超级电容作为核电厂应急柴油发电机组启动期间后备电源的可行性研究

王　晋

超级电容作为核电厂应急柴油发电机组启动期间后备电源的可行性研究

王晋

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电厂应急柴油发电机组随着容量的不断增大，已越来越难以满足应急工况下10 s内快速启动的要求。超级电容作为一项新兴的储能技术，具有传统储能技术不可比拟的短时间内快速放电能力。本文提出了将超级电容作为核电厂应急柴油发电机组启动期间后备中压电源的设计方案，以延缓应急工况下对于应急柴油发电机组快速启动的时间要求，有效提高应急柴油发电机组启动的可靠性。本文从超级电容的容量核算、系统规模、设备布置和经济性方面探讨了该方案的可行性。

超级电容；核电厂；应急柴油发电机组；应急快速启动；后备电源

在核电厂应急供电系统设计中，当应急供电母线失电时，厂内应急柴油发电机组将在收到启动信号后立即启动，并被要求在10 s内快速达到额定转速和额定电压后接入应急供电系统以恢复供电。近年来，随着国内核电机组功率的不断提升，专设安全负荷的增多和容量加大导致了应急柴油发电机组的容量选型不断加大。“华龙一号”核电堆型在研发设计过程中，应急柴油发电机组的额定功率由原来的6 000 kW提高到了8 000 kW。功率的大幅提高，导致应急柴油发电机组已无法满足10 s内快速、可靠启动的要求，需延长到15 s。这一变化意味着反应堆在失电工况下丧失冷却的时间多延长了5 s，最终导致相关系统和设备的安全设计裕量被迫提高，设备成本大幅提高。

超级电容作为一种新兴的储能技术，其功率密度大、响应时间短，充放电电流能达到较大值，只需数十秒就能实现满充和满放。超级电容的响应时间能到达毫秒级，其功率密度可达6～15 kW/kg，为锂电池的100倍以上。因超级电容优异的放电能力，可考虑采用其作为核电厂应急柴油发电机组启动期间的后备中压电源，以延缓应急工况下对于应急柴油发电机组快速启动的时间要求。本文将从容量核算、系统规模、设备布置和经济性方面探讨采用超级电容作为核电厂应急柴油发电机组启动期间后备中压电源的可行性。

1 超级电容性能简介

超级电容又名电化学电容、双电层电容、黄金电容和法拉电容，是一种重要的可充电电化学储能技术。作为一种电化学元件，它以极化电解质来实现储能目的[1]。

超级电容介于电池和传统电容之间，具有特殊性能，借助双电层和氧化还原赝电容电荷实现电能的存储。但是，在电能的存储过程中并不涉及化学反应，且此种电能的存储过程可逆，使得超级电容电容器能够进行数十万次的反复充放电。

超级电容主要由活性材料、电解液、集流体和隔膜组成，通过活性材料/电解液界面的电解液离子的物理吸脱附或者法拉第反应（氧化还原反应）实现电子电荷储能。其中，集流体一般为电化学稳定性好、不易腐蚀和接触阻抗较小的金属。隔膜一方面防止活性物质直接接触，造成短路。另一方面，确保电解液离子通过且阻碍电子流通，后者为其主要作用。一般为较薄（几百微米）、阻抗小且孔隙率高的高分子聚合物。常用的电解液有水系电解液（如H2SO4、KOH等水溶液）、有机电解液和离子液体等。活性材料一般为具有高比表面积的炭材料、导电聚合物和金属氧化物。

超级电容的能量密度是传统电容的几百倍，功率密度是传统电池的2个数量级，弥补了电池功率密度不足的特点。超级电容有充电时间短、放置时间长、长达百万次的循环寿命、免维护以及无污染等特点，被广泛应用于工业、军工和能源等领域[2]。超级电容器和蓄电池的性能比较如表1所示。

表1　超级电容器与锂离子电池及传统电容器的性能比较

超级电容作为后备电源的应用，有良好的工作温度范围，其容量在工作温度范围内基本不会发生变化。相对铅酸电池和锂电池几年需要维护更换来说，超级电容在其寿期内免维护的特点，有效提高了其作为后备电源的稳定性和可靠性。通过新旧超级电容在不同温度下进行测试比对，结果如表2所示。

表2　超级电容模组测试结果

通过表2可以看出，超级电容在寿期始末、不同温度条件下的电性能表现均十分优越，体现出超级电容其功率性能高、大电流充放电表现良好的优势，具备了作为应急柴油发电机组启动期间短时后备中压电源的条件。

2 “华龙一号”应急柴油发电机组启动特性分析

“华龙一号”核电堆型在研发设计初期，仍是维持了M310核电堆型对应急柴油发电机组应急启动时间10 s的要求。但由于对应急柴油发电机组容量需求的增大，导致市场上现有成熟的发电机机型均因转动惯量较大而无法满足10 s快速启动的时间要求。为了尽可能满足快速启动的要求，以利莱森玛发电机有限公司某型号产品为例，对发电机参数进行优化调整。

表3　发电机参数优化调整前后对比表

续表

在保证应急柴油发电机组足够的稳定性和安全性的基础上，对发电机的转动惯量进行了最大幅度的下调。如表3所示，发电机的转动惯量减小至6 748 kg·m2后，发电机的电抗值和电压降均有明显的增大，而机组的启动时间仅能缩短至9～12 s的范围内，仍无法严格满足10 s快速启动的时间要求。因此，在“华龙一号”核电堆型的实际工程设计中，为了保证应急柴油发电机组在应急工况下能够可靠启动，应急柴油发电机组的快速启动时间被迫延长到了15 s，相应地，部分专设安全设备的失电时间将延长5 s，导致系统和设备的安全设计裕量被迫提高，设备成本大幅提高[3]。

3 超级电容作为应急柴油发电机组短时后备电源的可行性

以国内“华龙一号”某核电厂址为例，对采用超级电容作为其厂内应急柴油发电机组应急启动期间短时后备电源方案的可行性进行分析，以使得部分应急负荷能够在应急柴油发电机组应急启动期间不断电继续运行一段时间，以缩短这些应急负荷的失电时间。本厂址应急柴油发电机组额定功率G为8 000 kW。

3.1　超级电容系统容量核算

式中：——负荷裕量系数，取1.2；

通过公式（2）和（3）计算得出超级电容系统容量：

式中：——超级电容需提供的电能；

式中：——超级电容阵列额定电压。

超级电容单体电压一般为2 V，由于阵列电压=1+2+…+U需要将多个超级电容串联，但根据1/=1/1+1/2+…+1/C，超级电容容量将减小，故为了使超级电容阵列组成不至于过于庞大，超级电容需经逆变后再经升压变压器接入某厂址6.6 kV应急中压配电系统中，此处超级电容阵列电压U取220 V。

由公式（3）可得，配置496F的超级电容即可在应急柴油发电机组应急启动期间，满足应急母线上已运行的2 400 kW应急负荷不断电继续运行5 s。

3.2　超级电容系统规模和设备布置

在确定了超级电容系统容量后，需要对其系统规模和设备布置进行核算。以NCC公司的超级电容产品为例，设备参数如表4所示[4]。

表4　超级电容参数表

根据上文确定的超级电容阵列额定电压U为220 V，超级电容单体额定电压为2 V，故阵列纵列需由110个超级电容串联而成，组成的单个电容串容量C0为12.7 F。由此可得，以110×40的阵列形式组成超级电容阵列，阵列容量达到508 F，可满足超级电容容量需求。

式中：——超级电容阵列体积；

——超级电容个体数量，取4 400；

——超级电容个体半径，取0.02 m；

——超级电容个体长度，取0.145 m。

由公式（4）可得，为达到至少496 F的电容容量，超级电容阵列需配置的系统规模是可接受的。在设备布置方面，在考虑了需要额外配置一台升压变压器的基础上，超级电容系统所需的布置空间十分有限。

3.3　超级电容系统的经济性

以NCC公司的超级电容产品为例，该品牌单个超级电容的市场售价约为35元，上文核算需配置4 400个超级电容，金额合计为154 000元。“华龙一号”核电堆型共设有两个应急供电序列，因此需配置两个独立的超级电容阵列。在“华龙一号”核电工程中如采用超级电容作为应急柴油发电机组应急启动期间的短时后备电源，超级电容的采购费用约在30万元左右，但还需核算超级电容控制器、逆变器及0.22/6.6 kV升压变压器等设备费用。此外，超级电容是作为应急工况下应急供电母线上短时的应急后备电源，应执行核安全功能，其相关设备应为核安全级设备。经过核级鉴定的超级电容及相关设备在采购费用上会有一定幅度的增加，但可在一定程度上节约核电厂专设安全设备的成本，具有良好的经济性。

4 结语

超级电容作为一种新兴的储能设备，具有传统储能设备不可比拟的功率密度大、响应时间短等特点。本文从超级电容的容量核算、系统规模、设备布置和经济性方面，探讨了采用超级电容作为核电厂应急柴油发电机组启动期间后备中压电源的可行性，形成主要结论如下：

（1）采用超级电容作为核电厂应急柴油发电机组启动期间的短时后备电源在理论上是可行的，在方案实施阶段还需要充分考虑包括抗震性能试验在内的超级电容产品的核级鉴定以及应急供电系统逻辑功能实现等方面的问题。

（2）通过配置升压变压器合理选择超级电容阵列电压，可将超级电容的系统规模和设备布置空间限定在可接受的范围内。

（3）采用超级电容作为应急工况下短时后备电源，可缩短核电厂专设安全设备的断电时间，从而在一定程度上减小专设安全系统的设计裕量，节约专设安全设备的成本，具有良好的经济性。

［1］ 周献忠. 配电自动化超级电容后备电源应用探讨［J］．湖南电力，2015，35（5）：48-50.

［2］ 韩利群，张维，郭上华. 配电终端应用超级电容探析［J］．供用电，2016，33（6）：68-72.

［3］ 杨发慧，张玉兴，刘荣，等. 12PC2-6B应急柴油发电机组国产化研制［J］．中国核电，2017，10（4）：506-507.

［4］ 杨艺锦. 由超级电容和太阳能构成的燃油汽车电源系统研究［D］．北京：中国地质大学，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 晋（1986—），男，河北辛集人，工程师，硕士，现主要研究方向为电力系统分析运行与控制方面研究