CN111262280B - 一种用于压水堆核电机组一次调频的建模及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于压水堆核电机组一次调频的建模及分析方法，包括：依据核电机组一次调频动作原理，分析一次调频动作过程中参数间的相互影响因素，结合运行机理给出各参数间的模型结构；同时跟据一次调频投用范围，选取典型工作点，进行特性试验，应用试验数据对模型进行参数辨识，建立出典型工作点附近的一次调频动态模型，并通过建立的一次调频动态模型进行仿真分析，评估一次调频性能以及对机组安全性能的影响。与现有技术相比，本发明给出的建模方法具有建模简便、能够更准确的复现实际的运行特性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及压水堆核电机组仿真技术，尤其是涉及一种用于压水堆核电机组一次调频的建模及分析方法。
背景技术
近年来，电网规模不断扩大，加之风电、太阳能等新能源电力不断并入，电网结构发生了很大变化。电网负荷峰谷差逐步增大，频率波动越来越频繁，对并网机组一次调频功能提出了更高的要求。为保证电网的安全稳定，很多火电机组针对一次调频性能特别是大频差性能实施了优化。我国核电机组虽然设计有一次调频功能，但出于对一回路系统(核岛部分)安全性的考虑，机组始终是以基本负荷运行。随着我国核电机组装机容量的不断增多，电网对核电机组参与一次调频的要求越来越迫切。
为评估核电机组一次调频动作时机组的安全性，目前主要应用机理分析法根据设计参数建立核岛及常规岛的机理模型，并在此基础上进行一次调频性能评估。机理建模方法一方面需要深入理解建模对象的运行机理，建模复杂，模型求解困难，特别是核反应堆机理模型，需要大量的公式推导、理论计算，不便于工程实际分析应用；另外，完全采用设计参数的机理模型进行仿真，虽趋势与实际一致，但脱离实际运行数据，不能够完全获得系统的内在特性，仿真结果与实际运行结果间依然存在一定的偏差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于压水堆核电机组一次调频的建模及分析方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于压水堆核电机组一次调频的建模及分析方法，包括：依据核电机组一次调频动作原理，分析一次调频动作过程中参数间的相互影响因素，结合运行机理给出各参数间的模型结构；
同时跟据一次调频投用范围，选取典型工作点，进行特性试验，应用试验数据对模型进行参数辨识，建立出在典型工作点附近的一次调频动态模型，并通过建立的一次调频动态模型进行仿真分析。
优选地，所述的方法具体包括以下步骤：
步骤1，结合一次调频机理，确定影响因素，给出的核电机组一次调频模型简化为两输入和六输出的系统模型；
步骤2，确定模型结构；
步骤3，在一次调频投用范围内，选取典型工况点，进行特性试验，获取特性曲线；
步骤4，运用粒子群辨识算法辨识各子模型参数，最终得到一次调频动态模型；
步骤5，根据得到的一次调频动态模型进行仿真，结合一次调频考核要求，评估一次调频性能以及对核电机组安全性能的影响。。
优选地，所述的两输入为汽机流量指令和功率棒位指令，所述的六输出为机组负荷、主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、轴向功率偏差和冷却剂平均温度。
优选地，一次调频模型分为汽机流量指令特性及棒位指令特性两个典型热力过程，所述的步骤2的模型结构采用多阶惯性加纯迟延的传递函数进行描述，如公式(1)所示：
其中K为增益系数；T1、T2为惯性时间；n1、n2为系统阶次；τ为纯迟延时间。
优选地，所述的步骤3具体为：
结合一次调频投用范围，选取典型工况点进行汽机流量特性及功率棒棒位特性试验，分别获取汽机流量及棒位变化时机组负荷、主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、功率棒棒位、轴向功率偏差、冷却剂平均温度的变化曲线。
优选地，所述的典型工况点为一次调频投用范围内的多个工况。
优选地，所述的步骤4具体为：
运用粒子群辨识算法，对应用公式(1)描述的汽机流量及棒位变化时机组负荷、主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、功率棒棒位、轴向功率偏差、冷却剂平均温度的模型结构进行模型参数辨识，进而得到机组一次调频动态响应模型。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明在分析一次调频动作机理的基础上，确定动作变量及影响因素，并结合热力系统特性给出模型结构。同时通过在典型工作点处进行特性试验，采用粒子群辨识算法对模型结构参数进行辨识，最终得到一次调频动态模型。相对于机理分析法，本发明采用机理加辨识的复合建模的方法，避免了大量的理论推导计算，降低了建模复杂度，同时利用辨识算法对模型参数辨识，保证了模型精度，能够更准确的复现实际的运行特性。
附图说明
图1为核电机组一次调频原理图；
图2为核电机组一次调频模型结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明给出一种适用于压水堆核电机组一次调频简易建模分析方法。依据核电机组一次调频动作原理，分析一次调频动作过程中参数间的相互影响因素，结合运行机理给出各参数间的模型结构；同时跟据一次调频投用范围，选取典型工作点，进行特性试验，应用试验数据对模型进行参数辨识，建立出在典型工作点附近的一次调频动态模型。该方法结构简便，易于工程分析，且依据特性试验数据进行参数辨识，能够更准确反映实际动作情况。具体建模方案如下：
1、结合一次调频机理，确定影响因素。
图1为核电机组一次调频动作原理框图，当电网发生频率偏差时，一次调频负荷指令经PID功率控制器作用至汽机流量指令，快速调节机组负荷，而核岛(一回路)冷却剂平均温度设定值为机组负荷的函数，当机组负荷发生变化后，冷却剂平均温度设定值发生变化，当与实际值的偏差超过死区时，功率调节棒以一定速率上升或下降调节反应堆功率，进而实现反应堆功率对汽轮机负荷的跟踪。在这一过程中，机组负荷、主蒸汽压力、冷却剂平均温度及轴向功率偏差均会随之波动。同时冷却剂平均温度的波动，会影响稳压器压力及液位的变化。另外，由于一次调频动作过程迅速持续时间短暂，与核反应相关的硼酸浓度、冷却剂流量等参数基本不发生变化。结合实际运行情况，主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、功率棒棒位、轴向功率偏差、冷却剂平均温度为监视机组安全的主要参数。因此本发明给出的核电机组一次调频模型可简化为两输入(汽机流量指令、功率棒位指令)、六输出(机组负荷、主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、轴向功率偏差、冷却剂平均温度)系统模型。
2、确定模型结构。
对于热力系统通常采用以整数阶传递函数模型的集中参数描述。本发明一次调频模型分为汽机流量指令特性及棒位指令特性两个典型热力过程，其模型结构可采用多阶惯性加纯迟延的传递函数进行描述，如式1所示：
另外需指出的是，汽机流量指令至机组负荷模型将依据高低压缸分布及流量分配情况分别进行建模。
3、进行特性试验，获取特性曲线。
结合一次调频投用范围，选取典型工况点(可多个)进行汽机流量特性及功率棒棒位特性试验，分别获取汽机流量及棒位变化时机组负荷、主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、功率棒棒位、轴向功率偏差、冷却剂平均温度的变化曲线。
4、辨识各子模型参数。
运用粒子群、蚁群等辨识方法，对应用公式1描述的汽机流量及棒位变化时机组负荷、主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、功率棒棒位、轴向功率偏差、冷却剂平均温度的模型结构进行模型参数辨识，进而得到机组一次调频动态响应模型。
具体实施例
以国内某额定负荷(电功率)Pe＝650MW压水堆核电机组为例，该机组汽轮机配置有1个高压缸，3个低压缸，高低压缸通流量比为0.3148/0.2284。按照电网考核要求，机组一次调频投用范围要求在80％～100％P。负荷(P0为额定核功率)范围内，调频死区为±0.067Hz,最大一次调频动作量要求为3％Pe＝19.8MW。
本例中，选取80％P0、90％P0、97％P0作为典型工况点进行特性试验，限于篇幅，仅选取90％P0工况进行说明。在该工况下，分别进行汽机流量指令±1％以及棒位±3步的扰动试验，获取机组负荷、主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、轴向功率偏差、冷却剂平均温六组变量特性曲线。
结合公式(1)，采用粒子群辨识算法分别对汽机流量指令扰动及棒位扰动下对机组负荷、主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、轴向功率偏差、冷却剂平均温响应曲线进行辨识，辨识结果如表1所示，其中表1为90％P0负荷下机组一次调频模型参数：
表1
整体模型结构如图2所示：
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种用于压水堆核电机组一次调频的建模及分析方法，其特征在于，包括：依据核电机组一次调频动作原理，分析一次调频动作过程中主要参数间的相互影响因素，结合运行机理给出各参数间的模型结构；
同时跟据一次调频投用范围，选取典型工作点，进行特性试验，应用试验数据对模型进行参数辨识，建立出在典型工作点附近的一次调频动态模型，并通过建立的一次调频动态模型进行仿真分析；
所述的方法具体包括以下步骤：
步骤1，结合一次调频机理，确定影响因素，给出的核电机组一次调频模型简化为两输入和六输出的系统模型；
步骤2，确定模型结构；
步骤3，在一次调频投用范围内，选取典型工况点进行特性试验，获取特性曲线；
步骤4，运用粒子群辨识算法辨识各子模型参数，最终得到一次调频动态模型；
步骤5，根据得到的一次调频动态模型进行仿真，结合一次调频考核要求，评估一次调频性能以及对核电机组安全性能的影响；
所述的两输入为汽机流量指令和功率棒位指令，所述的六输出为机组负荷、主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、轴向功率偏差和冷却剂平均温度；
一次调频模型分为汽机流量指令特性及棒位指令特性两个典型热力过程，所述的步骤2的模型结构采用多阶惯性加纯迟延的传递函数进行描述，如公式(1)所示：
其中K为增益系数；T1、T2为惯性时间；n1、n2为系统阶次；τ为纯迟延时间。
2.根据权利要求1所述的一种用于压水堆核电机组一次调频的建模及分析方法，其特征在于，所述的步骤3具体为：
结合一次调频投用范围，选取典型工况点进行汽机流量特性及功率棒棒位特性试验，分别获取汽机流量及棒位变化时机组负荷、主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、功率棒棒位、轴向功率偏差、冷却剂平均温度的变化曲线。
3.根据权利要求2所述的一种用于压水堆核电机组一次调频的建模及分析方法，其特征在于，所述的典型工况点为一次调频投用范围内的多个工况。
4.根据权利要求1所述的一种用于压水堆核电机组一次调频的建模及分析方法，其特征在于，所述的步骤4具体为：
运用粒子群辨识算法，对应用公式(1)描述的汽机流量及棒位变化时机组负荷、主蒸汽压力、稳压器压力、稳压器液位、功率棒棒位、轴向功率偏差、冷却剂平均温度的模型结构进行模型参数辨识，进而得到机组一次调频动态响应模型。
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