核反应堆功率控制协调策略探讨

孟安军

【摘 要】作为系统控制的重要环节，功率控制协调策略的应用将直接影响核反应堆运行的安全性和经济性。本文首先介绍了核反应堆功率控制理论基础，然后具体探讨了核反应堆功率控制协调策略，以期为相关技术与研究人员提供参考。

【关键词】核反应堆；功率；控制协调策略

核电厂的功率控制系统一般包含核反应堆功率控制系统、核反应堆冷却剂温度控制系统及化学与容积控制系统。而核电厂功率控制系统对于改善核反应堆的升降、停堆和启动功率及保持核反应堆运行的稳定性等具有重要影响。尤其是做好功率控制协调，可确保核反应堆保持经济、安全的运行状态。对功率分布及功率控制协调须实现剩余反应性的消除，以弥补运行中因中毒、温度变化等造成的反应性变化。因此，加强有关核反应堆功率控制协调策略的探讨，对于提高核反应功率控制质量具有重要的现实意义。

1 核反应堆功率控制理论基础

1.1 状态反馈

线性状态反馈控制率的公式为：

u=Lv-Kx

其中：K表示p*n阶状态反馈增益矩阵，其属于实常数矩阵；v表示p维控制输入量；L表示p*p维非奇异常数据阵，其属于常数变换矩阵。将此公式代入原系统获得的闭环系统状态空间表达式可为：

x=（A-BK）x+BLv

y=Cx

由此分析状态反馈的基本性质为：（1）输出反馈可作为状态反馈的特例，如当K与HC相等时，则Kx也等于Hy，这时状态反馈与输出反馈相互等价；（2）若输入变换矩阵的L与I相等时，也就是未对输入进行变换时，则可将其称为基本的状态变量反馈；（3）依据闭环系统的传递函数阵可求解出状态反馈对闭环传递函数阵的作用。[1]

1.2 极点配置

作为控制系统的一类有效指标设计，线性系统的极点配置主要以某定常系统为目标，构造某类线性定常控制率，以促使闭环系统形成期望的一组极点。此种指标的基础通常包含两方面：一是系统的极点控制系统响应速率；二是系统的极点控制系统渐进稳定性。在进行极点配置时若采用状态反馈方式，应先考虑是否能利用状态反馈开展任意节点配置，也就是在何种状态下才能利用状态反馈将系统闭环极点设置在各种期望的位点上；然后需要考虑此种状态反馈的实现方式。

一般系统的状态空间表达式为：

x=Ax+Bu

y=Cx+Du

采用状态反馈u=-Kx+v将此类系统的闭环极点设置在各种指定位置的基本前提是此类系统具有完全的可控性。

1.3 线性矩阵不等式

在多数系统控制问题中，问题变量多采用矩阵形式表示。常见的标准线性不等式问题主要有三种。假设F、Ф与P是关于变量x的对称矩阵值放射函数，c表示设定的常数向量。

（1）特征值问题：此问题是以线性矩阵不等式为限制条件，求矩阵P（x）的最大特征值的最小化问题或检测问题的限制条件能否可行。其一般形式可表示为：

minλ

s.t.P（X）<λI

θ（x）<0

（2）广义特征值问题：此问题是以线性矩阵不等式为限制标间，求两个仿射矩阵函数的最大广义特征值的最小化问题。其一般形式可表示为：

minλ

s.t.P（X）<λI

F（x）>0

θ（x）<0

（3）可行性问题：在设定的线性矩阵不等式F（x）<0的条件下，确定是否有x使F（x）<0的限制条件成立，此种问题便称为线性矩阵不等式的可行性问题。若含有此种x，那么此矩阵不等式是可行的，相反则表示此矩阵不等式不可行。[2]

2 核反应堆功率控制协调策略

2.1 反应堆功率控制调节方法

2.1.1 PID控制器

PID控制是指依照偏差的微分D、积分I和比例P实施控制。此种控制方法具有较高的可靠性和鲁棒性，且算法简便，在不同工业领域的生产控制中均获得了较好的控制效果。依据实践结果，可选用冷却剂平均温度PID控制器和功率PID控制器开展功率调节。PID控制器选用数字PID控制中的增量算式。在降功率与升功率条件下，选用经验调节方式，先对比例系数进行调整，然后依次分别是积分分数和微分分数，由此获得降功率与升功率两部分PID的参数。因PID控制器并非以系统模型为基础，所以按照以上参数设置的PID控制器在不同工作条件下都具有较好的控制效果，而当反应堆工作状况与调节工况偏差过大时，控制效果便会明显减弱。

依据实际仿真效果数据发现，升功率时功率在保持稳定后不出现震荡，冷却剂温度的漂移量一般控制在0.2℃以下，而降功率的控制效果低于升功率，降功率时功率在达到设定值后会先产生震荡然后趋于稳定，冷却剂温度的漂移量则升高至1.1℃。造成此种状况是因为PID控制参数主要是依据升功率工况进行调节，所以升功率控制效果要好于降功率。

2.1.2 专家PID控制器

专拣控制是指模拟人工智能将人为对事件的主观信念纳入到控制系统中，按照高水平操作员的经验或经验规则完成系统管控。而专家PID控制便是将PID控制与专家控制规则相结合，其不仅具备传统PID控制的稳定性优势，且具备专家控制的智能性。在控制时主要依据专家调整变量的经验或专家知识对PID控制器内的微分、积分和比例实施有效整定，以大幅度提升PID控制的动态性。而恰当设定和应用此类经验规则是专家PID控制器设计的关键环节，应用中可依据核反应堆功率系统的实际运行规律按照控制需求对系统变化速率和超调量实施控制，直至实现反应堆的功率调控。此种方案不但能充分利用PID控制器的稳定、简捷和易于现场操作的特点，还能将专家控制规则不受被控对象数学模型影响的特点有效集成，由此可极大提升系统控制质量。

2.2 功率控制与功率分布的协调

2.2.1 设定运行的目标区域

在设定反应堆工作的目标区域时，可选用常轴向偏移法，目标值AOref会与堆芯寿命期限协同变化。如在对堆芯寿命周期末进行仿真时，可选取目标值AOref为5%，将其纳入到算法中求得工作中轴向功率偏差的目标值ΔIref，随后画图便能得出实际的功率运行目标区域。

2.2.2 功率分布调节

可使用双堆数学模型对反应堆堆芯活性区进行划分，得到的上下部分各选用六组缓发中子的点堆子动力学方程控制，通过功率分布系统便能实时检测上下两个点堆的功率状况，然后利用算法求得轴向偏移；再与实际功率水平相结合共同代入到运行带中检测能否满足运行标准。若满足则继续开展功率调控，若不满足，则先压低功率变化幅度，再对功率分布是否符合梯形图要求进行检测，由此循环监控，以确保工作过程中功率分布符合安全运行标准。

2.2.3 轴向偏移控制

选用上述功率分布调节方式，依据仿真结果发现当功率由20%上升至100%时加入协调控制反应堆的轴向偏差更低，其运行的稳定性与安全性更有保障。[3]

3 结束语

功率控制协调策略的应用质量将直接关系着核反应堆的整体运行质量和效益，因此，相关技术与研究人员应加强有关核反应堆功率控制协调策略的研究，总结核反应堆功率控制措施及关键技术处理方法，以逐步提升核反应堆功率运行水平。

【参考文献】

[1]赵伟宁.核反应堆功率的模糊最优控制系统研究[D].哈尔滨工程大学 2013，13（14）：74-75.

[2]刘妍.一体化反应堆协调控制技术研究[D].哈尔滨工程大学，2013，6（10）：61-62.

[3]刘冲，周剑良，谭平.基于数字化控制的核电站反应堆功率控制系统[J].南华大学学报：自然科学版，2010，5（35）：57-58.

[责任编辑：汤静]