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(jī)作為備用應(yīng)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(jì)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(chǔ)能技術(shù)與核電廠更長(zhǎng)時(shí)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(shì)相匹配。結(jié)合核電廠應(yīng)急電源的配置需求及應(yīng)用限制條件，分析了氫燃料電池儲(chǔ)能技術(shù)的適用性，并給出了應(yīng)用建議，更換汽油和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，減少噪音和振動(dòng)，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(jì)顯示，目前全球核電站事故率在2%左右，傷亡人數(shù)遠(yuǎn)低于汽車運(yùn)輸業(yè)和航空業(yè)，遠(yuǎn)低于采礦、建筑等行業(yè)。美國(guó)的一份報(bào)告顯示，2003年至2011年間，美國(guó)33座核電站因柴油發(fā)電機(jī)緊急故障而發(fā)生的事故至少有69起。進(jìn)入21世紀(jì)，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(chǔ)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(diǎn)。氫燃料電池是符合零碳排放標(biāo)準(zhǔn)、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(jìn)，操作方便，可實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備參數(shù)，滿足停電后設(shè)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(yīng)用。

1氫燃料電池簡(jiǎn)介

氫燃料電池等燃料廣泛應(yīng)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(jī)等各個(gè)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(xué)反應(yīng)，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(dá)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(dá)陽極。氧氣（O2）與陰極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。燃料電池是一種將化學(xué)能通過外部電路到達(dá)陰極并與被氧分解的電子結(jié)合形成質(zhì)子到達(dá)陽極并形成水分子（H2O）時(shí)將化學(xué)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(huì)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(gè)電堆并聯(lián)后連接至DC/DC，鋰電池系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)為80KWh，在市電市電后、氫電池輸出功率前，下游負(fù)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(shè)備、集中控制單元等設(shè)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(jī)負(fù)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(fù)載部分主要包括三種，電機(jī)負(fù)載如圖2標(biāo)號(hào)7所示，阻性負(fù)載如圖2標(biāo)號(hào)8所示，以及鋰電池在充電的工作模態(tài)作為負(fù)載，如圖2標(biāo)號(hào)4所示。電機(jī)負(fù)載為一個(gè)額定功率75kW的電機(jī)，其工作電壓需要達(dá)到800V左右，因此需要將直流總線420V電壓進(jìn)行升壓變換，然后經(jīng)過逆變器變換，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。阻性負(fù)載直接由逆變器輸出的交流電供電;鋰電池負(fù)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(biāo)號(hào)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(jī)負(fù)載支路、8阻性負(fù)載支路

3.2仿真結(jié)果

對(duì)于市電到負(fù)載、市電到電池、市電到負(fù)載及電池、電池到負(fù)載、燃料電池到負(fù)載、燃料電池到電池、燃料電池到負(fù)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(shí)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(yīng)速度最快，其次是市電，氫燃料電池的響應(yīng)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(yīng)速度會(huì)得到明顯提升。

同時(shí)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(qiáng)，但是供電功率受到自身放電特性影響，放電時(shí)間、電流、最大功率具有一定的局限性。但是氫燃料電池對(duì)于不同負(fù)載的適應(yīng)性更強(qiáng)，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(shì)，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(duì)市電到負(fù)載、市電到電池、市電到負(fù)載及電池、電池到負(fù)載、燃料電池到負(fù)載、燃料電池到電池、燃料電池到負(fù)載及電池，本部分進(jìn)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(shí)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(shí)鋰電池與氫燃料電池組合，為負(fù)載供電的模式下，能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)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(chǎng)外備用電源取自相對(duì)獨(dú)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(yù)防和緩解。當(dāng)電廠失去正常電源和場(chǎng)外主電源時(shí)，切換進(jìn)入，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急有序停堆，增強(qiáng)核電廠縱深防御能力?？捎寐矢?，但僅僅依靠柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源是有風(fēng)險(xiǎn)的。此外，柴油發(fā)電機(jī)容易出現(xiàn)故障，需要經(jīng)常維護(hù)。本文主要討論氫電池備用電源在核電站中的應(yīng)用，仿真實(shí)驗(yàn)表明存在氫氣的燃料電池供電系統(tǒng)的各種運(yùn)行特性，結(jié)果仿真實(shí)驗(yàn)表明氫電池發(fā)電系統(tǒng)核電站可以穩(wěn)定運(yùn)行。

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