我國(guó)目前處于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的大背景下,核電具有能量密度大、穩(wěn)定性好、燃料運(yùn)輸量小的特點(diǎn),在滿足國(guó)家能源供應(yīng)安全、實(shí)施能源供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮了重要作用。核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)是核電站控制系統(tǒng)的重要組成部分,主要通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器水位和核反應(yīng)堆功率實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤電力系統(tǒng)負(fù)荷的變化,并維持核電機(jī)組核功率、熱功率和負(fù)載功率的平衡,對(duì)核電機(jī)組的安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)起到舉足輕重的作用。隨著我國(guó)核電裝機(jī)比例逐步增加、核電機(jī)組的單機(jī)容量不斷增加,電網(wǎng)需要核電機(jī)組采取“堆跟機(jī)”模式來(lái)提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性及供電質(zhì)量。在“堆跟機(jī)”模式下,核反應(yīng)堆頻繁的功率變化,激發(fā)了系統(tǒng)的本質(zhì)非線性,給核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的控制帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此在“堆跟機(jī)”模式下,研究核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)合理的優(yōu)化控制方法,對(duì)核電機(jī)組安全高效運(yùn)行具有重要意義。本文在深入研究“堆跟機(jī)”模式下核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上,采用非線性模型預(yù)測(cè)控制理論分析與數(shù)值仿真結(jié)合的方法,對(duì)“堆跟機(jī)”模式下核電機(jī)組核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的控制問(wèn)題開展深入研究。本文的主要內(nèi)容包括:(1)針對(duì)蒸汽發(fā)生器水位控制問(wèn)題,構(gòu)造了準(zhǔn)最小最大模糊預(yù)測(cè)控制器。選擇狀態(tài)增量和水位作為增廣狀態(tài),使用模糊模型來(lái)擬合水位非線性動(dòng)態(tài)。然后基于準(zhǔn)最小最大策略和模糊李雅普諾夫函數(shù)設(shè)計(jì)了預(yù)測(cè)控制器。為了減少在線計(jì)算復(fù)雜度,離線計(jì)算滿足給水流量和水位硬約束的不變集合。在此基礎(chǔ)上,在線計(jì)算首先采用二分搜索策略,按照系統(tǒng)的狀態(tài)選擇對(duì)應(yīng)的不變集合,然后在線求解一個(gè)簡(jiǎn)單的凸優(yōu)化問(wèn)題,并在預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)“三要素”的框架下分析了閉環(huán)穩(wěn)定性。(2)針對(duì)蒸汽發(fā)生器水位硬約束會(huì)導(dǎo)致水位不穩(wěn)定的現(xiàn)象,構(gòu)造了水位軟約束預(yù)測(cè)控制器。深入分析了水位控制系統(tǒng)非最小相位特性導(dǎo)致不穩(wěn)定零點(diǎn)逆轉(zhuǎn)成極點(diǎn)的原因。然后采用了放松水位約束的控制器設(shè)計(jì)思想,引入兩種松弛變量來(lái)放松水位約束和終端約束集合,并離線計(jì)算僅滿足給水約束的終端約束集合,減少在線計(jì)算量。從多目標(biāo)優(yōu)化的角度分析了水位懲罰項(xiàng)和跟蹤設(shè)定值這兩個(gè)性能指標(biāo)與放松水位懲罰系數(shù)的關(guān)系,并比較了水位無(wú)約束、硬約束以及軟約束這三種預(yù)測(cè)控制策略的性能以及軟約束預(yù)測(cè)控制的自身魯棒性。(3)針對(duì)加壓重水反應(yīng)堆空間功率的“通量?jī)A斜”現(xiàn)象,提出了分散結(jié)構(gòu)的模糊模型預(yù)測(cè)控制算法。首先采用節(jié)點(diǎn)建模法將重水堆分為14個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域采用一組微分方程組描述該區(qū)域內(nèi)的功率動(dòng)態(tài)。然后采用模糊模型建模重水堆各區(qū)域的非線性動(dòng)態(tài),在此基礎(chǔ)上,構(gòu)造了模糊預(yù)測(cè)控制并基于準(zhǔn)最小最大策略在線求解約束優(yōu)化問(wèn)題,在分散模糊預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)中加入漸進(jìn)正實(shí)約束來(lái)保證分散控制結(jié)構(gòu)的全局閉環(huán)穩(wěn)定性。(4)研究了小型反應(yīng)堆在大范圍變負(fù)荷條件下的功率控制問(wèn)題。首先,將反應(yīng)堆功率多目標(biāo)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為具有不同目標(biāo)優(yōu)先級(jí)的字典序優(yōu)化問(wèn)題。然后,采用序貫求解策略求解非線性規(guī)劃問(wèn)題。隨后分析了反應(yīng)堆系統(tǒng)多時(shí)間刻度特性給序列二次規(guī)劃在線求解帶來(lái)困難的原因。最后將連續(xù)的控制棒速度集合限制為預(yù)先選定的離散速度值,并采用粒子群優(yōu)化高效求解反應(yīng)堆功率優(yōu)化控制問(wèn)題。
【學(xué)位單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM623
【部分圖文】：

?２０１７??▲占全國(guó)發(fā)電董比例?■一■并網(wǎng)機(jī)組數(shù)?？一￣？核電設(shè)備平均利用率?？￣？總裝機(jī)容置??圖１－１近五年國(guó)內(nèi)商業(yè)運(yùn)營(yíng)核電機(jī)組的發(fā)電量占比、并網(wǎng)機(jī)組數(shù)、設(shè)備平均利用率和??總裝機(jī)容量??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐｏｗｅｒ?ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，?ｔｈｅ?ｎｕｍｂｅｒ?ｏｆ?ｇｒｉｄ?ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ?ｕｎｉｔｓ，?ｔｈｅ??ａｖｅｒａｇｅ?ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ?ｒａｔｉｏ?ｏｆ?ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ?ａｎｄ?ｔｈｅ?ｔｏｔａｌ?ｉｎｓｔａｌｌｅｄ?ｃａｐａｃｉｔｙ?ｏｆ?Ｃｈｉｎｅｓｅ??ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｎｕｃｌｅａｒ?ｐｏｗｅｒ?ｕｎｉｔ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｐａｓｔ?ｆｉｖｅ?ｙｅａｒｓ??１．２核反應(yīng)堆控制綜述??核電機(jī)組主要由核島和常規(guī)島兩部分組成。常規(guī)島與普通電站沒有明顯區(qū)??別，都是由汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組組成，汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。核島是整個(gè)核電??站的核心部分，由堆芯、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器和主循環(huán)泵等組成。在核島內(nèi)，??反應(yīng)堆堆芯內(nèi)核裂變產(chǎn)生的能量經(jīng)熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流傳遞給一回路冷卻劑，并在??蒸汽發(fā)生器內(nèi)加熱二回路的水，產(chǎn)生蒸汽，然后常規(guī)島（與火電廠類似）使用??該高溫高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是滿足機(jī)組負(fù)??荷要求，保證主蒸汽品質(zhì)，同時(shí)保證負(fù)荷跟蹤過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和安全性。核反應(yīng)??堆控制系統(tǒng)是核電站控制系統(tǒng)的重要組成部分，核反應(yīng)堆內(nèi)存在許多復(fù)雜的物??理過(guò)程

２．３反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)分析??２．３．１系統(tǒng)概述??核反應(yīng)堆是將核能轉(zhuǎn)變成熱能的裝置，如圖２－３所示。核裂變釋放出大量的??能量，再由冷卻劑將這些能量傳到二回路做功。它由安全殼、控制棒和燃料棒等??部件組成。反應(yīng)堆堆芯內(nèi)部和一回路一些環(huán)節(jié)對(duì)反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)有直接或間??２０??

??圖２－２蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)圖??Ｆｉｇ．２－２?Ｂｌｏｃｋ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?Ｕ?ｔｕｂｅ?ｓｔｅａｍ?ｇｅｎｅｒａｔｏｒ?ｗａｔｅｒ?ｌｅｖｅｌ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｓｙｓｔｅｍ??由式（２－２）可以看出，蒸汽發(fā)生器的水位動(dòng)態(tài)特性與蒸汽負(fù)荷０有關(guān)，并且在??整個(gè)負(fù)荷區(qū)間內(nèi)變化明顯（見表２－１）。因此蒸汽發(fā)生器的水位控制系統(tǒng)是典型的??線性參變（Ｌｉｎｅａｒ?ｐａｒａｍｅｔｅｒ?ｖａｒｙｉｎｇ，?ＬＰＶ）系統(tǒng)。蒸汽流量可以看作擾動(dòng)，水位??控制的目標(biāo)就是通過(guò)調(diào)節(jié)給水流量大小來(lái)抵御蒸汽擾動(dòng)給水位帶來(lái)的影響，并控??制水位維持在設(shè)定值上。??２．３反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)分析??２．３．１系統(tǒng)概述??核反應(yīng)堆是將核能轉(zhuǎn)變成熱能的裝置，如圖２－３所示。核裂變釋放出大量的??能量，再由冷卻劑將這些能量傳到二回路做功。它由安全殼、控制棒和燃料棒等??部件組成。反應(yīng)堆堆芯內(nèi)部和一回路一些環(huán)節(jié)對(duì)反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)有直接或間??２０??
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