一种ap1000堆芯解耦控制系统及控制方法
【专利摘要】一种AP1000堆芯解耦控制系统及控制方法，包括和堆芯传递函数模型相连的M棒控制系统、AO棒控制系统以及与M棒控制系统和AO棒控制系统连接的解耦控制系统，解耦控制系统也和堆芯模型相连；堆芯传递函数模型向M棒控制系统反馈冷却剂平均温度和核功率两路信号，向AO棒控制系统反馈轴向功率分布信号，M棒控制系统向解耦控制系统输入M棒组移动棒位，AO棒控制系统向解耦控制系统输入AO棒组移动棒位，解耦控制系统将补偿后的M棒组移动棒位和AO棒组移动棒位输入堆芯模型，实现了堆芯的解耦控制；本发明系统和方法在保证系统响应速度的同时，能够有效的消除两棒组之间的耦合影响。
【专利说明】—种AP1000堆芯解耦控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于AP1000堆芯控制技术改进领域，具体涉及一种AP1000堆芯解耦控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]在过去的几十年，世界核电技术在不断的发展，其安全性方面取得了巨大的进步，除此之外世界核电机组的运行及控制方式也在不断发展改进。日本福岛事故之后，中国规定新建核电机组必须达到三代核电的安全标准，其中AP1000是目前中国确立的主力堆型。可以看到，未来一段时间AP1000机组在中国将获得很快的发展。
[0003]AP1000采用非能动的安全系统，有效提高了机组的安全性。现有的AP1000核电机组的反应堆控制模式采用机械补偿棒进行控制，负荷跟踪时不需要调节硼浓度。而且AP1000采用了功率水平与功率分布独立控制，采用M棒组控制功率，AO棒组控制功率分布，两者都是闭环控制系统。这样在负荷跟踪运行时机组达到了完全的自动化运行，不需要操纵员手动操作，有效提高了机组的可靠性及安全性。采用不调硼负荷跟踪的控制策略还大大提高了 AP1000机组的负荷跟踪的能力，负荷跟踪可以在95%寿期内进行，而且在负荷跟踪运行过程中不会产生废液，使得机组具有较高的经济性。但是全部采用控制棒进行控制带来了新的问题:为了减弱M棒组和AO棒组之间的耦合作用，采用M棒组动作时AO棒组不动，AO棒组动作时M棒组不动，且遵循M棒组优先动作的原则，对M棒组和AO棒组进行了互锁设计，从而导致反应堆负荷跟踪的灵活性受到限制，降低了负荷跟踪时堆芯的响应速度。
[0004]通过选择合适的解耦控制方法对控制量进行补偿，设计出AP1000堆芯解耦控制系统，并去除棒组之间的互锁环节来加快系统响应速度。因此开展两种棒组之间解耦控制的研究是很有必要的。
【发明内容】
[0005]为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种AP1000堆芯解耦控制系统及控制方法，在保证系统响应速度的同时，能够有效的消除两棒组之间的耦合影响。
[0006]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0007]一种AP1000堆芯解耦控制系统，包括和堆芯传递函数模型相连接的M棒控制系统、AO棒控制系统以及与M棒控制系统和AO棒控制系统连接的解稱控制系统，所述解f禹控制系统也和堆芯传递函数模型相连接；所述堆芯传递函数模型向M棒控制系统反馈冷却剂平均温度和核功率两路信号，向AO棒控制系统反馈轴向功率分布信号，M棒控制系统向解耦控制系统输入M棒组移动棒位，AO棒控制系统向解耦控制系统输入AO棒组移动棒位，解耦控制系统将补偿后的M棒组移动棒位和AO棒组移动棒位输入堆芯传递函数模型。
[0008]所述堆芯传递函数模型包括堆芯快模态双节点模型和堆芯慢模态双节点模型。
[0009]所述解耦控制系统由解耦控制器模型和与其相连的两个加法器组成。[0010]上述所述的AP1000堆芯解耦控制系统的控制方法，包括如下步骤:
[0011]步骤1:建立堆芯模型，堆芯模型采用两节点模型，堆芯上半区为节点2，堆芯下半区为节点1，并将模型线性化处理，得到堆芯传递函数模型；
[0012]步骤2:对Μ棒组和Α0棒组的控制棒进行建模，
[0013]对Μ棒组的控制棒进行建模，具体方法如下:
[0014]将Μ棒控制系统的Μ棒组等效为一根控制棒，且该控制棒初始位置在堆芯中部，初始插入深度为214.76cm,即当该控制棒动作时，同时在堆芯上部及下部引入反应性；将该控制棒移动棒位与其引入的反应性近似成线性关系:
[0015]P M=b.MP
[0016]式中:
[0017]pM-Μ棒组引入堆芯反应性/pcm ;
[0018]b——Μ棒组移动棒位及其引入堆芯反应性之间的系数/pcm.cnT1 ；
[0019]Mp-Μ棒组移动棒位/cm。
[0020]对反应性重新分配，分别设计控制棒引入堆芯上部及下部的反应性，如下式所示:
[0021]节点2范围内Μ棒组价值:P M2=bn.MP
[0022]节点1范围内Μ棒组价值:P M1=b21.MP
[0023]式中:
[0024]p E—Μ棒组弓I入堆芯上部反应性/pcm ；
[0025]bn—Μ棒组移动棒位及其引入堆芯上部反应性之间的系数/pcm.cnT1 ；
[0026]MP-Μ棒组移动棒位/cm ；
[0027]p M1—M棒组弓I入堆芯下部反应性/pcm ；
[0028]b21——M棒组移动棒位与引入堆芯下部反应性之间的系数/pcm.cnT1 ；
[0029]对A0棒组的控制棒进行建模，具体方法如下:
[0030]A0棒组初始插入深度为48.49cm,将A0棒组移动棒位与其引入的反应性近似成线性关系，设计A0棒组价值如下式所示:
[0031]P Ao=bi2 * A0P
[0032]式中:
[0033]ρ Α0-Α0棒组弓丨入堆芯反应性/pcm ；
[0034]b12—A0棒组移动棒位与引入堆芯上部反应性之间的系数/pcm.cnT1，取b12=_6e_5 ；
[0035]A0P-Α0棒组移动棒位/cm ；
[0036]步骤3:将步骤1所建立的堆芯模型和步骤2所建立的控制棒模型结合，得到以Μ棒组移动棒位和Α0棒组移动棒位为输入变量，核功率和轴向功率分布为输出变量的堆芯传递函数模型，采用该堆芯传递函数模型在MATLAB/SMULINK中搭建仿真框图，进行负荷跟踪动态仿真；在负荷跟踪过程中，当功率发生变化时，由堆芯传递函数模型向Μ棒控制系统反馈冷却剂平均温度信号和核功率信号，通过Μ棒控制系统驱动Μ棒组动作，使Μ棒控制系统输出Μ棒组移动棒位，此时Μ棒组的动作对轴向功率的分布产生耦合影响，由堆芯传递函数模型向Α0棒控制系统反馈轴向功率分布信号，通过Α0棒控制系统驱动Α0棒组动作，使AO棒控制系统输出AO棒组移动棒位，此时AO棒组的动作对核功率产生耦合影响，M棒组移动棒位和AO棒组移动棒位输入解耦控制系统，解耦控制系统通过对这两个信号进行补偿处理，从而实现两个棒组之间的解耦，即消除了 M棒组动作时对轴向功率分布产生的耦合影响及AO棒组动作时对核功率产生的耦合影响，解耦控制系统将补偿后的M棒组移动棒位和AO棒组移动棒位输入堆芯传递函数模型，实现了堆芯的解耦控制。
[0037]步骤I所述的建立堆芯模型及模型线性化处理过程为:首先建立堆芯慢模态双节点模型和快模态双节点模型，并采用微小摄动理论对堆芯慢模态双节点模型和快模态双节点模型进行线性化处理，推导出堆芯慢模态传递函数模型和快模态传递函数模型，以引入节点2、节点I反应性和冷却剂入口温度变化量为输入变量，以节点2、节点I功率相对值和冷却剂出口温度变化量为输出变量，组成一个3X3的传递函数矩阵并进行计算；最后利用Pade降阶法对传递函数结果进行了降阶。
[0038]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0039]本发明的AP1000堆芯解耦控制系统，是当被控过程受到扰动时，及时的预先补偿扰动对被控参数的影响，即对两个控制量M棒组移动棒位和AO棒组移动棒位进行补偿，这样的控制方案可以更有效地消除扰动对被控参数的影响。采用该解耦控制系统之后，当M棒组动作时，可以及时的对AO棒组进行补偿，使系统迅速获得调节，此时可以看到，功率变化的同时，AO值几乎不变，并维持在初始值附近；当AO棒组动作时，可以及时的对M棒组进行补偿，使系统迅速获得调节，此时可以看到，AO值变化的同时，功率值几乎不变，并维持在初始值附近。因此，本发明系统的解耦效果明显，并去除了棒组间的互锁环节，加快了系统的响应速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1为本发明AP1000堆芯解耦控制系统结构框图。
[0041]图2为本发明所使用堆芯两节点模型示意图。
[0042]图3为本发明解耦方法-前馈补偿解耦原理框图。
[0043]图4为本发明在M棒组动作，AO棒组不动作时的仿真结果；其中图4(a)为功率相对值，图4(b)为轴向功率偏移。
[0044]图5为本发明在AO棒组动作，M棒组不动作时的仿真结果；其中图5(a)为功率相对值，图5(b)为轴向功率偏移。
[0045]图6为本发明实施例1和现有控制技术控制效果对比图，其中图6(a)为功率相对值，图6 (b)为轴向功率偏移，图6 (c)为未解偶各棒组移动棒位，图6 (d)为解偶后各棒组移动棒位。
[0046]图7为本发明实施例2和现有控制技术控制效果对比图；其中图7(a)为未解偶功率相对值，图7(b)为解偶后功率相对值，图7(c)为未解偶轴向功率偏移，图7(d)为解偶后轴向功率偏移，图7(e)为未解偶各棒组移动棒位，图7(f)为解偶后各棒组移动棒位。
【具体实施方式】
[0047]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0048]如图1所示，本发明一种AP1000堆芯解耦控制系统，包括和堆芯传递函数模型相连接的Μ棒控制系统、AO棒控制系统以及与Μ棒控制系统和Α0棒控制系统连接的解稱控制系统，所述解耦控制系统也和堆芯传递函数模型相连接；所述堆芯传递函数模型向Μ棒控制系统反馈冷却剂平均温度和核功率两路信号，向Α0棒控制系统反馈轴向功率分布信号，Μ棒控制系统向解f禹控制系统输入Μ棒组移动棒位，Α0棒控制系统向解f禹控制系统输入A0棒组移动棒位，解耦控制系统将补偿后的Μ棒组移动棒位和Α0棒组移动棒位输入堆芯传递函数模型。
[0049]作为本发明的优选实施方式，所述堆芯传递函数模型包括堆芯快模态双节点模型和堆芯慢模态双节点模型。
[0050]如图2所示为本发明所使用堆芯两节点模型示意图，堆芯上半区为节点2，堆芯下半区为节点1，其中η” η2分别为节点1和节点2的平均中子密度，Μ12为节点2对节点1的中子耦合系数，M21为节点1对节点2的中子耦合系数；T。为堆芯冷却剂入口温度，Th为堆芯冷却剂出口温度。
[0051]作为本发明的优选实施方式，所述解耦控制系统由解耦控制器模型和与其相连的两个加法器组成。
[0052]本发明AP1000堆芯解耦控制系统的控制方法，具体包括如下步骤:
[0053]步骤1:建立堆芯模型，堆芯模型采用两节点模型，如图2所示，堆芯上半区为节点2，堆芯下半区为节点1，并将模型线性化处理，得到堆芯传递函数模型；具体为:首先建立堆芯慢模态双节点模型和快模态双节点模型，并采用微小摄动理论对堆芯慢模态双节点模型和快模态双节点模型进行线性化处理，推导出堆芯慢模态传递函数模型和快模态传递函数模型，以引入节点2、节点1反应性和冷却剂入口温度变化量为输入变量，以节点2、节点1功率相对值和冷却剂出口温度变化量为输出变量，组成一个3X3的传递函数矩阵并进行计算；由于所得到的传递函数模型的阶次较高，不利于控制器的设计，最后利用pade降阶法对传递函数结果进行了降阶。
[0054]步骤2:对Μ棒组和Α0棒组的控制棒进行建模，
[0055]对Μ棒组的控制棒进行建模，具体方法如下:
[0056]将Μ棒控制系统的Μ棒组等效为一根控制棒，且该控制棒初始位置在堆芯中部，初始插入深度为214.76cm,即当该控制棒动作时，同时在堆芯上部及下部引入反应性；将该控制棒移动棒位与其引入的反应性近似成线性关系:
[0057]p M=b.MP
[0058]式中:
[0059]pM-Μ棒组引入堆芯反应性/pcm ;
[0060]b——Μ棒组移动棒位及其引入堆芯反应性之间的系数/pcm.cnT1 ；
[0061 ] Mp-Μ棒组移动棒位/cm。
[0062]若要达到叠步效果，使反应性变化较均匀，对反应性重新分配，分别设计控制棒引入堆芯上部及下部的反应性，如下式所示:
[0063]节点2范围内Μ棒组价值:P M2=bn.MP
[0064]节点1范围内Μ棒组价值:P M1=b21.MP
[0065]式中:
[0066]ρ E——Μ棒组弓I入堆芯上部反应性/pcm ；[0067]bn——M棒组移动棒位及其引入堆芯上部反应性之间的系数/pcm.cm—\取bn=_6.4e_5 ；
[0068]Mp-M棒组移动棒位/cm ；
[0069]p M1——M棒组引入堆芯下部反应性/pcm ；
[0070]b21——M棒组移动棒位与引入堆芯下部反应性之间的系数/pcm.cm—S取b21=—2.5e—5 ；
[0071]对AO棒组的控制棒进行建模，具体方法如下:
[0072]AO棒组初始插入深度为48.49cm,将AO棒组移动棒位与其引入的反应性近似成线性关系，设计AO棒组价值如下式所示:
[0073]P A0=b12.AOp
[0074]式中:
[0075]P A0-AO棒组引入堆芯反应性/pcm ；
[0076]b12—AO棒组移动棒位与引入堆芯上部反应性之间的系数/pcm.cnT1，取b12=_6e_5 ；
[0077]AOp——AO棒组移动棒位/cm ；
[0078]步骤3:将步骤I所建立的堆芯模型和步骤2所建立的控制棒模型结合，过程如下:
[0079]由于
[0080]P 1i2- P M2+ P Ao
[0081]式中，P rod2为控制棒在节点2引入的反应性。
[0082]P ro(j「P Ii
[0083]式中，Prrnii为控制棒在节点I引入的反应性。
[0084]应用微扰法，对上述方程进行线性化处理，得
[0085]δ P Md2- δ ρ Μ2+ δ ρ Α0
[0086]δ ρ rodl- δ ρ M1
[0087]式中，δ表示变量在其稳态值附近的扰动偏差。
[0088]又由于
[0089]P m=hn.Mp
[0090]P M1=b21.Mp
[0091]P Ao=bi2 * AOp
[0092]可得各节点反应性与控制棒插入距离之间的传递函数关系如下
【权利要求】
1.一种APlOOO堆芯解耦控制系统，其特征在于:包括和堆芯传递函数模型相连接的M棒控制系统、AO棒控制系统以及与M棒控制系统和AO棒控制系统连接的解稱控制系统，所述解耦控制系统也和堆芯传递函数模型相连接；所述堆芯传递函数模型向M棒控制系统反馈冷却剂平均温度和核功率两路信号，向AO棒控制系统反馈轴向功率分布信号，M棒控制系统向解f禹控制系统输入M棒组移动棒位，AO棒控制系统向解f禹控制系统输入AO棒组移动棒位，解耦控制系统将补偿后的M棒组移动棒位和AO棒组移动棒位输入堆芯传递函数模型。
2.根据权利要求1所述的一种AP1000堆芯解耦控制系统，其特征在于:所述堆芯传递函数模型包括堆芯快模态双节点模型和堆芯慢模态双节点模型。
3.根据权利要求1所述的一种AP1000堆芯解耦控制系统，其特征在于:所述解耦控制系统由解耦控制器模型和与其相连的两个加法器组成。
4.权利要求1所述的AP1000堆芯解耦控制系统的控制方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1:建立堆芯模型，堆芯模型采用两节点模型，堆芯上半区为节点2，堆芯下半区为节点I，并将模型线性化处理，得到堆芯传递函数模型； 步骤2 :对M棒组和AO棒组的控制棒进行建模， 对M棒组的控制棒进行建模，具体方法如下: 将M棒控制系统的M棒组等效为一根控制棒，且该控制棒初始位置在堆芯中部，初始插入深度为214.76cm,即当该控制棒动作时，同时在堆芯上部及下部引入反应性；将该控制棒移动棒位与其引入的反应性近似成线性关系:
P M=b*MP 式中: P μ-M棒组引入堆芯反应性/pcm ； b—M棒组移动棒位及其引入堆芯反应性之间的系数/pcm.CnT1 ； Mp——M棒组移动棒位/cm。 对反应性重新分配，分别设计控制棒引入堆芯上部及下部的反应性，如下式所示: 节点2范围内M棒组价值:P 节点I范围内M棒组价值:P M1=b21*Mp 式中: P M2—M棒组引入堆芯上部反应性/pcm ； bn—M棒组移动棒位及其引入堆芯上部反应性之间的系数/pcm.CnT1 ； Mp——M棒组移动棒位/cm ； P M1—M棒组引入堆芯下部反应性/pcm ； b21—M棒组移动棒位与引入堆芯下部反应性之间的系数/pcm.CnT1 ； 对AO棒组的控制棒进行建模，具体方法如下: AO棒组初始插入深度为48.49cm，将AO棒组移动棒位与其引入的反应性近似成线性关系，设计AO棒组价值如下式所示:
P A0=b12*A0p
式中:p AO-AO棒组引入堆芯反应性/pcm ；b12——AO棒组移动棒位与引入堆芯上部反应性之间的系数/pcm.cnT1，取b12=_6e_5 ；A0P——A0棒组移动棒位/cm ；步骤3:将步骤1所建立的堆芯模型和步骤2所建立的控制棒模型结合，得到以Μ棒组移动棒位和Α0棒组移动棒位为输入变量，核功率和轴向功率分布为输出变量的堆芯传递函数模型，采用该堆芯传递函数模型在MATLAB/SMULINK中搭建仿真框图，进行负荷跟踪动态仿真；在负荷跟踪过程中，当功率发生变化时，由堆芯传递函数模型向Μ棒控制系统反馈冷却剂平均温度信号和核功率信号，通过Μ棒控制系统驱动Μ棒组动作，使Μ棒控制系统输出Μ棒组移动棒位，此时Μ棒组的动作对轴向功率的分布产生耦合影响，由堆芯传递函数模型向Α0棒控制系统反馈轴向功率分布信号，通过Α0棒控制系统驱动Α0棒组动作，使Α0棒控制系统输出Α0棒组移动棒位，此时Α0棒组的动作对核功率产生耦合影响，Μ棒组移动棒位和Α0棒组移动棒位输入解耦控制系统，解耦控制系统通过对这两个信号进行补偿处理，从而实现两个棒组之间的解耦，即消除了 Μ棒组动作时对轴向功率分布产生的耦合影响及Α0棒组动作时对核功率产生的耦合影响，解耦控制系统将补偿后的Μ棒组移动棒位和Α0棒组移动棒位输入堆芯传递函数模型，实现了堆芯的解耦控制。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于:步骤1所述的建立堆芯模型及模型线性化处理过程为:首先建立堆芯慢模态双节点模型和快模态双节点模型，并采用微小摄动理论对堆芯慢模态双节点模型和快模态双节点模型进行线性化处理，推导出堆芯慢模态传递函数模型和快模态传递函数模型，以引入节点2、节点1反应性和冷却剂入口温度变化量为输入变量，以节点2、节点1功率相对值和冷却剂出口温度变化量为输出变量，组成一个3X3的传递函数矩阵并进行计算；最后利用pade降阶法对传递函数结果进行了降阶。
【文档编号】G05B13/04GK103699008SQ201310296529
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年7月15日 优先权日:2013年7月15日
【发明者】赵福宇, 陈丽 申请人:西安交通大学