氫電池備用電源在核電廠的應用

李健 馮偉崗 楊潔 易蒙

摘要：目前，核電主要廠采用富液式鉛酸蓄電池與柴油發電機作為備用應急電源。隨著近年來新能源產業的高速發展，氫燃料電池技術在成熟性、可靠性、經濟性方面都有較大提升。這些具有更高功率密度、更高能量密度的儲能技術與核電廠更長時間的電源保障、更多樣性的電源配置需求以及緊湊型的發展趨勢相匹配。結合核電廠應急電源的配置需求及應用限制條件，分析了氫燃料電池儲能技術的適用性，并給出了應用建議，更換汽油和柴油發動機，減少噪音和振動，減少二氧化碳和其他氣體的排放。

關鍵詞：氫燃料電池;后備電源;核電廠

引言

核電作為一種高效、清潔、環保的新能源，在世界范圍內發展迅速。統計顯示，目前全球核電站事故率在2%左右，傷亡人數遠低于汽車運輸業和航空業，遠低于采礦、建筑等行業。美國的一份報告顯示，2003年至2011年間，美國33座核電站因柴油發電機緊急故障而發生的事故至少有69起。進入21世紀，清潔高效的氫氣發揮著重要作用，其他能源也可以轉化為易于儲存的氫氣。氫燃料電池是最具發展前景的新能源之一，具有清潔、高效等優點。氫燃料電池是符合零碳排放標準、可直接用于生產生活的清潔可再生能源。氫燃料電池集成后備電源系統技術先進，操作方便，可實時監控設備參數，滿足停電后設備的用電需求。本文主要研究分析氫電池備用電源在核電站中的應用。

1氫燃料電池簡介

氫燃料電池等燃料廣泛應用于電力、交通（公交車、摩托車、自行車）、物流（叉車、卡車、物流車）、船舶（潛艇）、無人機等各個領域。氫燃料主要包含陽極、陰極和電解質。氫（H2）在陽極發生受控化學反應，分裂成質子（核氫、氫+）和電子。電子從陽極開始，通過外電路，最后到達陽極，在外電路中產生電流。質子存在于電解質中，從陽極開始并通過質子交換膜到達陽極。氧氣（O2）與陰極發生化學反應。燃料電池是一種將化學能通過外部電路到達陰極并與被氧分解的電子結合形成質子到達陽極并形成水分子（H2O）時將化學能轉化為電能的裝置，使用氫氣作為發電燃料的最終產品是不會污染環境的水。

2核電廠氫電池備用電源系統結構

備用電源系統額定輸出功率200KW，額定電壓380V，氫電池單電堆選取60KW，5個電堆并聯后連接至DC/DC，鋰電池系統容量設計為80KWh，在市電市電后、氫電池輸出功率前，下游負荷由鋰電池帶載。另外，備用電源系統還包括整流器、氫電池輔助配套系統、UPS電氣設備、集中控制單元等設備。

3核電廠氫燃料電池備用電源仿真

3.1系統規劃圖

1、燃料電池組6、直流總線

420V

7、電機負載部分

如圖1所示，系統采用氫電池、鋰電池、市電組成供電系統。負載部分主要包括三種，電機負載如圖2標號7所示，阻性負載如圖2標號8所示，以及鋰電池在充電的工作模態作為負載，如圖2標號4所示。電機負載為一個額定功率75kW的電機，其工作電壓需要達到800V左右，因此需要將直流總線420V電壓進行升壓變換，然后經過逆變器變換，驅動電機工作。阻性負載直接由逆變器輸出的交流電供電;鋰電池負載由直流總線直接供電，并且420V電壓可以滿足充電要求。系統的仿真模型如圖2所示。

圖中的標號意義如下：

1氫燃料電池堆、2氫燃料電池升壓變換器、3三相市電整流及降壓變換器

4鋰電池、5鋰電池升壓變換器、6直流總線、7電機負載支路、8阻性負載支路

3.2仿真結果

對于市電到負載、市電到電池、市電到負載及電池、電池到負載、燃料電池到負載、燃料電池到電池、燃料電池到負載及電池7種模態仿真，從仿真結果可以看出，7種工作模態均能夠正常工作。

從實際的仿真結果可以看出，在形成420V直流總線的過程中，鋰電池的響應速度最快，其次是市電，氫燃料電池的響應速度最慢，并且仿真結果顯示，如果供電系統中存在鋰電池，則系統的響應速度會得到明顯提升。

同時從氫燃料電池和鋰電池的工作特性分析，可以看出，鋰電池的供電魯棒性更強，但是供電功率受到自身放電特性影響，放電時間、電流、最大功率具有一定的局限性。但是氫燃料電池對于不同負載的適應性更強，可以持續提供大功率。因此市電、鋰電池、氫燃料電池相互配合，構成的供電系統，可以發揮各自優勢，是面向本系統較大功率供電方式下的最佳供電組合方式。

對市電到負載、市電到電池、市電到負載及電池、電池到負載、燃料電池到負載、燃料電池到電池、燃料電池到負載及電池，本部分進行12種模態轉換模式，從仿真結果可以看出，模態切換仿真結果穩定，系統工作正常。同時可以看出，氫燃料電池在超過額定功率及在額定功率范圍內工作穩定，這種特性符合氫燃料電池的工作特性，同時鋰電池與氫燃料電池組合，為負載供電的模式下，能夠提高系統的響應速度。因此氫燃料電池與鋰電池的組合供電方式，是一種合理且性能優越的供電模式。

4結論

作為核電站優先能源之一，核電站場外備用電源取自相對獨立于主電網的外部電網。異地備用電源系統是不安全系統，不參與事故預防和緩解。當電廠失去正常電源和場外主電源時，切換進入，可實現應急有序停堆，增強核電廠縱深防御能力?？捎寐矢?，但僅僅依靠柴油發電機組作為應急電源是有風險的。此外，柴油發電機容易出現故障，需要經常維護。本文主要討論氫電池備用電源在核電站中的應用，仿真實驗表明存在氫氣的燃料電池供電系統的各種運行特性，結果仿真實驗表明氫電池發電系統核電站可以穩定運行。

參考文獻：

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