球床式高温气冷堆核能系统的非线性鲁棒功率控制方法研究

球床式高温气冷堆具有固有安全性和良好经济性的特点，是新一代核能系统的候选堆型之一，发展球床式高温气冷堆核能系统有助于缓解我国能源紧张和节能减排的严峻形式，而发展非线性鲁棒功率控制方法对于保证球床式高温气冷堆核能系统的平稳、高效运行具有深刻的科学和工程意义。本项目将在深入研究球床式高温气冷堆核能系统动力学内部结构特点的基础上，建立核能系统的能量函数控制方法，并进而提出保证大范围精确功率调节、结构简单且调整参数物理意义明确的球床式高温气冷堆非线性鲁棒功率控制器。本项目还将在典型工况下，进行经典功率控制器与非线性鲁棒功率控制器的对比数值仿真研究，并给出定量的性能评价。本项目研究成果对于设计其它类型反应堆的功率控制器具有借鉴意义，并将填补我国在核能系统非线性鲁棒功率控制方法研究方面的空白。

球床式高温气冷堆是第四代核能系统的首选堆型之一，功率控制是保证其安全、稳定和高效运行的关键技术。由于球床式高温气冷堆是个具有核裂变反应的复杂热力系统，并在动态特性上具有强非线性和参数不确定性的特点，因而研究球床式高温气冷堆核能系统的非线性控制方法对该型核能技术甚至我国经济社会可持续发展都具有重要意义。由于核能系统在能量表达形式上与机械和电力系统有着本质的不同，因此现有的基于能量函数的方法不能应用于核能系统的控制。项目组从核能系统的动力学本质出发，提出了中子运动和反应堆热工水力环节的偏移对偶熵的概念，并以此为基础通过分析反应堆的自稳定性，提出了球床式高温气冷堆核能系统的物理控制方法。进而，课题组基于物理控制的思想，设计了具有高性能的球床式高温气冷堆非线性鲁棒功率控制器和自适应功率控制器，并证明了简单的PD控制器亦可保证闭环全局渐近稳定性。此外，课题组还通过研制球床式高温气冷堆的实时仿真软件，开发半实物仿真平台，对所提出的功率控制方法进行了半实物仿真验证。总之，本项目的研究形成了一套基于物理思想的非线性鲁棒功率控制方法，该方法不仅可应用于球床式高温气冷堆，也可推广应用于其他类型的核反应堆。