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(fā)電機作為備用應急電源。隨著近年來新能源產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，氫燃料電池技術(shù)在成熟性、可靠性、經(jīng)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(shù)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(fā)展趨勢相匹配。結(jié)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(shù)的適用性，并給出了應用建議，更換汽油和柴油發(fā)動機，減少噪音和振動，減少二氧化碳和其他氣體的排放。

關(guān)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(huán)保的新能源，在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速。統(tǒng)計顯示，目前全球核電站事故率在2%左右，傷亡人數(shù)遠低于汽車運輸業(yè)和航空業(yè)，遠低于采礦、建筑等行業(yè)。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(fā)電機緊急故障而發(fā)生的事故至少有69起。進入21世紀，清潔高效的氫氣發(fā)揮著重要作用，其他能源也可以轉(zhuǎn)化為易于儲存的氫氣。氫燃料電池是最具發(fā)展前景的新能源之一，具有清潔、高效等優(yōu)點。氫燃料電池是符合零碳排放標準、可直接用于生產(chǎn)生活的清潔可再生能源。氫燃料電池集成后備電源系統(tǒng)技術(shù)先進，操作方便，可實時監(jiān)控設備參數(shù)，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(lǐng)域。氫燃料主要包含陽極、陰極和電解質(zhì)。氫（H2）在陽極發(fā)生受控化學反應，分裂成質(zhì)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(chǎn)生電流。質(zhì)子存在于電解質(zhì)中，從陽極開始并通過質(zhì)子交換膜到達陽極。氧氣（O2）與陰極發(fā)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(jié)合形成質(zhì)子到達陽極并形成水分子（H2O）時將化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，使用氫氣作為發(fā)電燃料的最終產(chǎn)品是不會污染環(huán)境的水。

2核電廠氫電池備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

備用電源系統(tǒng)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(lián)后連接至DC/DC，鋰電池系統(tǒng)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(tǒng)還包括整流器、氫電池輔助配套系統(tǒng)、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(tǒng)規(guī)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(tǒng)采用氫電池、鋰電池、市電組成供電系統(tǒng)。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(tài)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(jīng)過逆變器變換，驅(qū)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(tǒng)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(jié)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(tài)仿真，從仿真結(jié)果可以看出，7種工作模態(tài)均能夠正常工作。

從實際的仿真結(jié)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(jié)果顯示，如果供電系統(tǒng)中存在鋰電池，則系統(tǒng)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(xù)提供大功率。因此市電、鋰電池、氫燃料電池相互配合，構(gòu)成的供電系統(tǒng)，可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，是面向本系統(tǒng)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(tài)轉(zhuǎn)換模式，從仿真結(jié)果可以看出，模態(tài)切換仿真結(jié)果穩(wěn)定，系統(tǒng)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(nèi)工作穩(wěn)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(tǒng)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(yōu)越的供電模式。

4結(jié)論

作為核電站優(yōu)先能源之一，核電站場外備用電源取自相對獨立于主電網(wǎng)的外部電網(wǎng)。異地備用電源系統(tǒng)是不安全系統(tǒng)，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(xiàn)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(fā)電機組作為應急電源是有風險的。此外，柴油發(fā)電機容易出現(xiàn)故障，需要經(jīng)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(tǒng)的各種運行特性，結(jié)果仿真實驗表明氫電池發(fā)電系統(tǒng)核電站可以穩(wěn)定運行。

參考文獻：

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