超級電容作為核電廠應急柴油發電機組啟動期間后備電源的可行性研究

王　晉

超級電容作為核電廠應急柴油發電機組啟動期間后備電源的可行性研究

王晉

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

核電廠應急柴油發電機組隨著容量的不斷增大，已越來越難以滿足應急工況下10 s內快速啟動的要求。超級電容作為一項新興的儲能技術，具有傳統儲能技術不可比擬的短時間內快速放電能力。本文提出了將超級電容作為核電廠應急柴油發電機組啟動期間后備中壓電源的設計方案，以延緩應急工況下對于應急柴油發電機組快速啟動的時間要求，有效提高應急柴油發電機組啟動的可靠性。本文從超級電容的容量核算、系統規模、設備布置和經濟性方面探討了該方案的可行性。

超級電容；核電廠；應急柴油發電機組；應急快速啟動；后備電源

在核電廠應急供電系統設計中，當應急供電母線失電時，廠內應急柴油發電機組將在收到啟動信號后立即啟動，并被要求在10 s內快速達到額定轉速和額定電壓后接入應急供電系統以恢復供電。近年來，隨著國內核電機組功率的不斷提升，專設安全負荷的增多和容量加大導致了應急柴油發電機組的容量選型不斷加大。“華龍一號”核電堆型在研發設計過程中，應急柴油發電機組的額定功率由原來的6 000 kW提高到了8 000 kW。功率的大幅提高，導致應急柴油發電機組已無法滿足10 s內快速、可靠啟動的要求，需延長到15 s。這一變化意味著反應堆在失電工況下喪失冷卻的時間多延長了5 s，最終導致相關系統和設備的安全設計裕量被迫提高，設備成本大幅提高。

超級電容作為一種新興的儲能技術，其功率密度大、響應時間短，充放電電流能達到較大值，只需數十秒就能實現滿充和滿放。超級電容的響應時間能到達毫秒級，其功率密度可達6～15 kW/kg，為鋰電池的100倍以上。因超級電容優異的放電能力，可考慮采用其作為核電廠應急柴油發電機組啟動期間的后備中壓電源，以延緩應急工況下對于應急柴油發電機組快速啟動的時間要求。本文將從容量核算、系統規模、設備布置和經濟性方面探討采用超級電容作為核電廠應急柴油發電機組啟動期間后備中壓電源的可行性。

1 超級電容性能簡介

超級電容又名電化學電容、雙電層電容、黃金電容和法拉電容，是一種重要的可充電電化學儲能技術。作為一種電化學元件，它以極化電解質來實現儲能目的[1]。

超級電容介于電池和傳統電容之間，具有特殊性能，借助雙電層和氧化還原贗電容電荷實現電能的存儲。但是，在電能的存儲過程中并不涉及化學反應，且此種電能的存儲過程可逆，使得超級電容電容器能夠進行數十萬次的反復充放電。

超級電容主要由活性材料、電解液、集流體和隔膜組成，通過活性材料/電解液界面的電解液離子的物理吸脫附或者法拉第反應（氧化還原反應）實現電子電荷儲能。其中，集流體一般為電化學穩定性好、不易腐蝕和接觸阻抗較小的金屬。隔膜一方面防止活性物質直接接觸，造成短路。另一方面，確保電解液離子通過且阻礙電子流通，后者為其主要作用。一般為較薄（幾百微米）、阻抗小且孔隙率高的高分子聚合物。常用的電解液有水系電解液（如H2SO4、KOH等水溶液）、有機電解液和離子液體等。活性材料一般為具有高比表面積的炭材料、導電聚合物和金屬氧化物。

超級電容的能量密度是傳統電容的幾百倍，功率密度是傳統電池的2個數量級，彌補了電池功率密度不足的特點。超級電容有充電時間短、放置時間長、長達百萬次的循環壽命、免維護以及無污染等特點，被廣泛應用于工業、軍工和能源等領域[2]。超級電容器和蓄電池的性能比較如表1所示。

表1　超級電容器與鋰離子電池及傳統電容器的性能比較

超級電容作為后備電源的應用，有良好的工作溫度范圍，其容量在工作溫度范圍內基本不會發生變化。相對鉛酸電池和鋰電池幾年需要維護更換來說，超級電容在其壽期內免維護的特點，有效提高了其作為后備電源的穩定性和可靠性。通過新舊超級電容在不同溫度下進行測試比對，結果如表2所示。

表2　超級電容模組測試結果

通過表2可以看出，超級電容在壽期始末、不同溫度條件下的電性能表現均十分優越，體現出超級電容其功率性能高、大電流充放電表現良好的優勢，具備了作為應急柴油發電機組啟動期間短時后備中壓電源的條件。

2 “華龍一號”應急柴油發電機組啟動特性分析

“華龍一號”核電堆型在研發設計初期，仍是維持了M310核電堆型對應急柴油發電機組應急啟動時間10 s的要求。但由于對應急柴油發電機組容量需求的增大，導致市場上現有成熟的發電機機型均因轉動慣量較大而無法滿足10 s快速啟動的時間要求。為了盡可能滿足快速啟動的要求，以利萊森瑪發電機有限公司某型號產品為例，對發電機參數進行優化調整。

表3　發電機參數優化調整前后對比表

續表

在保證應急柴油發電機組足夠的穩定性和安全性的基礎上，對發電機的轉動慣量進行了最大幅度的下調。如表3所示，發電機的轉動慣量減小至6 748 kg·m2后，發電機的電抗值和電壓降均有明顯的增大，而機組的啟動時間僅能縮短至9～12 s的范圍內，仍無法嚴格滿足10 s快速啟動的時間要求。因此，在“華龍一號”核電堆型的實際工程設計中，為了保證應急柴油發電機組在應急工況下能夠可靠啟動，應急柴油發電機組的快速啟動時間被迫延長到了15 s，相應地，部分專設安全設備的失電時間將延長5 s，導致系統和設備的安全設計裕量被迫提高，設備成本大幅提高[3]。

3 超級電容作為應急柴油發電機組短時后備電源的可行性

以國內“華龍一號”某核電廠址為例，對采用超級電容作為其廠內應急柴油發電機組應急啟動期間短時后備電源方案的可行性進行分析，以使得部分應急負荷能夠在應急柴油發電機組應急啟動期間不斷電繼續運行一段時間，以縮短這些應急負荷的失電時間。本廠址應急柴油發電機組額定功率G為8 000 kW。

3.1　超級電容系統容量核算

式中：——負荷裕量系數，取1.2；

通過公式（2）和（3）計算得出超級電容系統容量：

式中：——超級電容需提供的電能；

式中：——超級電容陣列額定電壓。

超級電容單體電壓一般為2 V，由于陣列電壓=1+2+…+U需要將多個超級電容串聯，但根據1/=1/1+1/2+…+1/C，超級電容容量將減小，故為了使超級電容陣列組成不至于過于龐大，超級電容需經逆變后再經升壓變壓器接入某廠址6.6 kV應急中壓配電系統中，此處超級電容陣列電壓U取220 V。

由公式（3）可得，配置496F的超級電容即可在應急柴油發電機組應急啟動期間，滿足應急母線上已運行的2 400 kW應急負荷不斷電繼續運行5 s。

3.2　超級電容系統規模和設備布置

在確定了超級電容系統容量后，需要對其系統規模和設備布置進行核算。以NCC公司的超級電容產品為例，設備參數如表4所示[4]。

表4　超級電容參數表

根據上文確定的超級電容陣列額定電壓U為220 V，超級電容單體額定電壓為2 V，故陣列縱列需由110個超級電容串聯而成，組成的單個電容串容量C0為12.7 F。由此可得，以110×40的陣列形式組成超級電容陣列，陣列容量達到508 F，可滿足超級電容容量需求。

式中：——超級電容陣列體積；

——超級電容個體數量，取4 400；

——超級電容個體半徑，取0.02 m；

——超級電容個體長度，取0.145 m。

由公式（4）可得，為達到至少496 F的電容容量，超級電容陣列需配置的系統規模是可接受的。在設備布置方面，在考慮了需要額外配置一臺升壓變壓器的基礎上，超級電容系統所需的布置空間十分有限。

3.3　超級電容系統的經濟性

以NCC公司的超級電容產品為例，該品牌單個超級電容的市場售價約為35元，上文核算需配置4 400個超級電容，金額合計為154 000元。“華龍一號”核電堆型共設有兩個應急供電序列，因此需配置兩個獨立的超級電容陣列。在“華龍一號”核電工程中如采用超級電容作為應急柴油發電機組應急啟動期間的短時后備電源，超級電容的采購費用約在30萬元左右，但還需核算超級電容控制器、逆變器及0.22/6.6 kV升壓變壓器等設備費用。此外，超級電容是作為應急工況下應急供電母線上短時的應急后備電源，應執行核安全功能，其相關設備應為核安全級設備。經過核級鑒定的超級電容及相關設備在采購費用上會有一定幅度的增加，但可在一定程度上節約核電廠專設安全設備的成本，具有良好的經濟性。

4 結語

超級電容作為一種新興的儲能設備，具有傳統儲能設備不可比擬的功率密度大、響應時間短等特點。本文從超級電容的容量核算、系統規模、設備布置和經濟性方面，探討了采用超級電容作為核電廠應急柴油發電機組啟動期間后備中壓電源的可行性，形成主要結論如下：

（1）采用超級電容作為核電廠應急柴油發電機組啟動期間的短時后備電源在理論上是可行的，在方案實施階段還需要充分考慮包括抗震性能試驗在內的超級電容產品的核級鑒定以及應急供電系統邏輯功能實現等方面的問題。

（2）通過配置升壓變壓器合理選擇超級電容陣列電壓，可將超級電容的系統規模和設備布置空間限定在可接受的范圍內。

（3）采用超級電容作為應急工況下短時后備電源，可縮短核電廠專設安全設備的斷電時間，從而在一定程度上減小專設安全系統的設計裕量，節約專設安全設備的成本，具有良好的經濟性。

［1］ 周獻忠. 配電自動化超級電容后備電源應用探討［J］．湖南電力，2015，35（5）：48-50.

［2］ 韓利群，張維，郭上華. 配電終端應用超級電容探析［J］．供用電，2016，33（6）：68-72.

［3］ 楊發慧，張玉興，劉榮，等. 12PC2-6B應急柴油發電機組國產化研制［J］．中國核電，2017，10（4）：506-507.

［4］ 楊藝錦. 由超級電容和太陽能構成的燃油汽車電源系統研究［D］．北京：中國地質大學，2016.

Feasibility Study of the Super Capacitor as the Backup Power Supply during the Start-up of the Emergency Diesel Generator in Nuclear Power Plant

WANG Jin

（China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd，Beijing 100840，China）

With the increasing capacity of the emergency diesel generator (EDG) in nuclear power plant, it is more and more difficult to meet the requirements of rapid start-up within 10 seconds under emergency conditions. As a new energy storage technology, super capacitor has the ability of discharging rapidly in a short time which is unmatched by traditional energy storage technology. In this paper, super capacitor is designed as the backup medium voltage power supply during the start-up of EDG in nuclear power plant, so as to postpone the time required for the rapid start-up of EDG under emergency conditions and effectively improve the start-up reliability of EDG. This paper discusses the feasibility of the scheme from the aspects of capacity accounting, system scheme, equipment layout and economy of the super capacitor.

Super capacitor; Nuclear power plant; Emergency diesel generator; Rapid start-up under emergency conditions; Backup power supply

TL48

A

0528-0918（2022）01-0175-05

2020-10-10

王 晉（1986—），男，河北辛集人，工程師，碩士，現主要研究方向為電力系統分析運行與控制方面研究