线圈。
MFCG脉冲调制
镇流器法 断路开关锐化 脉冲变压器耦合 延迟线方法
镇流器法
断路开关锐化
脉冲变压器耦合
延迟线法
MFCG的限制因素
优点： • 能在可利用的时间标度内猝发地产生强大 的能量 • 可以设计成满足多样和变化的负载要求 • 输出电压和电流具有近似同相的时间变化 范围。 • 非常高的比能量输出，装置体积较小。
蓄电池： 储能密度高；放电时间长；效率费用比合理；寿命 长；简单安全可靠。 由于放电时间长，在快放电领域不及电容器和电感 器。但在电磁发射等慢放电领域有较多应用。 常用的有两种类型： 给大时间常数的中间储能电感器秒级充电的普通型 直接向负载毫秒级放电的脉冲型 由于造价的原因，目前在高功率脉冲电源中使用的 主要是铅酸蓄电池。
磁通压缩发生器（MFCG）
变形型MFCG
条状发生器
窄条带状传输线，由两金属条连接一负载而组成。
在一或两金属条上敷设高级炸药条。当初级电源在两
窄条和负载组成的回路中建立初始磁通之后，用输入
端的雷管引爆炸药。炸药的爆炸波驱动两金属条短路， 从而俘获磁通，短路点向负载端推进，使回路面积迅 速减小，在炸药爆炸压缩磁通作功过程中把化学能转 变成电磁能。
MFCG的限制因素
缺点： • 减小电感型MFCG只能一次性使用 • 电源和试验设备尚需仔细防护，以免遭到 炸药爆炸的破坏； • 大部分发生器造价较高。
MFCG的限制因素
• 技术困难： • 减小回路的无用电感； • 在初始能量引入和工作期间由磁力引起的 装置元件的位移； • 短路电枢相对运动时触点常形成金属射流； • 工作期间的磁能损失； • 内部元件过电压击穿。