氢电池备用电源在核电厂的应用

李健 冯伟岗 杨洁 易蒙

摘要：目前，核电主要厂采用富液式铅酸蓄电池与柴油发电机作为备用应急电源。随着近年来新能源产业的高速发展，氢燃料电池技术在成熟性、可靠性、经济性方面都有较大提升。这些具有更高功率密度、更高能量密度的储能技术与核电厂更长时间的电源保障、更多样性的电源配置需求以及紧凑型的发展趋势相匹配。结合核电厂应急电源的配置需求及应用限制条件，分析了氢燃料电池储能技术的适用性，并给出了应用建议，更换汽油和柴油发动机，减少噪音和振动，减少二氧化碳和其他气体的排放。

关键词：氢燃料电池;后备电源;核电厂

引言

核电作为一种高效、清洁、环保的新能源，在世界范围内发展迅速。统计显示，目前全球核电站事故率在2%左右，伤亡人数远低于汽车运输业和航空业，远低于采矿、建筑等行业。美国的一份报告显示，2003年至2011年间，美国33座核电站因柴油发电机紧急故障而发生的事故至少有69起。进入21世纪，清洁高效的氢气发挥着重要作用，其他能源也可以转化为易于储存的氢气。氢燃料电池是最具发展前景的新能源之一，具有清洁、高效等优点。氢燃料电池是符合零碳排放标准、可直接用于生产生活的清洁可再生能源。氢燃料电池集成后备电源系统技术先进，操作方便，可实时监控设备参数，满足停电后设备的用电需求。本文主要研究分析氢电池备用电源在核电站中的应用。

1氢燃料电池简介

氢燃料电池等燃料广泛应用于电力、交通（公交车、摩托车、自行车）、物流（叉车、卡车、物流车）、船舶（潜艇）、无人机等各个领域。氢燃料主要包含阳极、阴极和电解质。氢（H2）在阳极发生受控化学反应，分裂成质子（核氢、氢+）和电子。电子从阳极开始，通过外电路，最后到达阳极，在外电路中产生电流。质子存在于电解质中，從阳极开始并通过质子交换膜到达阳极。氧气（O2）与阴极发生化学反应。燃料电池是一种将化学能通过外部电路到达阴极并与被氧分解的电子结合形成质子到达阳极并形成水分子（H2O）时将化学能转化为电能的装置，使用氢气作为发电燃料的最终产品是不会污染环境的水。

2核电厂氢电池备用电源系统结构

备用电源系统额定输出功率200KW，额定电压380V，氢电池单电堆选取60KW，5个电堆并联后连接至DC/DC，锂电池系统容量设计为80KWh，在市电市电后、氢电池输出功率前，下游负荷由锂电池带载。另外，备用电源系统还包括整流器、氢电池辅助配套系统、UPS电气设备、集中控制单元等设备。

3核电厂氢燃料电池备用电源仿真

3.1系统规划图

1、燃料电池组6、直流总线

420V

7、电机负载部分

如图1所示，系统采用氢电池、锂电池、市电组成供电系统。负载部分主要包括三种，电机负载如图2标号7所示，阻性负载如图2标号8所示，以及锂电池在充电的工作模态作为负载，如图2标号4所示。电机负载为一个额定功率75kW的电机，其工作电压需要达到800V左右，因此需要将直流总线420V电压进行升压变换，然后经过逆变器变换，驱动电机工作。阻性负载直接由逆变器输出的交流电供电;锂电池负载由直流总线直接供电，并且420V电压可以满足充电要求。系统的仿真模型如图2所示。

图中的标号意义如下：

1氢燃料电池堆、2氢燃料电池升压变换器、3三相市电整流及降压变换器

4锂电池、5锂电池升压变换器、6直流总线、7电机负载支路、8阻性负载支路

3.2仿真结果

对于市电到负载、市电到电池、市电到负载及电池、电池到负载、燃料电池到负载、燃料电池到电池、燃料电池到负载及电池7种模态仿真，从仿真结果可以看出，7种工作模态均能够正常工作。

从实际的仿真结果可以看出，在形成420V直流总线的过程中，锂电池的响应速度最快，其次是市电，氢燃料电池的响应速度最慢，并且仿真结果显示，如果供电系统中存在锂电池，则系统的响应速度会得到明显提升。

同时从氢燃料电池和锂电池的工作特性分析，可以看出，锂电池的供电鲁棒性更强，但是供电功率受到自身放电特性影响，放电时间、电流、最大功率具有一定的局限性。但是氢燃料电池对于不同负载的适应性更强，可以持续提供大功率。因此市电、锂电池、氢燃料电池相互配合，构成的供电系统，可以发挥各自优势，是面向本系统较大功率供电方式下的最佳供电组合方式。

对市电到负载、市电到电池、市电到负载及电池、电池到负载、燃料电池到负载、燃料电池到电池、燃料电池到负载及电池，本部分进行12种模态转换模式，从仿真结果可以看出，模态切换仿真结果稳定，系统工作正常。同时可以看出，氢燃料电池在超过额定功率及在额定功率范围内工作稳定，这种特性符合氢燃料电池的工作特性，同时锂电池与氢燃料电池组合，为负载供电的模式下，能够提高系统的响应速度。因此氢燃料电池与锂电池的组合供电方式，是一种合理且性能优越的供电模式。

4结论

作为核电站优先能源之一，核电站场外备用电源取自相对独立于主电网的外部电网。异地备用电源系统是不安全系统，不参与事故预防和缓解。当电厂失去正常电源和场外主电源时，切换进入，可实现应急有序停堆，增强核电厂纵深防御能力。可用率高，但仅仅依靠柴油发电机组作为应急电源是有风险的。此外，柴油发电机容易出现故障，需要经常维护。本文主要讨论氢电池备用电源在核电站中的应用，仿真实验表明存在氢气的燃料电池供电系统的各种运行特性，结果仿真实验表明氢电池发电系统核电站可以稳定运行。

参考文献：

[1]新一代氢燃料电池技术研发与应用团队[J].中国科学院院刊，2021，36（09）：1092-1093.

[2]王波.核电厂应急电源系统的电气保护分析[J].电工技术，2020（15）：

147-149+152.