发电技术

发电技术, 2023, 44(6): 833-841 DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22063

发电及环境保护

660 MW核电机组一次调频实验及动态特性仿真分析

唐平

中核核电运行管理有限公司，浙江省 嘉兴市 314300

Experiment and Dynamic Characteristics Simulation of Primary Frequency Regulation of a 660 MW Nuclear Power Unit

TANG Ping

China Nuclear Power Operation Management Co. , Ltd. , Jiaxing 314300, Zhejiang Province, China

收稿日期: 2023-01-20  

Received: 2023-01-20  

作者简介 About authors

唐平(1978)，男，硕士，高级工程师，研究方向为核电机组运行与控制，tping@cnnp.com.cn。

摘要

核电机组与火电机组运行差异较大，目前核电机组对电网频率变化响应的具体数据比较缺乏。为了深入研究660 MW核电机组功率与电网频率变化的动态响应特性，在国内某核电厂3、4号机组进行负荷变化频率差扰动试验，分析机组在实际动作过程中相关参数变化，验证了机组具备在电网小扰动情况下的调节能力。同时，利用MATLAB/Simulink软件建立核电机组一次调频能力的数学模型，通过对核电机组频率动态变化特性的分析，提出了相应的优化方案，为国内同类型核电机组参与电网一次调频提供重要的试验数据支持。

关键词： 核电机组 ; 一次调频 ; 动态响应特性

Abstract

The operation mode of nuclear power units is very different from that of thermal power units, and the specific data on the response of relevant nuclear power units to grid frequency changes are relatively lacking at present. In order to deeply study the dynamic response characteristics of the power and grid frequency changes of the 660 MW nuclear power unit, a perturbation test of load change frequency difference was conducted in units 3 and 4 of a domestic nuclear power plant to analyze the changes of relevant parameters during the actual operation of the unit. We verified that the unit had the regulation capability under small grid perturbations. At the same time, the mathematical model of the primary frequency regulation capability of nuclear power units was established by using MATLAB/Simulink software, and the corresponding optimization scheme was proposed through the analysis of the dynamic change characteristics of nuclear power units, which provide important test data support for the participation of the same type of nuclear power units in the primary frequency regulation of the power grid.

Keywords： nuclear power unit ; primary frequency regulation ; dynamic response characteristics

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本文引用格式

唐平. 660 MW核电机组一次调频实验及动态特性仿真分析. 发电技术[J], 2023, 44(6): 833-841 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.22063

TANG Ping. Experiment and Dynamic Characteristics Simulation of Primary Frequency Regulation of a 660 MW Nuclear Power Unit. Power Generation Technology[J], 2023, 44(6): 833-841 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.22063

0 引言

伴随电力工业的蓬勃发展，特别是在特高压和大容量直流输电技术广泛应用后，华东电网对其直代管机组的一次调频能力的要求更加严格。电网频率的异常将严重威胁电力系统的安全稳定运行[1-4]。华东电网基于其“三交七直”的特殊构成和影响频率的主要因素，要求其管辖的核电机组参与电网一次调频。目前，全球核电机组一般保持基本负荷运行，极少参与电网调峰调频运行。近年来，风能、太阳能等可再生能源迅速发展，其随机性和难以预测的功率波动特征导致电网频率偏差增大[5-9]，电力系统原有的一次调频能力不足，迫切需要原来承担基本负荷的大型机组参与一次调频。目前，全球范围内的核电机组由于技术经济性等因素，均保持基本负荷运行方式，极少参与电力系统一次调频。同时，核电机组一次调频动作期间，控制棒驱动机构频繁动作，对机组的核安全带来巨大挑战。

国内外学者对于核电机组一次调频动态响应研究较少，多数集中在核电机组的仿真分析和核电机组一次调频动作时的风险分析方面[10-16]，核电机组一次调频实验数据较为缺乏。

本文以国内某660 MW核电机组为研究对象，针对不同功率平台进行不同功率扰动试验，分别得到不同扰动下机组响应的具体数据。同时，结合机组实际工况，利用MATLAB/Simulink建立数学模型，提出优化方案。

1 机组配置简介

压水堆核电机组一回路平均温度控制系统采用A模式，即一回路平均温度漂移的折中方案。A模式主要特点是：要求反应堆在额定功率或接近额定功率水平下稳定运行，反应堆核功率调节主要是通过改变一回路硼浓度的方法来实现。考虑可能出现的引起反应堆功率瞬态的运行方式，A模式同时要求反应堆具有快速调节核功率的能力，这种调节方法主要依靠控制棒完成。从国际上在运压水堆核电机组的运行统计情况来看，A模式的核电机组为了满足功率变化机动性的要求，压水堆核电机组应具有一定的负荷快速跟踪能力。根据技术规格书要求，机组80%循环寿期内能进行12-3-6-3的负荷跟踪能力[17]，以满足电网的日负荷变化要求。同时，反应堆在设计上具有跟踪电功率负荷10%PF(PF表示满功率)阶跃功率变化及电功率负荷5%PF/min线性变化的调节能力。

正常运行过程中，反应堆核功率跟随汽轮发电机电功率。当电网频率变化时，一次调频动作产生的功率补偿信号叠加到汽轮机调节系统的负荷整定值上，指令信号改变主蒸汽调节阀开度，调节汽轮机的进汽量，响应电网的一次调频动作。同时，另一路信号通过反应堆平均温度调节系统控制控制棒，以达到快速响应温度变化的目的。机组一次调频控制原理如图1所示。

图1

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图1   机组一次调频控制原理

Fig. 1   Primary frequency control principle of the unit


2 仿真模型搭建

CNP600型汽轮发电机组是由哈尔滨汽轮机厂生产的凝汽式、单轴、带有中间再热的高压调节汽轮机。

压水堆核电机组汽轮机数字电液(digital electro-hydraulic，DEH)控制系统的数学模型主要由以下环节构成：一次调频控制环节、汽轮发电机功率控制环节、电液转换器环节、高压调阀油动机环节、管道及容器的容积时间常数环节[18]。DEH系统各个环节的数学模型[19-20]采用理论推导的方式建立，在MATLAB/Simulink环境建立的仿真函数方框图如图2所示，其中相关参数初次取值为设计参数。

图2

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图2   汽轮发电机组并网后的负荷控制仿真函数方框图

Fig. 2   Block diagram of load control simulation function after grid connection of turbine generator set


3 算例分析

为深入分析核电机组对电网频率的响应特性，在国内某核电机组分别进行了电功率为528、594、660 MW 3个平台的±1%Pe(Pe表示额定电功率)、±2%Pe、±3%Pe阶跃试验。

3.1 528 MW电功率平台扰动试验期间参数变化

汽轮发电机组在528 MW平台运行，分别进行±1%Pe、±2%Pe、±3%Pe阶跃试验，试验期间一次调频的动态响应参数符合指标要求，机组参数变化符合机组设计要求。试验期间动态响应指标、机组参数变化分别如表1、2所示，试验过程中的数据变化如图3所示。

表1   528 MW平台扰动试验期间动态响应指标

Tab. 1  Dynamic response indices of 528 MW platform during disturbance test

负荷变化/%要求值峰值稳定值动作死区值/Hz调差系数/%
功率/MW响应时间/s功率/MW响应时间/s功率/MW响应时间/s峰值稳定值
3543.88.5547.836.0547.438.0-0.0674.784.88
-3512.04.2507.038.5507.346.00.0674.574.59
2538.53.6542.040.1541.950.0-0.0674.474.56
-2517.45.6513.040.1514.052.10.0674.354.54
1533.23.6534.47.9534.114.7-0.0674.955.22
-1522.73.1520.75.3521.410.90.0674.354.80

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表2   528 MW平台扰动试验期间机组参数变化

Tab. 2  Changes of unit parameters during disturbance test of 528 MW platform

负荷变化/%模拟转速偏差/(r/min)负荷预计变化/MW负荷实际变化/MW调门开度变化/%D棒变化
-15.8-6.6-733.6→32.9191→188
1-5.86.6633.8→34.5188→190
-27.6-13.2-1533.8→32.4190→184
2-7.613.21434.0→35.4186→193
-39.4-19.8-2133.4→31.7190→182
3-9.419.82033.9→35.9186→195

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图3

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图3   528 MW平台扰动试验过程中的数据变化

Fig. 3   Data changes in the process of 528 MW platform disturbance test


在528 MW平台试验期间，高压调门动作正常，反应堆功率跟随正常，功率变化主要依靠控制棒的快速动作来控制反应性。控制棒D棒的快速提升和下插在一定程度上会影响反应堆内部的功率分布，特别是反应堆轴向功率分布。控制棒组的频繁动作导致堆芯内部氙振荡，燃料元件容易出现热点。燃料棒内部的芯块也会由于快速的功率变化而产生密实现象，存在导致燃料包壳破损的风险。控制棒的频繁动作还会带来控制机构的磨损，给反应堆压力边界的完整性带来一定的风险。

从图3可以看出，在528 MW平台进行±3%Pe阶跃试验时，主给水温度变化±1.5 ℃，主汽压力变化±0.15 MPa。

图4为528 MW平台高压缸调节阀开度变化，可以看出，进行-3%Pe阶跃试验时，高压缸调节阀在2.03 s内关闭到要求开度，如图4(a)所示；进行3%Pe阶跃试验时，高压缸调节阀在1.99 s内开启到要求开度，如图4(b)所示。

图4

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图4   528 MW平台高压缸调节阀开度变化

Fig. 4   Opening changes of high pressure cylinder regulating valves of 528 MW platform


3.2 594 MW电功率平台扰动试验期间参数变化

汽轮发电机组在594 MW平台运行，分别进行±1%Pe、±2%Pe、±3%Pe阶跃试验，试验期间动态响应指标、机组参数变化分别如表3、4所示，试验过程中的数据变化如图5所示。从表3、4可以看出：汽轮机在594 MW平台运行时，电网频率出现波动，机组出力和调差系数均能满足电网一次调频要求；机组对正向功率响应的时间短于其对负向功率响应的时间，调差系数相应也要小一些，机组对于电网低频故障能够快速响应。

表3   594 MW平台扰动试验期间动态响应指标

Tab. 3  Dynamic response indices of 594 MW platform during disturbance test

负荷变化/%要求值峰值稳定值动作死区值/Hz调差系数/%
功率/MW响应时间/s功率/MW响应时间/s功率/MW响应时间/s峰值稳定值
3611.84.4616.634.1616.161.1-0.0674.744.84
-3576.212.0574.238.0574.746.00.0675.405.53
2605.91.9609.815.8608.154.1-0.0674.505.06
-2582.111.0581.332.0580.562.00.0675.635.28
1599.93.2602.611.8601.444.0-0.0674.134.80
-1588.12.2586.838.2587.660.20.0674.955.59

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表4   594 MW平台扰动试验期间机组参数变化

Tab. 4  Changes of unit parameters during disturbance test of 594 MW platform

负荷变化/%模拟转速偏差/(r/min)负荷预计变化/MW负荷实际变化/MW调门开度变化/%D棒变化
-15.8-6.6-738.4→37.5185→183
1-5.86.6838.4→39.4186→187
-27.6-13.2-1338.4→36.7193→186
2-7.613.21538.5→40.7183→188
-39.4-19.8-1938.5→36.1192→184
3-9.419.82238.9→42.5189→201

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图5

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图5   594 MW平台扰动试验过程中的数据变化

Fig. 5   Data changes in the process of 594 MW platform disturbance test


3.3 660 MW电功率平台扰动试验期间参数变化

汽轮发电机组在660 MW平台运行，分别进行±1%Pe、±2%Pe、±3%Pe阶跃试验，试验期间动态响应指标、机组参数变化分别如表5、6所示，试验过程中的数据变化如图6所示。从表5、6可以看出：汽轮机在660 MW平台运行时，电网出现频率波动，机组出力和调差系数均可以满足电网一次调频要求，仅在电网频率较高、汽轮发电机减负荷时，调差系数裕度偏小；机组对正向功率响应的时间短于其对负向功率响应的时间，调差系数相应也要小一些，机组对于电网低频故障能够快速响应。

表5   660 MW平台扰动试验期间动态响应指标

Tab. 5  Dynamic response indexes of 660 MW platform during disturbance test

负荷变化/%要求值峰值稳定值动作死区值/Hz调差系数/%
功率/MW响应时间/s功率/MW响应时间/s功率/MW响应时间/s峰值稳定值
3679.62.5686.910683.028-0.0674.425.16
-3640.545.0639.850639.9500.0675.865.89
2673.22.7677.410673.942-0.0674.565.70
-2646.839.0645.949645.9580.0675.615.63
1665.43.0666.625666.748-0.0676.005.90
-1679.62.5686.910683.0280.0675.955.60

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表6   660 MW平台扰动试验期间机组参数变化

Tab. 6  Changes of unit parameters during disturbance test of 660 MW platform

负荷变化/%模拟转速偏差/(r/min)负荷预计变化/MW负荷实际变化/MW调门开度变化/%D棒变化
-15.8-6.6-6.146.3→44.5208→204
1-5.86.66.046.0→47.4204→204
-27.6-13.2-14.045.6→42.9202→195
2-7.613.218.046.7→51.6195→201
-39.419.8-21.046.1→42.0198→191
3-9.419.822.046.1→55.6198→205

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图6

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图6   660 MW平台扰动试验过程中的数据变化

Fig. 6   Data changes in the process of 660 MW platform disturbance test


从表6可以得出，汽轮机在660 MW平台运行时，电网出现频率波动，机组出力要求增加3%Pe时，机组实际出力为683 MW，折合反应堆回路功率103.48%PF，超过反应堆保护103%PF阈值，闭锁控制棒的提升和一次调频正向功率动作。若此时没有及时地控制功率，反应堆也将因负温度效应而释放一定的正反应性，反应堆有超功率的风险(技术规格书中要求堆芯热功率不得超过102%PF)，同时因为一二回路温度偏差过大，容易增加机组快速降功率的风险，这样会加重电网在故障期间的负担。机组出力要求增加3%Pe时，控制棒动作幅度加大，反应堆运行风险加大。夏季由于海水温度升高，凝汽器真空度降低，汽机调节阀开度较大，多数时间运行在50%以上开度(技术控制要求小于56%)，此时对应的蒸汽流量需求在96%左右。一旦出现一次调频动作要求增加负荷，特别是出力3%Pe需求，汽机的蒸汽流量需求超过98%的限值，导致汽轮机功率反馈兆瓦回路退出，汽轮发电机组控制变为开环运行，运行风险增大。

4 仿真及结果分析

核电机组的大型试验采用机组设计的参数值，同时结合调试过程中的经验反馈，根据试验过程中的参数变化适当调整参数的设置，以达到预期结果。修正后的仿真参数如表7所示。

表7   修正后的仿真参数

Tab. 7  Modified simulation parameters

参数取值
调速不等率平均值δ/ %5.2
转速偏差死区ε/(r/min)4
功率控制器PID比例环节倍数KP7
功率控制器PID积分环节倍数KI0.15
油动机时间常数Td0.2
电液转换器时间常数Te0.01
高压蒸汽容积时间常数Tρ0.42
高压缸功率比例系数α10.338 4
低压缸功率比例系数α20.661 6
再热器容积时间常数Th8
一次调频负荷上限Pmax /%2.97
一次调频负荷下限Pmin /%-3.02

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根据修正后的模块进行模型仿真：假定机组以额定功率稳定运行时，电力系统突发故障，产生电力负荷的动态不平衡。此时，电力系统综合有功功率需求增加，相应汽轮发电机组转速下降，触发机组一次调频动作，机组按照设定的要求向电网提供一定的功率需求。仿真过程中，在150 s内机组以5 MW/s速率增加到额定功率660 MW保持稳定运行，在150 s时电力系统突发故障，发电机组负荷控制系统频率偏差产生，触发机组一次调频动作。图7为功率输出仿真曲线。

图7

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图7   功率输出仿真曲线

Fig. 7   Power output simulation curve


其中，150 s处动作仿真曲线与机组实际试验动作曲线对比如图8所示。修正后的仿真结果与机组试验结果对比如表8所示。

图8

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图8   一次调频功率输出曲线比较

Fig. 8   Comparison of curves of primary frequency modulation power output


表8   满功率情况下修正后的一次调频响应指标对比

Tab. 8  Comparison of modified primary frequency modulation response indices under full power condition

指标仿真输出试验输出标准要求
转速不等率/%5.205.16≤6
15 s响应幅值/%102.1132.6≥75
30 s响应幅值/%93.4117.2≥90
稳定响应幅值/%100116±30%功率阶跃量
稳定时间/s28.529.02.0

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从表8可以看出，仿真输出和机组试验输出结果均符合一次调频技术要求。机组试验一次调频稳定输出值约23 MW，与要求值19.8 MW偏差3.2 MW，一次调频峰值输出值约27 MW；模型仿真一次调频稳定输出值约19.8 MW，与要求值无偏差，模型仿真一次调频峰值输出值约26.5 MW。机组现场功率变送器量程为0～866 MW，测量精度为0.2%。考虑机组功率变送器测量误差后，机组稳定输出误差仅为0.27%；机组试验输出稳定的时间实测值为29.0 s，仿真输出稳定的时间实测值为28.5 s，满足DL/T 1235—2013规定时间偏差小于2 s、功率偏差小于±30%功率阶跃量的要求[21-22]。由此可见，仿真模型能够充分反映机组的一次调频动作，可以用于同类型核电机组的一次调频模拟。

5 结论

1）通过660 MW核电机组一次调频实验，验证了机组在不同功率平台能够对电网扰动做出正确响应。实验积累的大量数据可以为核电机组参与电网一次调频提供数据支撑。

2）对仿真模型参数进行修正，可以使机组的一次调频能力更优，该仿真模型可以用于同类型核电机组的一次调频模拟。

3）汽轮机在660 MW平台运行时，夏季由于海水温度较高，机组效率下降，被迫降低出力，此时若出现一次调频动作增加功率的情况，反应堆出现超功率的风险非常高。建议华东电网在研究所辖区域机组参与电网调频策略时采用梯队方式，首先是水电和火电机组，其次是核电机组，同时优化核电机组一次调频投入退出条件。

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