基于鲁棒解耦的多单元模块式小堆系统协调控制方法研究

The Multi-Unit Small Modular Reactor (MSMR) has been attracting considerable attention around the world by its economic benefits, safety and multipurpose. The coupled structure of the MSMR with several reactors and turbines makes that its dynamic characteristics and control method are very different with the conventional reactor’s. Therefore, the study of the dynamic characteristics and control method of the MSMR is important and significant. The MSMR with small pressurized water reactor and once-through steam generator is taken as the research object. Firstly, the MSMR simulation platform and its hardware-in-the-loop simulation platform are built by the combination of the theoretical calculation and experiment. Secondly, the load following capability of the single reactor is studied by MSHIM and flexible load. Thirdly, the dynamic characteristics of the MSMR is analyzed and its general laws are revealed. Finally, a hierarchical coordination control system with robust decoupling controller is designed for MSMR, and a general control system design method for the MSMR is proposed. Through the fulfilling of this project, the general laws dynamic characteristics of the MSMR with several reactors and several turbines operated in parallel can be clarified; and the general control system design method for the MSMR can be established. The results have the science significance and engineering value for the research and development of the MSMR.

多单元模块式小堆（Multi-Unit Small Modular Reactor, MSMR）系统具有经济性好、安全性高和多用途性等优点，是核能发展的热点方向之一。多堆供能、多负荷用能的强耦合结构决定了MSMR系统的动态特性与单堆有很大区别，进而对控制方法提出了更高的要求，因此对其控制方法的研究是非常必要的。项目以采用小型压水堆和直流蒸汽发生器的MSMR系统为研究对象，通过仿真计算和模化分析建立计算机仿真平台与半实物仿真平台；通过机械补偿和柔性负荷相结合的方式提高单堆负荷跟踪能力；通过逆奈氏阵列法分析系统的动态特性并设计解耦控制器，揭示系统动态特性的一般规律；设计基于分层的协调控制系统和鲁棒解耦控制器并进行仿真验证，最终建立基于鲁棒解耦的协调控制方法。项目不但有助于明确MSMR系统多堆多负荷并列运行的动态特性，而且能建立这类系统的基本控制方法，对其研发和建设具有重要的科学意义和工程价值。

多单元模块式小堆（Multi-Unit Small Modular Reactor, MSMR）系统是一种新型的核能技术，具有可扩展性和灵活性的优点。然而，MSMR系统复杂，具有强非线性、不确定性和强耦合性的特点，现有的核反应堆系统控制理论满足不了该系统控制需求。因此，以MSMR系统为研究对象，开展了系统在动态特性和运行控制方面的研究。首先，采用模块化建模方法，从物理对象机理出发建立了各模块数学模型，搭建了Simulink计算机仿真平台，同时搭建了包括实物回路、数据采集模块、控制信号输出模块和工控机的半实物仿真平台。其次，基于机械补偿和柔性负荷相结合的方法进行了反应堆负荷跟踪能力的研究。一方面设计了SMR机械补偿控制系统，设计了控制棒的分组和布置，分为价值相对较低的功率控制棒组（M棒组）和价值较高的功率分布控制棒组(AO棒组)；另一方面在负荷侧加入柔性负荷来平缓外界负荷变化，将柔性负荷分为A型和B型，并分别设计了相应的控制系统。然后，基于多变量频域方法进行了MSMR系统的动态特性分析，采用多变量逆奈奎斯特阵列法进行了动态特性分析验证。最后，根据控制任务，设计了采用理想稳态规划的主从控制系统，其中重点为蒸汽母管压力控制和模块间负荷分配控制，建立了MSMR系统协调控制方法。开发的MSMR计算机仿真平台可为后续研究提供模型基础；设计的基于机械补偿和柔性负荷相结合的控制方案，为反应堆提高负荷跟踪能力提供了参考；开展的MSMR动态特性分析方法，揭示了MSMR多堆多负荷并列运行动态特性的一般规律；设计的协调控制方法对MSMR系统的研究和建设具有重要科学意义和工程价值。