（电力系统及其自动化专业论文）核电站与抽水蓄能电站的数学建模及联合运行研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 学模块、堆芯热力学模块、蒸汽发生器模块、冷却剂泵、反应堆功率控制模块， 用传递函数框图表示，可对每个模块单独调试修改，增加了该模型的直观性和可 移植性。通过与p s s e 的接口，可进行单机或多机大型电力系统的联合仿真。 ( 2 ) 在建立的压水堆核电站详细数学模型的基础上，对压水堆核电站各个模 块进行了仿真分析，验证了模型的正确性，分析了核电站各个模块的响应特性。 以单机无穷大系统和江苏电网为例，分析了核电站与电力系统间的相互影响。 ( 3 ) 利用p s s e 的用户自定义模型，建立了常规水电站和抽水蓄能电站详细 模型，可以仿真不同工况点、不同输水系统下、工况转换或大扰动时水电站和抽 水蓄能电站的动态特性。其中水轮机模型包括简化非线性解析模型，基于模型综 合特性曲线的线性化模型，基于内特性解析方程的线性化模型，可逆水轮机改进 s u t e r 曲线模型；输水管道模型包括单管刚性水击模型，单管弹性水击模型和 复杂输水管道自动建模模型。复杂输水管道自动建模模型是以基于特征线方程的 弹性水击模型为基础，对主要部件如调压井、岔管、转轮边界等模型与管系的连 接引入了控制节点和计算节点，可对各种形式的复杂输水系统实现自动建模。该 模型详细描述了复杂输水系统的动态特性，考虑了管壁和水流的弹性影响，计及 了复杂管道之间的耦合作用，可计算不同的复杂输水系统而无需重新编程，减少 了工作量，增加了程序的灵活性和可移植性。 ( 4 ) 在建立的常规水电站和抽水蓄能电站详细模型的基础上，对不同水轮机 模型，不同输水管道模型对于电力系统暂态分析和小扰动分析的影响和适用范围 进行了对比研究。 ( 5 ) 介绍了核电站和抽水蓄能电站的联合规划和运行情况，提出了一种实现 抽水蓄能机组与火电机组短期联合优化运行的方法，并采用p s s e 的o p f 模块 和i p l a n 接口语言实现。该方法考虑了网络损耗和抽水蓄能电站的工况特性， 与常规扩展等微增率法和随机生产模拟进行了比较，结果表明所采用的方法是有 效的，可用于大型电力系统的水火电联合优化调度。 关键词：电力系统，核电站，抽水蓄能电站，建模，中长期稳定，电源规划，联 合优化运行 浙江大学博士学位论文摘要 n u c l e a rp o w e rp l a n ta n dp u m p e d s t o r a g es t a t i o n m o d e l l i n ga n dc o o r d i n a t e do p e r a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m y , t h ep o w e rd e m a n di si n c r e a s i n ga n dt h ee n e r g yi sr e l a t i v e l y i ns h o r t a g e n u c l e a rp o w e ri sc l e a ra n de c o n o m i cm o d e me n e r g yt h a tc a nr e p l a c et h et r a d i t i o n a l e n e r g yi nl a r g es c a l ea n di sn o tr e s t r i c t e db yr e g i o n s t h el a r g ec a p a c i t ys u p e r c r i t i e a lt h e r m a lu n i t s a n dn u c l e a ru n i t sa i rp u ti n t oo p e r a t i o ni no r d e rt os a v ee n e r g ya n dd e c r e a s et h ee l l c l 苫yt r a n s p o r t e x p e n s e s i nc h i n a , t h en u c l e a rp o w e rp l a n t sw i l lk e e po ni n c r e a s i n gi nt h en e x t2 0y e a r s o nt h e o t h e rh a n d ，t h ep e a k - v a l l e yd i f f e r e n c eo fp o w e rs y s t e mi si n c r e a s i n g , t h u st h er e g u l a t i o no fp e a k l o a di sb e c o m i n gm o r aa n dm o r ei m p o r t a n t h o w e v e r , i np r a c t i c a le n g i n e e r i n g , t h el a r g ec a p a c i t y t h e r m a lu n i t sa n dn u c l e a ru n i t sc a l lo n l yr u nw i t h b a s el o a da n dm i d d l el o a db e c a u s eo ft h e m i n i m u mp o w e ro u t p u tc o n s t r a i n t s t h em e d i u m - a n ds m a l l - s i z e dt h e r m a lu n i t sa n dt h eh y d r a u l i c u n i t so f t e nr u nw i t hp e a kl o a d , b u tt h ee c o n o m i cb e n e f i tl e v e la n dt h ee f f i c i e n c ya r er e l a t i v e l yl o w t h ep u m p e ds t o r a g es t a t i o n sc a ns h i f tt h ep e a kl o a da n d6 t h ev a l l e yl o a da n df o l l o wo rb a c k u p l o a d t h ep u m p e ds t o r a g es t a t i o n sw i l li n c r e a s ei no r d e rt os e t t l ew i t ht h er e g u l a t i n gp e a kl o a da n d i m p r o v et h ee c o n o m ya n dr e l i a b i l i t yo f p o w e rs y s t e m t h u st h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo f t h ew h o l e p o w e rs y s t e m b ei m p r o v e d u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e ，t h ep o w e rs y s t e ms e c u r i t yi sm o r ec o m p l i c a t e d t h ep o w e rs y s t e m t r a n s i e n ta n a l y s i s ，t h em e d i u m - t e r ma n dl o n g - t e r ms t a b i l i t ya n a l y s i sa r ea l lc o n s i d e r e d i np o w e r s y s t e mt r a n s i e n ta n a l y s i s ，t h es t e a mt u r b i n e ，t h eh y d r ot u r b i n e ，t h eg o v e r n o r , t h ee x c i t e ds y s t e m a mm o d e l e d ，b u tt h eb o i l e r , t h er e a c t o ro ft h en u c l e a rp o w e rp l a n t s ，a n dt h eh y d r a u l i cs y s t e ma r e n o tm o d e l e d a sw ek n o w , t h ed y n a m i cb e h a v i o r sh a v e g r e a te f f e c t s 0 1 1p o w e rs y s t e m m e d i u m - t e r ma n dl o n g - t e r ms t a b i l i t ya n a l y s i s f o re x a m p l e ，t h en u c l e a rp o w e ru n i tm a ys t o p r u n n i n gb e c a u s eo ft h ea f f i l i a t e df a c i l i t yf a i l u r e sd u e t ov o l t a g ea n df r e q u e n c yp r o b l e m s i n p u m p e ds t o r a g es t a t i o nt h eh a m m e ra n df r e q u e n c yo s c i l l a t i o no f t h ec o n d u i ts y s t e mh a v en e g a t i v e e f f e c t0 1 1t h eg o v e r n o r , a n dt h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t yw i l la l s ob ei n f l u e n c e d t h u si ti sn e c e s s a r y t os t u d y t h ed e t a i l m o d e l s o f t h e n u c l e a r p o w e r p l a n t s a n d t h e p u m p e ds t o r a g es t a t i o n s a n d a n a l y z e t h em l u t l a la c t i o no f p o w e rs y s t e ma n dp o w e rs t a t i o n s t h ep u m p e ds t o r a g es t a t i o no f i c i lu n i t e dr u nw i t ht h en u c l e a rp o w e rs t a t i o n si no r d e rt oi m p r o v e t h es y s t e me c o n o m i cl e v e la n ds e c u r i t y t h ec a p a c i t yp r o p o r t i o no f t h en u c l e a rp o w e rs t a t i o n sa n d i 浙江大学博士学位论文 摘要 t h ep u m p e ds t o r a g es t a t i o n ss h o u l db ed e t e r m i n e db a s e do nt h eo p t i m a lc a l c u l a t i o na n dn o tb y e x p e r i e n c e i ti sa l s on e c e s s a r yt os t u d yc o o r d i n a t e do p e r a t i o no f t h en u c l e a rp o w e rp l a n t sa n dt h e p u m p e ds t o r a g es t a t i o n si no r d e r t oe n s u r et h a tt h ep o w e rs y s t e mn l os a f e l ya n de c o n o m i c a l l y t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h o s eu n s o l v e dp r o b l e m st o g e t h e rw i t hm o d e l l i n ga n dt h ec o o r d i n a t i o n o p e r a t i o no fn u c l e a rp o w e rp l a n ta n dp u m p e ds t o r a g es t a t i o n t h e ns o m ee f f e a t i v es t r a t e g i e sa r e p r o p o s e dt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m s t h o s en o v e ls t r a t e g i e sa r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) ad e t a i l e dp r e s s u r i z e dw a t e rr e a c t o r ( p w r ) n u c l e a ru n i tm o d a lf o rp o w e rs y s t e ma n a l y s i si s p r o p o s e db y p s s em a t l a b - s i m u l i n ki n t e r f a c e t h i sm o d e li sa p p l i e dt ot h ee x a m p l eo f t i a n w a nn u c l e a rp o w e rs t a t i o n t h em o d e li n c l u d e st h er e a c t o rn e u r o nd y n a m i c sm o d u l e ，t h e r e a g t o rt h e r m a ld y n a m i c sm o d u l e ，t h es t e a mg e n e r a t o rd y n a m i c sm o d u l e ，t h er e a c t o rp o w e r c o n t r o ls y s t e mm o d u l ea n dt h ec o o l a n tp u m pi n t e g r a t e dp a r a m e t e rm o d u l e e a c hm o d u l ec a l lb e r e v i s e da n dd e b u g g e dv e r ye a s i l y , f o rt h el l s e ro n l yn e e d st om o d i f yt h em a t l a bt r a n s f e rf u n c t i o n d i a g r a mo fc e r t a i nm o d u l ei fn e e d e d b a s e do np s s e t h i sm o d e l 咖b eu s e df o ru n i t e d s i m u l a t i o nw i t hs i n g l eu n i to rt h eb u l kp o w e rs y s t e m ( 2 ) b a s e do nt h i sd e t a i l e dn u c l e a rp o w e rp l a n tm o d e l ，e a c hm o d u l eo ft h en u c l e a rp o w e rp l a n t m o d e li ss i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t se n s u r et h em o d e l sv a l i d i t y t h er e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c so fe a c hm o d u l ei sa l s os t u d i e d t h e nt h er e s p o n s eo fn u c l e a rp o w e rp l a n tt ot h e d i s t u r b a n c eo fp o w e rg r i di ss i m u l a t e da n da n a l y z e dt h r o u g ht w oe x a m p l e s ：o n ei st h es i n g l eu n i t i n f i n i t es y s t e ma n dt h eo t h e ri st h ej i a n g x up r o v i n c ep o w e r 鲥d ( 3 ) t h ed e t a i l e dp u m p e ds t o r a g es t a t i o nm o d e la n dh y d r op o w e rs t a t i o nm o d e la r ee s t a b l i s h e d b a s e do nt h ep s s eu s o r - w r i t t e nm o d e l t h eh y d r ot u r b i n em o d e l si n c l u d et h en o n l i n e a ra n a l y t i c a l h y d r ot u r b i n em o d e l ，t h el i n e s d z e dm o d e lb a s e do nt h ep r o t o t y p ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h el i n e a r i z e d m o d e lb a s e do nt h ei n t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c s , a n dt h ei m p r o v e ds u t e rt r a n s f o n nc h a r a c t e f i s t i c s m o d e l t h ec o n d u i ts y s t e mm o d e l si n c l u d et h es i n g l ec o n d u i tr i g i dh a m m e rm o d e l ，t h es i n g l e c o n d u i te l a s t i ch a m n e rm o d e la n dt h ec o m p l e xc o n d u i ts y s t e ma u t o - m o d e l l i n gm o d e l c o m p l e x c o n d u i ts y s t e ma u t o - m o d e l l i n gm o d e li sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cm e t h o dc o m b i n i n gw i t h n u m b e r i n gt h ec o n d u i ts y s t e ma c c o r d i n gt o i t st o p o l o g i c a ls f f u c t u r e t h em o d e ld e s c r i b e s t h e d y n a m i cb e h a v i o ro ft h ec o m p l e xc o n d u i ts y s t e m ，t h ee l a s t i ce f f e c to fp i p ew a l la n dw a t e ra n dt h e i n t e r a c t i o no ft h ec o m p l e xc o n d u i ts y s t e m t h u si tc a l lb ea p p l i e dl oa n yc o m p l e xc o n d u i ts y s t e m w i t h o u tr e c o d i n gf o rd i f f e r e n tc o n d u i ts y s t e m s t h u st h ef l e x i b i l i t ya n dt h ep o r t a b i l i t yo ft h e m o d e la m g r e a t l yi n c r e a s e d ( 4 ) b a s e do nt h ed e t a i l e dp u m p e ds t o r a g es t a t i o nm o d e la n dh y d r op o w e rs t a t i o nm o d e l ，t h e e f f e c to fd i f f e r e n th y d r ot u r b i n em o d e la n dd i f f e r e n tc o n d u i ts y s t e mm o d e lo np o w e rs y s t e m a n a l y s i sa n ds m a l ld i s t u r b a n c ea n a l y s i sa l es t u d i e db yc o m p a r a t i v em e t h o d 1 v 浙江大学博士学位论文摘要 ( 5 ) t h ep l a n n i n ga n do p e r a t i o no f t h en u c l e a rp o w e rp l a n t sa n dt h ep u m p e ds t o r a g es t a t i o n sm i n t r o d u c e d ao g wo p t i m a lo p e r a t i o ns c h e d u l i n gm e t h o do ft h ep u m p e ds t o r a g es t a t i o nw i t l lt h e t h e r m a lp o w e rs t a t i o ni sp r o p o s e db a s e do np s s eo p fa n di p l a n t h i sm e t h o dc o n s i d e r st h e l r a n s m i s s i o nl o s s e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h ep u m p e ds t o r a g es t a t i o n sa tt h es a m et i m e s i m u l a t i o n r e s u l t sb a s e do nt h ep r o p o s e dm e t h o da n dt h em e t h o do fp r o b a b i l i s t i cp r o d u c t i o ns i m u l a t i o na r e c o m p m e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sv a l i da n dc a l lb eu s e di nt h eh y d r o t h e r m a l c o o r d i n a t i o no p t i m a lo p e r a t i o ns c h e d u l i n go fb u l kp o w e rs y s t e m w o r k sd o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o n a r ep a r t i c u l a r l yv a l u a b l ef o rl a t e rp l a n n i n ga n do p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m k e y w o r t l s ：p o w e rs y s t e m ；n u c l e a rp o w e rp l a n t ；p u m p e ds t o r a g es t a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ； e x t e n d e dt e r ms t a b i l i t y ；p o w e rp l a n n i n g ；c o o r d i n a t e do p e r a t i o n v 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 能源是社会经济发展的基础。目前我国的能源结构是以煤、石油、天然气为 主，都是非再生能源，储存量会越来越少，而且会对生态环境造成较大的污染。 我国的能源分布也不平衡，水力资源主要集中在西南部地区，煤炭资源主要集中 在山西、陕西和内蒙地区，而能源消耗地区主要分布在东部经济发达地区。南水 北调、西煤东运、北煤南运是长期以来困扰我国经济建设的重要问题之一【1 】。与 其他能源相比，虽然核电站建设投资较大，效益回收较慢，存在辐射等潜在的危 险，但核能是可大规模替代常规能源的可再生能源，既清洁又经济，而且不受地 域的限制。核能燃料价格便宜，可重复使用1 2 。综合考虑，为了节约能源和减少 能源的运输费用，我国核电机组在未来二十年将有较大的增长【2 训。 随着经济的发展和产业结构的调整，各电网负荷峰谷差不断增大，电网调峰 问题日益突出。而高参数、大容量的火电机组和核电机组，由于自身的运行条件 和经济性，只能带基荷和少量腰荷。一些中小型火电机组和水电机组承担起调峰 的任务，由于受季节性影响较大，效率偏低，经济性较差。抽水蓄能电站能够削 峰填谷，提高火电设备利用率和运行效率，而且还可以进行负荷跟踪或作为旋转 备用。为了解决峰谷差日益增大和调峰困难等问题，提高整个电力系统的安全性 和经济性，抽水蓄能电站将大量投入运行1 5 。】。另外，抽水蓄能电站常常与燃煤 机组或核电机组配合运行，可使这些热力机组都能在额定功率或较高出力下稳定 运行，提高了核电机组的安全性和适应负荷的波动变化的能力，实现了较高的运 行效率1 5 用。如广州抽水蓄能电站是为大亚湾核电站安全、经济运行而配套建设 的电站。 到2 0 0 5 年底，我国电力系统总装机容量为5 亿k w 左右，其中核电机组装 机容量为9 0 0 万k w ，占2 左右，抽水蓄能电站装机容量为6 4 2 万k w ，占1 2 。到2 0 2 0 年，我国系统总装机容量将为9 亿k w ，其中核电机组装机容量为 4 0 0 0 万k w ，占4 左右，抽水蓄能电站装机容量为5 0 0 0 万k w ，占5 左右1 3 1 1 引。 可见，核电站和抽水蓄能电站在电力系统中的比重将有较大的增长。 我们认为系统的暂态稳定问题是由于故障后的几秒种内发电机组失去同步 所引起的。因此，电力系统暂态仿真软件计及汽轮机、水轮机、调速器、励磁调 节系统、发电机模型，没有模拟核电站反应堆、锅炉、水力系统、电站保护等模 浙江大学博士学位论文第】章绪论 型，认为电站蒸汽压力或温度等是恒定的。随着远距离输电系统和互联系统的形 成，以及大型核电站、火电站和抽水蓄能电站的投入运行，电力系统的安全稳定 问题日趋复杂。发生大事故时持续时间很长，此时要求仿真时间很长，超过几十 秒，甚至几个小时。在这么长的仿真时间内，电站中反应堆、锅炉、水力系统的 慢动态行为会对系统稳定结果产生较大的影响，需要比较详细的模型来模拟【9 1 。 另一方面，系统故障情况下，系统发电和负荷严重不平衡，可能使得系统频率和 电压超过允许的范围，系统或机组的保护装置可能动作，导致连锁故障发生，甚 至导致系统解列，系统需要重新黑启动和恢复。在系统连锁故障或系统恢复的动 态过程里，电站保护动作和电站的慢动态行为应该计及，而这些慢动态行为在暂 态稳定中被忽略f l o l 。电力系统常常发生连锁故障的事故，例如，2 0 0 3 年8 月1 4 日，美国东北部、中西部和加拿大东部联合电网发生大停电就是简单故障引发的 连锁故障。如果能够采用适合于电力系统中长期稳定分析的电站或保护模型，来 模拟连锁故障，就可以预先找出系统的薄弱点，并设定好相应的应对措施。 核电站在电力系统中常常带基荷运行，但实际上核电站一般具有适应系统负 荷变化的能力，至少具有1 0 功率阶跃增加能力和5 每分钟持续升功率的能 力，可以满足变化速率要求较慢的负荷跟踪运行p 】。在电网故障的情况下，核电 站可能由于某些参数超过设计限值导致停机，而不是由于转子失稳导致停机。目 前在电力系统分析中常常采用恒功率模型来模拟核电站，对于故障时参数越限停 机和负荷跟踪运行等情况都无法模拟。抽水蓄能电站常常在抽水工况和发电工况 等多种工况之间切换，工况之间的切换过程、抽水工况时的断电等动态过程不能 用理想水轮机模型来模拟。抽水蓄能电站中的水击作用对于调速器的动作有反作 用，而且输水管道很容易发生频率振荡，可能造成电力系统不稳定。因此，有必 要详细模拟核电站和抽水蓄能电站，分析和研究核电站、抽水蓄能电站与电力系 统间的相互影响，以及相关的电力系统中长期稳定问题。详细的核电站和抽水蓄 能电站模型也有利于电站控制策略和参数的确定。 除了系统安全稳定性的要求，还要使整个电力系统灵活、安全、经济可靠运 行，因此有必要研究水火核电联合优化运行。核电站在运行中常常带基荷运行， 可以看作不可调节的电站，在优化运行中可以认为带固定负荷；而火电站和水电 站的短期联合优化运行，一般包括系统负荷需求、旋转备用，机组出力特性的非 线性，机组开停机频率与持续时间，流量、出力和蓄水约束等，是一个大规模、 混合整数、非线性多时段优化问题，要求解这些问题极具挑战性i l “】。另外，在 水火电联合优化调度中，如何考虑发电机等设备的可靠性因素也是一个值得研究 的问题。尽管国际上有许多相关理论研究，但与实际工程应用还存在很大的距离。 目前国内水火电联合优化调度的自动化程度不高，缺乏应用软件，甚至依靠调度 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 员的经验来进行调度。尤其是对于抽水蓄能电站与火电站的联合优化运行研究较 少，没有考虑四象限工况特性和变号等问题。系统中核电站和抽水蓄能电站的容 量比例如何应该作更详细、更准确的规划，以避免资源的浪费。因此，研究适合 于大型电力系统的水火核电联合优化运行是很有必要的。 1 2 适合于电力系统分析的核电站模型 1 2 1 核电站发展概况 核电作为一种新的能源，只有五十几年的历史。1 9 5 1 年1 2 月2 0 日美国“增 殖一号快堆生产的高温蒸汽带动发电机发出了2 0 0 千瓦的电，这是人类第一次 利用核能发电。当然，这只是试验性的发电。世界上第一座核电站是由苏联于1 9 5 4 年6 月2 7 日建成和并网发电的奥伯宁斯克核电站，其电功率为5 0 0 0 千瓦。从此核 电站便在世界各地蓬勃发展起来。五十年代只有苏、美、英三国建成核电站，到 六十年代则增加n 8 个国家。六十年代初，世界核电装机容量仅为8 5 万千瓦，到 了七十年代初便上升到1 8 9 2 7 万千瓦。1 9 7 6 年世界核电装机容量突破l 亿千瓦。 到了1 9 9 8 年底，世界上已有3 2 个国家和地区相继建成了4 3 7 座核电站，装机容量 约为3 6 亿千瓦。计划建造的还有1 0 0 余座，总计6 0 0 座核电站，全部建成后装机 容量可达5 亿千瓦，发电量约占当时世界发电总量的2 0 左右。总的来讲，在多 数工业发达国家中核电的比重不断增长。1 9 9 8 年，核电比例超过5 0 的有法国 ( 7 7 7 ) 、比利时( 5 9 3 ) 和瑞典( 5 1 6 ) ，韩国、匈牙利接近5 0 。但 从核电的总量来说，美国仍然是第一核电大国，运行的核电站堆数为1 0 9 个，装 机容量占全世界的三分之一。其次是法国、前苏联、日本和德国。核电机组有压 水堆、沸水堆、压管式重水堆、气冷堆、石墨水冷堆、快中子堆等几种主要类型， 其中压水堆核电机组占较大比重。据国际原子能机构2 0 0 3 年统计，压水堆有2 6 3 台，占5 9 7 ，沸水堆有9 2 台，占2 0 9 1 3 】【l ”。 我国核电起步较晚，1 9 9 1 年1 2 月，我国第一座自行设计的3 0 万千瓦秦山核电 站并网发电，第二座引进的两套9 0 万千瓦大亚湾核电站1 9 9 4 年2 月和5 月分别投入 运行。目前核电总装机容量为9 0 0 万千瓦，占全国总发电量的2 左右。在浙江、 广东两省，核发电量均超过本省总发电量的1 3 。截止到2 0 0 4 年底，我国已经运 行和在建的核电站有秦山、大亚湾、岭澳、田湾等，如表1 1 所示1 3 1 1 幡1 8 1 。 表1 1 为我国已经运行和在建的核电站。 浙江大学博士学位论文 第】章绪论 表1 1 我国已经运行和在建的核电站 t a b l e1 - lt h en u c l e a rp o w e rp l a n t si no p e r a t i o no ru n d e rc o n s t r u c t i o ni nc h i n a 名称类型状态 地点 功率( m w ) 秦山一期压水堆运行 浙江 3 0 0 大亚湾1压水堆运行广东9 0 0 大亚湾2 压水堆运行广东9 0 0 秦山二期l压水堆运行 浙江 6 0 0 岭澳1压水堆运行广东1 0 0 0 秦山三期l重水堆运行 浙江 7 0 0 岭澳2压水堆运行广东1 0 0 0 秦山三期2重水堆运行浙江7 0 0 秦山二期2压水堆运行浙江6 0 0 田湾1压水堆在建江苏1 0 0 0 田湾2压水堆 在建 江苏1 0 0 0 岭澳二期1压水堆在建广东l o o o 岭澳二期2压水堆在建广东1 0 0 0 三门压水堆规划 浙江6 0 0 0 阳江 压水堆规划 广东 6 0 0 0 1 2 2 适合于电力系统分析的核电站模型研究现状 随着核电站在电力系统的比重日益增加，核电站仿真开始被广泛研究，主要 集中在两个方面，一是核电站仿真机的研究，一是适用电力系统分析的核电站建 模研究。 1 9 5 9 年，英国中央发电局( c e n t r a le l e c t r i c i t yg e n e r a t i n gb o a r d ) 为了培训运行 人员建立了第一台核电仿真机，是由e l l i o t s 公司建造的。到1 9 6 6 年又安装了第 二台核电仿真机，是由r e d i f o n 公司研制的。这两台核电仿真机的数学模型相 对都比较简单，前者基于集中参数模型来仿真通用反应堆系统。1 9 6 8 年，日本原 子能研究所开发了日本第一台核电仿真机，采用的是数组一模拟混合式计算机， 包括一台数字式仿真机和两台模拟式计算机，用于核安全分析和从临界计算到额 定功率运行的培训机，但不能进行事故仿真。1 9 6 8 年，美国g e n e r a le l e c t r i e 公司 建成了核电培训仿真中心，建造了第一台沸水堆培训用的仿真机。1 9 7 0 年，b & w 4 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 公司建立了美国第二个核电仿真培训中心，开发了一台全范围沸水堆仿真机。 1 9 7 2 年，w e s t i n g h o u s ee l e c t r i cl n c 自己设计和开发了第一台压水堆核电仿真机。 1 9 9 5 年，我国自行研制了秦山核电站3 0 0 m w 机组全范围仿真机【】9 1 。田湾核电站 采用了西门子公司的田湾核电站仿真机1 2 0 j 。现在世界上核电站仿真机已经比较完 善，但还存在一些问题。1 9 7 9 年，美国三涅岛核电站发生核泄漏事件主要原因是 由于仿真机数学模型的不规范导致操作员没有及时处理事故引起的。事故是由凝 结水流量丧失开始的，导致反应堆一回路温度和压力上升。8 秒后，反应堆一回 路压力达到紧急停堆整定值而自动紧急停堆，稳压器泄压阀达到整定值应该关闭 却没关闭，一回路冷却剂向外泄漏，发生小破口失水事故。1 9 8 6 年，前苏联切尔 贝利核电站发生了核电历史上最严重的核事故。事故发生在进行汽轮机发电机实 验计划的时候，实验目的是研究汽轮机发电机中断蒸汽供应时，利用转子惰转动 能是否能满足该机组本身电力的可能性。试验开始不久后，反应堆功率开始急剧 上升，发生功率瞬变，4 秒内就增大到满功率的1 0 0 倍，引起蒸汽爆炸，反应堆堆 芯、反应堆厂房和汽轮机厂房被摧毁，大量放射性物质释放到大气【18 】。如果实验 前能够作比较准确的数学模拟，应该可以避免事故的发生。 相比较核电站仿真机的研究，适用电力系统分析的核电站模型研究落后很 多。在电力系统暂态稳定分析中，核电站常常采用恒功率模型。随着电力系统中 长期稳定问题的提出，核电站适合于电力系统中长期稳定分析的详细模型开始被 研究。由于在整个电力系统中发电机台数众多，如果和核电站仿真机一样，采用 阶数过高的电站模型会导致计算速度太慢，因此适合于电力系统中长期稳定分析 的核电站详细模型还需要在阶数和计算方法上进一步研究。1 9 8 3 年，美国的 e p r i ( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 研究了核电站的低阶和高阶模型，其中包 括反应堆中子动态过程和热传递过程、热段和冷段热传递过程、稳压器、蒸汽发 生器、反应堆控制系统、压力控制系统、反馈水控制系统，并对高阶模型和低阶 模型进行了对比验证1 2 1 1 。1 9 8 8 年，日本的c r i e p i ( c e n t r a lr e s e a r c hi n s t i t u t eo f e l e c t r i c p o w e r i n d u s t r y ) 提出了一种适合电力系统分析的轻水堆核电站模型，其中 包括调速器的快关装置、截止阀、旁通阀、停堆保护等模型田j 。1 9 9 5 年，e p r i 和日本的c r i e p i 联合提出了适合于电力系统的中长期稳定分析的核电站详细模 型，增加了大量核保护和汽轮机保护等与核电站停机相关的模型，其中包括发电 机调速系统和旁路调节系统、汽轮机反馈水系统、汽轮机控制系统如快关装置、 反应堆和反应堆控制系统、稳压器及水位和压力控制系统、蒸汽发生器及反馈水 控制系统、核保护系统如高中子通量保护、高中子流量保护、超温超功率保护、 低频低电压保护等i 刀】。我国适合于电力系统中长期稳定的核电站详细模型的研究 比国外晚很多。1 9 9 2 年电力科学研究院和苏州热工研究所联合进行了大亚湾核电 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 站对电力系统安全稳定运行影响的研究，建立了大亚湾核电站模型1 批2 6 1 ，其中核 岛模型主要是借鉴【2 1 】的模型，二回路系统模型相对比较详细，包括了汽轮机调 节系统和汽轮机调速系统的快关装置、高压控制阀和高压蒸汽汽室、高压缸、汽 水分离再热器、低压调节阀和低压蒸汽汽室、汽轮机低压缸、回热加热系统等。 【2 7 在中长期稳定仿真分析软件中考虑了核电站的详细模型，但模型相对比较简 单。 核电站对电力系统的影响主要包括对系统稳态运行方式和对系统的动态影 响两方面【2 ”。对于系统稳态运行方式来说，大型核电站的接入一般需要与抽水蓄 能电站配合运行，以解决调峰的问题。配合的抽水蓄能电站运行工况经常转换， 对于线路潮流的过负荷控制和无功控制提出较高的要求。核电站每运行1 2 至1 8 个月后必须停堆，然后要花4 到8 个星期重新启动，这在安排机组调度时也要充 分考虑到p 】。对于系统的动态影响主要是核电机组突然切机导致系统失去较大功 率，对系统稳定、电压和频率都会造成冲击。系统对核电站的影响主要也是表现 在电压和频率两方面，当系统发生故障时，频率的变化使得核电站调速器动作， 核电站内部参数也会发生变化，如果超过设计限值，可能导致核电站停机。统计 表明系统故障可能会先导致核电站一些附属设备故障，从而导致核电站停机。 综上所述，适用于电力系统分析的核电站详细模型已有所发展，但还存在以 下几个问题。1 ) 由于每个核电站的设备和控制系统都会有不同之处，对于如此 复杂的模型如何增加可移植性，是一个重要的问题。2 ) 这些模型大多只是用于 单机系统或独立系统中，如何与复杂系统联合仿真，应用于实际的工程计算，核 电站与电力系统的接口处理也是值得研究的。3 ) 对于核电站与电力系统间相互 作用和相互影响研究得不够充分。 1 3 适合于电力系统分析的抽水蓄能电站模型 1 3 1 抽水蓄能电站发展概况 世界上第一座抽水蓄能电站始建于1 8 8 2 年，座落在瑞士的苏黎世，其机组容 量只有5 1 5 千瓦，抽水扬程也只有1 5 3 米。它是一座年调节式的抽水蓄能电站，即 在夏天丰水期多抽水，少发