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

1、隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，電力需求不斷增加，能源也相對緊缺。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，不受地域的限制。為了節(jié)約能源和減少能源的運輸費用，大容量超臨界的火電機組和核電機組大量投入運行，我國核電機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)、大容量的火電機組或核電機組，由于自身的運行條件和經(jīng)濟性，只能帶基荷和少量腰荷。一些中小型火電機組和水電機組承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，效率偏低，

2、經(jīng)濟性較差。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)生大事故時的持續(xù)時間都很長，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，已計及汽輪機、水輪機、調(diào)速器、勵磁調(diào)節(jié)器、發(fā)電機模型，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態(tài)特性對于電力系統(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。抽水蓄能電站中的水擊作用對于調(diào)速器的動作有反作用，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行，以提高核電站的經(jīng)濟性和安全性。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)化計算，而不能按照經(jīng)驗估計來確定。為了使整個電力系統(tǒng)更靈活、安全、經(jīng)濟可靠運行，研究水電、核電站、火電站的聯(lián)合優(yōu)化運行是很有必要的。 本論文主要針對核電站和抽水蓄能電站建模以及聯(lián)合優(yōu)化運行中存在的一些問題，進(jìn)行較深入的研究，并取得了一些有價值的成

5、果，主要包括以下幾個方面： (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，可對每個模塊單獨調(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)行單機或多機大型電力系統(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，對壓水堆核電站各個模塊進(jìn)行了仿真分析，驗證了模型的正確性，分析了核電站各個模塊的響應(yīng)特性。以單機無窮大系統(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、不同輸水系統(tǒng)下、工況轉(zhuǎn)換或大擾動時水電站和抽水蓄能電站的動態(tài)特性。其中水輪機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)雜輸水管道自動建模模型。復(fù)雜輸水管道自動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)點和計算節(jié)點，可對各種形式的復(fù)雜輸水系統(tǒng)實現(xiàn)自動建模。該模型詳細(xì)描述了復(fù)雜輸水系統(tǒng)的動態(tài)特性，考慮了管壁和水流的彈性影響，計及了復(fù)雜管道之間的耦合作用，可計算不同的復(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，對不同水輪機模型，不同輸水管道模型對于電力系統(tǒng)暫態(tài)分析和小擾動分析的影響和適用范圍進(jìn)行了對比研究。 (5)介紹了核電站和抽水蓄能電站的聯(lián)合規(guī)劃和運行情況，提出了一種實現(xiàn)抽水蓄能機組與火電機組短期聯(lián)合優(yōu)化運行的方法，并采用PSS/E的OPF模塊和IPLAN接口語言實現(xiàn)。該方法考慮了網(wǎng)絡(luò)損耗和抽水蓄能電站的工況特