核電站與抽水蓄能電站的數(shù)學(xué)建模及聯(lián)合運(yùn)行研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求不斷增加，能源也相對(duì)緊缺。核能是可大規(guī)模替代常規(guī)能源的現(xiàn)代能源，既清潔又經(jīng)濟(jì)，不受地域的限制。為了節(jié)約能源和減少能源的運(yùn)輸費(fèi)用，大容量超臨界的火電機(jī)組和核電機(jī)組大量投入運(yùn)行，我國核電機(jī)組在未來二十年將有較大的增長。另一方面全國各電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差不斷增大，電網(wǎng)調(diào)峰問題日益突出。高參數(shù)、大容量的火電機(jī)組或核電機(jī)組，由于自身的運(yùn)行條件和經(jīng)濟(jì)性，只能帶基荷和少量腰荷。一些中小型火電機(jī)組和水電機(jī)組承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，效率偏低，

2、經(jīng)濟(jì)性較差。抽水蓄能電站能夠削峰填谷，提高火電設(shè)備利用率和運(yùn)行效率，而且還可以進(jìn)行負(fù)荷跟蹤或作為旋轉(zhuǎn)備用。為了解決系統(tǒng)調(diào)峰問題，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，抽水蓄能電站也將有較大的增長。 在這種情況下，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定問題日趨復(fù)雜，發(fā)生大事故時(shí)的持續(xù)時(shí)間都很長，不能僅僅考慮暫態(tài)穩(wěn)定問題，還應(yīng)該考慮電力系統(tǒng)中長期穩(wěn)定問題。在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析中，已計(jì)及汽輪機(jī)、水輪機(jī)、調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)模型，但不模擬鍋爐、水力系統(tǒng)、核電站反應(yīng)

3、堆等模型。對(duì)于電力系統(tǒng)中長期穩(wěn)定分析來說，核電站和抽水蓄能電站的慢動(dòng)態(tài)特性對(duì)于電力系統(tǒng)的中長期穩(wěn)定分析有較大的影響，如核電站很多附屬設(shè)備對(duì)于電力系統(tǒng)的頻率、電壓有較高的要求，可能由于電力系統(tǒng)頻率、電壓問題導(dǎo)致核電站停機(jī)。抽水蓄能電站中的水擊作用對(duì)于調(diào)速器的動(dòng)作有反作用，而且輸水管道很容易發(fā)生頻率振蕩，可能造成電力系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此有必要對(duì)核電站和抽水蓄能電站進(jìn)行詳細(xì)模擬，以研究核電站、抽水蓄能電站與電力系統(tǒng)間的相互作用和相互影響，研究電力

4、系統(tǒng)中長期穩(wěn)定的相關(guān)問題。 抽水蓄能電站常常配合核電站運(yùn)行，以提高核電站的經(jīng)濟(jì)性和安全性。隨著核電站和抽水蓄能電站比重的增加，核電站和抽水蓄能電站配合的容量比例必須進(jìn)行較準(zhǔn)確的優(yōu)化計(jì)算，而不能按照經(jīng)驗(yàn)估計(jì)來確定。為了使整個(gè)電力系統(tǒng)更靈活、安全、經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行，研究水電、核電站、火電站的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行是很有必要的。 本論文主要針對(duì)核電站和抽水蓄能電站建模以及聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行中存在的一些問題，進(jìn)行較深入的研究，并取得了一些有價(jià)值的成

5、果，主要包括以下幾個(gè)方面： (1)以田灣核電站為例，基于PSS/E及其Matlab-Simulink接口程序建立了適合于電力系統(tǒng)分析的壓水堆核電站詳細(xì)模型，該模型包括一回路的堆芯中子動(dòng)力學(xué)模塊、堆芯熱力學(xué)模塊、蒸汽發(fā)生器模塊、冷卻劑泵、反應(yīng)堆功率控制模塊，用傳遞函數(shù)框圖表示，可對(duì)每個(gè)模塊單獨(dú)調(diào)試修改，增加了該模型的直觀性和可移植性。通過與PSS/E的接口，可進(jìn)行單機(jī)或多機(jī)大型電力系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。 (2)在建立的壓水堆核電

6、站詳細(xì)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)壓水堆核電站各個(gè)模塊進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了模型的正確性，分析了核電站各個(gè)模塊的響應(yīng)特性。以單機(jī)無窮大系統(tǒng)和江蘇電網(wǎng)為例，分析了核電站與電力系統(tǒng)間的相互影響。 (3)利用PSS/E的用戶自定義模型，建立了常規(guī)水電站和抽水蓄能電站詳細(xì)模型，可以仿真不同工況點(diǎn)、不同輸水系統(tǒng)下、工況轉(zhuǎn)換或大擾動(dòng)時(shí)水電站和抽水蓄能電站的動(dòng)態(tài)特性。其中水輪機(jī)模型包括簡化非線性解析模型，基于模型綜合特性曲線的線性化模型，基于內(nèi)特性解

7、析方程的線性化模型，可逆水輪機(jī)改進(jìn)SUTER曲線模型；輸水管道模型包括單管剛性水擊模型，單管彈性水擊模型和復(fù)雜輸水管道自動(dòng)建模模型。復(fù)雜輸水管道自動(dòng)建模模型是以基于特征線方程的彈性水擊模型為基礎(chǔ)，對(duì)主要部件如調(diào)壓井、岔管、轉(zhuǎn)輪邊界等模型與管系的連接引入了控制節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)，可對(duì)各種形式的復(fù)雜輸水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模。該模型詳細(xì)描述了復(fù)雜輸水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，考慮了管壁和水流的彈性影響，計(jì)及了復(fù)雜管道之間的耦合作用，可計(jì)算不同的復(fù)雜輸水系統(tǒng)而無

8、需重新編程，減少了工作量，增加了程序的靈活性和可移植性。 (4)在建立的常規(guī)水電站和抽水蓄能電站詳細(xì)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)不同水輪機(jī)模型，不同輸水管道模型對(duì)于電力系統(tǒng)暫態(tài)分析和小擾動(dòng)分析的影響和適用范圍進(jìn)行了對(duì)比研究。 (5)介紹了核電站和抽水蓄能電站的聯(lián)合規(guī)劃和運(yùn)行情況，提出了一種實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組與火電機(jī)組短期聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行的方法，并采用PSS/E的OPF模塊和IPLAN接口語言實(shí)現(xiàn)。該方法考慮了網(wǎng)絡(luò)損耗和抽水蓄能電站的工況特