一種基于pscad的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于PSCAD的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)，屬于PSCAD電力系統(tǒng)仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，包括以下步驟：1、仿真所需數(shù)據(jù)準(zhǔn)備流程：獲取核電廠動(dòng)力和電氣運(yùn)行環(huán)節(jié)相關(guān)參數(shù)；2、建立核電站仿真模塊流程包括：建立數(shù)學(xué)模型，依據(jù)前述運(yùn)行參數(shù)，在PSCAD環(huán)境下搭建各模塊；3、建立整體仿真平臺(tái)流程：根據(jù)所述各模塊的連接信息，將已建立好的內(nèi)部模塊和已自動(dòng)生成的元件模型進(jìn)行連接組合。本發(fā)明具有較好的可操作性，極大的優(yōu)化了模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，提高了仿真效率，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出的額定功率的不同調(diào)節(jié)功率整定值，確定負(fù)荷運(yùn)行方式。
【專利說明】一種基于PSCAD的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)仿真【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地說，是涉及一種基于PSCAD的核電 機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)的建立。

【背景技術(shù)】
[0002] 中國(guó)正大力發(fā)展核電，核電接入電力系統(tǒng)后將與系統(tǒng)之間產(chǎn)生重大影響，隨著電 網(wǎng)峰谷差的不斷增大及核電的規(guī)?；l(fā)展，核電參與調(diào)峰的必要性愈顯突出，針對(duì)核電發(fā) 展趨勢(shì)及系統(tǒng)并網(wǎng)要求，需要對(duì)核電參與調(diào)峰及系統(tǒng)日負(fù)荷特性變化，核電機(jī)組的負(fù)荷跟 蹤模式及調(diào)峰幅度要求開展深入研宄，對(duì)此，有必要結(jié)合核電模型建立核電機(jī)組仿真平 臺(tái)。
[0003] 目前已存在一些壓水堆核電廠的模型，按其目的性可分為2類：一類是主要用于 培訓(xùn)核電廠工作人員的仿真器，它們建立了詳細(xì)的核電廠控制和保護(hù)系統(tǒng)模型；另一類是 用于研宄核電廠與電力系統(tǒng)中長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)過程的模型或仿真程序。這些模型考慮的環(huán)節(jié)較 多，階數(shù)較高，一般超過20階，最高達(dá)到50多階，不易實(shí)現(xiàn)。
[0004] 針對(duì)現(xiàn)狀，需要為研宄分析核電與電網(wǎng)聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行建立核電站和電網(wǎng)協(xié)同運(yùn) 行的統(tǒng)一工程化仿真平臺(tái)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供了一種基于PSCAD的動(dòng)力，電氣一體化仿真平臺(tái)模型，適 用于PSCAD中核電機(jī)組仿真模型的簡(jiǎn)化，以及在PSCAD中進(jìn)行負(fù)荷跟蹤能力分析和調(diào)峰方 式論證。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于PSCAD的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)，包括壓水堆模塊，發(fā)電機(jī)模 塊及等值電網(wǎng)模塊；壓水堆模塊通過汽輪機(jī)及調(diào)速器與發(fā)電機(jī)模塊相連接，發(fā)電機(jī)模塊直 接與等值電網(wǎng)模塊連接；
[0008] 實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0009] 步驟1)獲取仿真所需參數(shù)：具體獲取核電廠動(dòng)力和電氣運(yùn)行環(huán)節(jié)的如下參數(shù)：中 子堆參數(shù)，蒸汽發(fā)生器參數(shù)，功率控制系統(tǒng)參數(shù)，汽輪機(jī)及其調(diào)速器參數(shù)，同步發(fā)電機(jī)參數(shù)， 核電站出口運(yùn)行參數(shù)，電網(wǎng)等值參數(shù)；
[0010] 步驟2)建立核電站仿真模塊：建立數(shù)學(xué)模型，依據(jù)步驟1)中的運(yùn)行參數(shù)，在 PSCAD環(huán)境中搭建仿真模塊步驟如下：
[0011] 步⑴核電站運(yùn)行參數(shù)，包括：中子通量參數(shù)、熱線溫度參數(shù)、冷線溫度參數(shù)、蒸汽 壓力參數(shù)、閥門開度參數(shù)和輸出機(jī)械功率參數(shù)；核電站運(yùn)行參數(shù)工作原理包括核電站基本 發(fā)電工作原理和各模型物理原理；對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；物理原理各模型包括：中子動(dòng)力學(xué)模 型、堆芯燃料溫度模型、一回路冷卻劑平均溫度模型、蒸汽發(fā)生器模型、功率控制模型、汽輪 機(jī)及其調(diào)速器模型、發(fā)電機(jī)模型、等值電網(wǎng)模型；
[0012] 步⑵根據(jù)步⑴中建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)壓水堆模塊進(jìn)行搭建，根據(jù)PSCAD主庫模 塊建立核電機(jī)組所需的仿真平臺(tái)自帶的發(fā)電機(jī)模型；
[0013] 步（3)對(duì)等值電網(wǎng)的出口進(jìn)行動(dòng)態(tài)等值；建立PSCAD主庫選擇所需的等值模型； [0014]步驟3)建立整體仿真平臺(tái)：根據(jù)水堆模塊，發(fā)電機(jī)模塊及等值電網(wǎng)模塊的連接信 息，將已建立好的壓水堆內(nèi)部模塊和自動(dòng)生成模塊進(jìn)行連接組合；所述壓水堆內(nèi)部模塊包 括：中子動(dòng)力學(xué)模型、堆芯燃料溫度、冷卻劑溫度動(dòng)態(tài)模型、熱線冷線溫度模型、蒸汽發(fā)生器 模型、功率控制模型、汽輪機(jī)及其調(diào)速器模型；所述自動(dòng)生成模塊為PSCAD主庫模塊包括發(fā) 電機(jī)主體及其勵(lì)磁系統(tǒng)模型和等值電網(wǎng)模型；
[0015] 建立壓水堆內(nèi)部模型各數(shù)學(xué)模型所需的參數(shù)和發(fā)電機(jī)，等值電網(wǎng)建模所需電氣參 數(shù)，包括：發(fā)電機(jī)的額定功率，額定電壓，電抗，轉(zhuǎn)矩和等值電網(wǎng)的電源電壓，頻率，電阻，電 抗。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0017] 1.本發(fā)明是首次在PSCAD仿真軟件中對(duì)核電站壓水堆進(jìn)行建模，通過汽輪機(jī)首次 將動(dòng)力，電氣運(yùn)行聯(lián)系起來，可以全面而真實(shí)的反應(yīng)核電機(jī)組負(fù)荷跟蹤能力。
[0018] 2.本發(fā)明具有較好的可操作性，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出的額定功率的不同調(diào)節(jié)功率整 定值，確定負(fù)荷運(yùn)行方式。
[0019] 3.本發(fā)明在PSCAD環(huán)境下，不影響等值電網(wǎng)的外部特性下，極大的優(yōu)化了模型結(jié) 構(gòu)，使電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，提高了仿真效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明的整體框圖。
[0021] 圖2為本發(fā)明的PSCAD仿真平臺(tái)功能圖。
[0022] 圖3是模型搭建流程圖。
[0023] 圖4-1是仿真曲線圖之一。
[0024] 圖4-2是仿真曲線圖之二。
[0025] 圖4-3是仿真曲線圖之三。
[0026] 圖4-4是仿真曲線圖之四。
[0027] 圖4-5是仿真曲線圖之五。
[0028] 圖4-6是仿真曲線圖之六。
[0029] 圖4-7是仿真曲線圖之七。

【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面將結(jié)合本發(fā)明附圖圖1，圖2,圖3,圖4-1，圖4-2,圖4-3,圖4-4,圖4-5,圖 4-6,圖4-7,對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚，完整的描述。
[0031] 一種基于PSCAD的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)，包括壓水堆模塊，發(fā)電機(jī)模 塊及等值電網(wǎng)模塊；壓水堆模塊通過汽輪機(jī)及調(diào)速器與發(fā)電機(jī)模塊相連接，發(fā)電機(jī)模塊直 接與等值電網(wǎng)模塊連接；
[0032] 實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0033] 步驟1)獲取仿真所需參數(shù)：具體獲取核電廠動(dòng)力和電氣運(yùn)行環(huán)節(jié)的如下參數(shù)：中 子堆參數(shù)，蒸汽發(fā)生器參數(shù)，功率控制系統(tǒng)參數(shù)，汽輪機(jī)及其調(diào)速器參數(shù)，同步發(fā)電機(jī)參數(shù)， 核電站出口運(yùn)行參數(shù)，電網(wǎng)等值參數(shù)；
[0034] 步驟2)建立核電站仿真模塊：建立數(shù)學(xué)模型，依據(jù)步驟1)中的運(yùn)行參數(shù)，在 PSCAD環(huán)境中搭建仿真模塊步驟如下：
[0035] 步（1)核電站運(yùn)行參數(shù)，包括：中子通量參數(shù)、熱線溫度參數(shù)、冷線溫度參數(shù)、蒸汽 壓力參數(shù)、閥門開度參數(shù)和輸出機(jī)械功率參數(shù)；核電站運(yùn)行參數(shù)工作原理包括核電站基本 發(fā)電工作原理和各模型物理原理；對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；物理原理各模型包括：中子動(dòng)力學(xué)模 型、堆芯燃料溫度模型、一回路冷卻劑平均溫度模型、蒸汽發(fā)生器模型、功率控制模型、汽輪 機(jī)及其調(diào)速器模型、發(fā)電機(jī)模型、等值電網(wǎng)模型；
[0036] 步（2)根據(jù)步（1)中建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)壓水堆模塊進(jìn)行搭建，根據(jù)PSCAD主庫模 塊建立核電機(jī)組所需的仿真平臺(tái)自帶的發(fā)電機(jī)模型；
[0037] 步（3)對(duì)等值電網(wǎng)的出口進(jìn)行動(dòng)態(tài)等值；建立PSCAD主庫選擇所需的等值模型；
[0038] 步驟3)建立整體仿真平臺(tái)：根據(jù)水堆模塊，發(fā)電機(jī)模塊及等值電網(wǎng)模塊的連接信 息，將已建立好的壓水堆內(nèi)部模塊和自動(dòng)生成模塊進(jìn)行連接組合；所述壓水堆內(nèi)部模塊包 括：中子動(dòng)力學(xué)模型、堆芯燃料溫度、冷卻劑溫度動(dòng)態(tài)模型、熱線冷線溫度模型、蒸汽發(fā)生器 模型、功率控制模型、汽輪機(jī)及其調(diào)速器模型；所述自動(dòng)生成模塊為PSCAD主庫模塊包括發(fā) 電機(jī)主體及其勵(lì)磁系統(tǒng)模型和等值電網(wǎng)模型；
[0039] 建立壓水堆內(nèi)部模型各數(shù)學(xué)模型所需的參數(shù)和發(fā)電機(jī)，等值電網(wǎng)建模所需電氣參 數(shù)，包括：發(fā)電機(jī)的額定功率，額定電壓，電抗，轉(zhuǎn)矩和等值電網(wǎng)的電源電壓，頻率，電阻，電 抗。
[0040] 所述壓水堆模塊包括：反應(yīng)堆芯模型、蒸汽發(fā)生器模型、反應(yīng)堆控制系統(tǒng)模型、冷 卻劑主泵模型和汽輪機(jī)模型；
[0041] 其中反應(yīng)堆芯模型包括中子動(dòng)力模塊，堆芯燃料和冷卻劑溫度動(dòng)態(tài)模型，熱線冷 線溫度模型；
[0042] a.中子動(dòng)力模塊的數(shù)學(xué)模型是：
[0043]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于PSCAD的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)，其特征在于： 包括壓水堆模塊，發(fā)電機(jī)模塊及等值電網(wǎng)模塊；壓水堆模塊通過汽輪機(jī)及調(diào)速器與發(fā) 電機(jī)模塊相連接，發(fā)電機(jī)模塊直接與等值電網(wǎng)模塊連接； 實(shí)現(xiàn)步驟如下： 步驟1)獲取仿真所需參數(shù)：具體獲取核電廠動(dòng)力和電氣運(yùn)行環(huán)節(jié)的如下參數(shù)：中子堆 參數(shù)，蒸汽發(fā)生器參數(shù)，功率控制系統(tǒng)參數(shù)，汽輪機(jī)及其調(diào)速器參數(shù)，同步發(fā)電機(jī)參數(shù)，核電 站出口運(yùn)行參數(shù)，電網(wǎng)等值參數(shù)； 步驟2)建立核電站仿真模塊：建立數(shù)學(xué)模型，依據(jù)步驟1)中的運(yùn)行參數(shù)，在PSCAD環(huán) 境中搭建仿真模塊步驟如下： 步（1)核電站運(yùn)行參數(shù)，包括：中子通量參數(shù)、熱線溫度參數(shù)、冷線溫度參數(shù)、蒸汽壓力 參數(shù)、閥門開度參數(shù)和輸出機(jī)械功率參數(shù)；核電站運(yùn)行參數(shù)工作原理包括核電站基本發(fā)電 工作原理和各模型物理原理；對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；物理原理各模型包括：中子動(dòng)力學(xué)模型、堆 芯燃料溫度模型、一回路冷卻劑平均溫度模型、蒸汽發(fā)生器模型、功率控制模型、汽輪機(jī)及 其調(diào)速器模型、發(fā)電機(jī)模型、等值電網(wǎng)模型； 步（2)根據(jù)步（1)中建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)壓水堆模塊進(jìn)行搭建，根據(jù)PSCAD主庫模塊建 立核電機(jī)組所需的仿真平臺(tái)自帶的發(fā)電機(jī)模型； 步（3)對(duì)等值電網(wǎng)的出口進(jìn)行動(dòng)態(tài)等值；建立PSCAD主庫選擇所需的等值模型； 步驟3)建立整體仿真平臺(tái)：根據(jù)水堆模塊，發(fā)電機(jī)模塊及等值電網(wǎng)模塊的連接信息， 將已建立好的壓水堆內(nèi)部模塊和自動(dòng)生成模塊進(jìn)行連接組合；所述壓水堆內(nèi)部模塊包括： 中子動(dòng)力學(xué)模型、堆芯燃料溫度、冷卻劑溫度動(dòng)態(tài)模型、熱線冷線溫度模型、蒸汽發(fā)生器模 型、功率控制模型、汽輪機(jī)及其調(diào)速器模型；所述自動(dòng)生成模塊為PSCAD主庫模塊包括發(fā)電 機(jī)主體及其勵(lì)磁系統(tǒng)模型和等值電網(wǎng)模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)，其特征在于： 建立壓水堆內(nèi)部模型各數(shù)學(xué)模型所需的參數(shù)和發(fā)電機(jī)，等值電網(wǎng)建模所需電氣參數(shù)， 包括：發(fā)電機(jī)的額定功率，額定電壓，電抗，轉(zhuǎn)矩和等值電網(wǎng)的電源電壓，頻率，電阻，電抗。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)，其特征在于： 所述壓水堆模塊包括：反應(yīng)堆芯模型、蒸汽發(fā)生器模型、反應(yīng)堆控制系統(tǒng)模型、冷卻劑 主泵模型和汽輪機(jī)模型； 其中反應(yīng)堆芯模型包括中子動(dòng)力模塊，堆芯燃料和冷卻劑溫度動(dòng)態(tài)模型，熱線冷線溫 度模型； a. 中子動(dòng)力模塊的數(shù)學(xué)模型是：
式中：An是中子通量；1是中子平均壽命；0是總共緩發(fā)中子比例，0=E0i;入是 緩發(fā)中子衰變常數(shù)；P是：堆芯總的反應(yīng)性； b. 堆芯燃料和冷卻劑溫度動(dòng)態(tài)模型的數(shù)學(xué)模型是：
式中：atf:堆芯燃料溫度偏差；f:堆芯升溫所占堆芯功率的百分比；P(l:堆芯初始功 率;mF:堆芯燃料質(zhì)量；cPF:堆芯燃料比熱；h:從燃料到冷卻剖的總傳熱系數(shù);A:從燃料到 冷卻劑的總傳熱面積；AT01:堆芯入口處冷卻剖溫度偏差；AT02:堆芯出口處冷卻劑溫度 偏差；m。：堆芯冷卻劑質(zhì)量；Cp。：堆芯冷卻劑比熱；m:堆芯冷卻劑總的質(zhì)量流量；. c.熱線冷線模型的數(shù)學(xué)模型是：
式中：ATm:熱線溫度的變化量；ATa:冷線溫度的變化量；ATp:蒸汽發(fā)生器一回路冷 卻劑溫度變化量；t熱線時(shí)間常數(shù)；ta:冷線時(shí)間常數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)，其特征在于： 所述的蒸汽發(fā)生器模型包括一回路冷卻劑溫度模型、U型金屬管的溫度模型和二回路 系統(tǒng)蒸汽壓力模型； 蒸汽發(fā)生器模型的數(shù)學(xué)模型是：
式中：ATm:金屬管溫度偏差；APs:二回路蒸汽壓力偏差；Ay:氣門開度偏差；tp: - 回路冷卻劑時(shí)間常數(shù)；:金屬管時(shí)間常數(shù)；Tps:二回路蒸汽時(shí)間常數(shù)；kpnl:金屬管溫度 系數(shù)；kp。:熱線溫度系數(shù)；kmp:冷卻劑溫度系數(shù)；kms:壓力溫度系數(shù)；kpsm:金屬管壓力系數(shù)； kpsy:閥門壓力系數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)，其特征在于： 所述的反應(yīng)堆控制系統(tǒng)模型冷卻劑平均溫度恒定方案，該溫度恒定方案冷卻劑平均溫 度不隨核電站出力而改變，對(duì)一回路系統(tǒng)有利。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)，其特征在于： 所述的冷卻劑主泵數(shù)學(xué)模型：
式中：Wp:主泵頻率；Mpe:主泵電磁力矩；Mpni:主泵機(jī)械功率；f1#:廠用電母線頻率；U1# 廠用電母線電壓。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)，其特征在于： 壓水堆作為動(dòng)力部分通過汽輪機(jī)將功率通過轉(zhuǎn)矩形式傳遞給同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電并輸送 到電網(wǎng)，而發(fā)電機(jī)則將電網(wǎng)頻率和功率反饋給汽輪機(jī)系統(tǒng)改變壓水堆功率反應(yīng)；核電機(jī)組 帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，與電網(wǎng)之間通過發(fā)電機(jī)連接；發(fā)電機(jī)通過汽輪機(jī)及其調(diào)速器與核反應(yīng)堆系 統(tǒng)聯(lián)系；壓水堆核電廠的汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)為4缸雙流中間再熱凝汽式飽和蒸汽汽輪機(jī)，采用功 率和頻率電液式調(diào)速器，可以響應(yīng)功率和頻率的變化；核電廠輸出到電網(wǎng)的信息只有汽輪 機(jī)的機(jī)械功率，電網(wǎng)輸入到核電廠的信息有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和有功功率，并通過發(fā)電機(jī)連接， 發(fā)電機(jī)通過汽輪機(jī)及其調(diào)速器與壓水堆聯(lián)系。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的核電機(jī)組動(dòng)力、電氣混合仿真平臺(tái)，其特征在于： 所述的汽輪機(jī)采用轉(zhuǎn)速為火電機(jī)組一半的半速4缸雙流中間再熱凝汽式飽和汽輪機(jī)， 調(diào)速器采用功頻電液調(diào)速器模型，由轉(zhuǎn)速測(cè)量及調(diào)節(jié)器、測(cè)功單元、繼動(dòng)器和液壓油動(dòng)機(jī)組 成。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104484528SQ201410790606
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月18日
【發(fā)明者】王剛, 朱鈺, 秦偉, 王超, 禹加, 韓子?jì)? 張瀟桐, 葉鵬 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 沈陽工程學(xué)院