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核反应堆功率滤波与负荷跟踪控制研究

摘要

随着“碳达峰”、“碳中和”等目标的相继提出，核能以其独有的清洁、高密度的优

势备受关注。在未来，如果将核电站作为接替火电的电力产出方式，核反应堆的各项状

态变量则需要能够被实时监测，且输出功率需要具有传统火力发电的灵活调峰特性。

然而在反应堆芯功率系统中存在如缓发中子先驱核浓度、堆芯燃料温度等无法直接

量测的数值，且堆芯功率、冷却剂出口温度等可量测信息含有一定量测噪声，因此一个

能对反应堆各状态量进行准确估计的方法是十分必要的；同时面向实际应用需求，根据

电网侧的负荷需要灵活调整反应堆功率的控制方法也同样具有研究价值。

本文首先对反应堆的五阶、七阶非线性与线性模型进行构建、分析与对比，为后续

的滤波及功率控制研究建立数学基础；之后引入卡尔曼滤波算法，基于堆芯功率五阶非

线性模型与经典卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、三阶及五阶容积卡尔曼滤波器设计

理论，对反应堆五阶功率系统的卡尔曼滤波器进行构建，并进行数值仿真验证与对比；

考虑到反应堆在运行过程中可能存在的执行器与量测信息故障或异常，本文引入三阶平

方根容积卡尔曼滤波器以保证滤波连续性，并基于交互多模型滤波结构分别针对上述两

种故障工况设计了交互多模型滤波器，结合故障工况进行反应堆功率系统交互多模型滤

波器的仿真验证。考虑到工程实际中反应堆功率的负荷跟踪需求，选用状态反馈控制方

法，基于反应堆功率系统七阶非线性模型设计卡尔曼滤波器，将所构建的卡尔曼及交互

多模型滤波器作为状态观测器使用，分别设计了堆芯功率离散保性能控制器与离散H∞

控制器，并进行正常情况与量测信息异常工况下的负荷跟踪仿真验证；最后，针对离散

保性能与H∞控制器在仿真中表现出的优势与不足，以矩阵不等式联立的方式，求解离

散H∞-LQR控制器并进行负荷跟踪工况仿真验证。

仿真结果表明：容积卡尔曼滤波器相对于经典、扩展卡尔曼滤波器具有更优的反应

堆功率系统状态估计精度；在执行器、量测信息异常工况下，基于多个三阶平方根容积

卡尔曼滤波器所设计的交互多模型滤波结构仍然能够对反应堆的状态量进行准确估计；

将卡尔曼滤波器及交互多模型滤波器作为状态观测器，与本文设计的控制器相结合，能

够使反应堆功率系统有效地完成对目标功率水平的负荷跟踪需求。

关键词：反应堆状态估计；卡尔曼滤波；交互多模型滤波；反应堆功率控制

核反应堆功率滤波与负荷跟踪控制研究

ABSTRACT

Withthetargetsofcarbonpeaking,carbonneutralityandothertargetshavebeenput

forward,nuclearenergyattractedmuchattentionduetoitsuniqueadvantagesofcleannessand

highenergy-density.Forfuture,ifthenuclearpowerplantsareusedasthewayofpower’s

generationtoreplacethethermalpowerplant,itmeansthatthevariableofthenuclearreactor’s

stateshouldbemonitoredinrealtime,andtheoutputpowerofthenuclearreactorshouldbe

abletoadjustitspower-peakflexiblylikethethermalpowerplant.

However,somevariablesofthereactorcorepowersystemcannotbedirectlymeasured,

suchastheconcentrationofdelayedneutronprecursors,corefueltemperature,etc.,andthe

measurableinformationsuchascorepowerand