核电站与抽水蓄能电站的数学建模及联合运行研究

论文摘要

随着社会经济的发展，电力需求不断增加，能源也相对紧缺。核能是可大规模替代常规能源的现代能源，既清洁又经济，不受地域的限制。为了节约能源和减少能源的运输费用，大容量超临界的火电机组和核电机组大量投入运行，我国核电机组在未来二十年将有较大的增长。另一方面全国各电网负荷峰谷差不断增大，电网调峰问题日益突出。高参数、大容量的火电机组或核电机组，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调峰任务，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。为了解决系统调峰问题，提高系统的经济性和可靠性，抽水蓄能电站也将有较大的增长。在这种情况下，系统的安全稳定问题日趋复杂，发生大事故时的持续时间都很长，不能仅仅考虑暂态稳定问题，还应该考虑电力系统中长期稳定问题。在电力系统暂态稳定分析中，已计及汽轮机、水轮机、调速器、励磁调节器、发电机模型，但不模拟锅炉、水力系统、核电站反应堆等模型。对于电力系统中长期稳定分析来说，核电站和抽水蓄能电站的慢动态特性对于电力系统的中长期稳定分析有较大的影响，如核电站很多附属设备对于电力系统的频率、电压有较高的要求，可能由于电力系统频率、电压问题导致核电站停机。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。因此有必要对核电站和抽水蓄能电站进行详细模拟，以研究核电站、抽水蓄能电站与电力系统间的相互作用和相互影响，研究电力系统中长期稳定的相关问题。抽水蓄能电站常常配合核电站运行，以提高核电站的经济性和安全性。随着核电站和抽水蓄能电站比重的增加，核电站和抽水蓄能电站配合的容量比例必须进行较准确的优化计算，而不能按照经验估计来确定。为了使整个电力系统更灵活、安全、经济可靠运行，研究水电、核电站、火电站的联合优化运行是很有必要的。本论文主要针对核电站和抽水蓄能电站建模以及联合优化运行中存在的一些问题，进行较深入的研究，并取得了一些有价值的成果，主要包括以下几个方面：（1）以田湾核电站为例，基于PSS／E及其Matlab-Simulink接口程序建立了适合于电力系统分析的压水堆核电站详细模型，该模型包括一回路的堆芯中子动力学模块、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PSS／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问的相互影响。（3）利用PSS／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SUTER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PSS／E的OPF模块和IPLAN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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 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
• 1.2.2 适合于电力系统分析的核电站模型研究现状
• 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
• 1.3.2 适合于电力系统分析的抽水蓄能电站模型研究现状
• 1.4 水火核电站联合优化运行
• 1.5 本文的主要工作
• 参考文献
• 第2章 核电站数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 核电站基本工作原理
• 2.2.1 一回路系统
• 2.2.2 二回路系统
• 2.3 核电站数学模型
• 2.3.1 反应堆芯方程
• 2.3.2 蒸汽发生器模型
• 2.3.3 反应堆功率控制系统
• 2.3.4 冷却剂主泵模型
• 2.3.5 汽轮机模型
• 2.3.6 调速器模型
• 2.4 核电站数学模型的PSS/E程序实现
• 2.5 本章小节
• 参考文献
• 第3章 核电站与电力系统相互影响分析
• 3.1 引言
• 3.2 核电站模块仿真
• 3.2.1 仅考虑中子动力学方程的反应堆芯
• 3.2.2 耦合燃料、温度动态核温度负反馈的反应堆芯
• 3.2.3 蒸汽发生器模块
• 3.2.4 耦合反应堆芯核蒸汽发生器模块
• 3.2.5 耦合反应堆芯、蒸汽发生器模块和反应堆控制系统
• 3.2.6 耦合反应堆芯、蒸汽发生器模块、功率控制系统和汽机系统
• 3.3 单机无穷大系统故障核电机组的响应分析
• 3.4 江苏电网系统故障核电机组的响应分析
• 3.5 本章小节
• 参考文献
• 第4章 抽水蓄能电站数学模型
• 4.1 引言
• 4.2 水轮机模型
• 4.2.1 常规水电站水轮机模型
• 4.2.2 抽水蓄能电站可逆式水轮机模型
• 4.3 输水系统模型
• 4.3.1 输水管道特征线模型
• 4.3.2 调压井模型
• 4.3.3 输水管道解析模型
• 4.4 本章小节
• 参考文献
• 第5章 抽水蓄能电站与电力系统相互影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 水轮机模型对电力系统分析的影响
• 5.2.1 常规水电站水轮机模型对电力系统分析的影响
• 5.2.2 抽水蓄能电站可逆式水泵水轮机模型对电力系统分析的影响
• 5.3 输水系统模型对电力系统分析的影响
• 5.3.1 单管输水系统模型
• 5.3.2 复杂管道输水系统模型
• 5.4 浙江电网故障核电站和抽水蓄能电站响应分析
• 5.5 本章小节
• 参考文献
• 第6章 水、火、核电联合优化运行
• 6.1 引言
• 6.2 核电站和抽水蓄能电站联合规划
• 6.2.1 常规电源规划
• 6.2.2 核电站规划
• 6.2.3 抽水蓄能电站规划
• 6.3 水、火、核电短期联合优化运行
• 6.3.1 PSS/E的OPF模块和IPLAN接口语言介绍
• 6.3.2 水、火、核电短期联合优化运行数学模型
• 6.4 算例
• 6.4.1 水电和火电联合优化
• 6.4.2 抽水蓄能和火电联合优化
• 6.5 本章小节
• 参考文献
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 对今后研究工作的展望
• 附录
• A 核电模型参数
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和录用的论文