一种反应堆冷却剂泵供电装置的制作方法

本实用新型涉及核电站厂用电系统电源技术领域，尤其涉及一种反应堆冷却剂泵供电装置。

背景技术：

反应堆冷却剂泵(简称“主泵”)是压水堆核电站一回路系统的关键设备之一，每条环路有一台主泵，用于驱动冷却剂在反应堆冷却剂系统内循环流动，连续不断地把堆芯中产生的热量传递给蒸汽发生器二次侧给水。主泵确保有适当流量的冷却剂流经堆芯，以维持偏离泡核沸腾比(以下简称DNBR)大于允许值。

在核电厂反应堆停堆工况下，主泵惰转，为了避免发生DNBR，对主泵惰转时间有限制要求。

当核电站发生全厂断电事故时，由于主泵失去电源而发生惰转，通过堆芯的冷却剂流量突然减少，给反应堆的安全带来威胁。为了确保全厂断电工况下堆芯的安全，主泵要求具有较长的惰转时间。

在发生主泵断电的情况下，反应堆需紧急停堆。停堆后反应堆剩余功率呈指数下降，故短时间内必须保持有较高的冷却剂流量通过反应堆堆芯。主泵装有飞轮装置，用键固定在电动机轴端，转子飞轮能够增加转子的转动惯量，延长转子的惰转时间，达到避免发生DNBR，提高系统安全性。通过在主泵转子增加惰转飞轮，提高主泵转子的转动惯量，以提高主泵的惰转时间。然而目前的飞轮方案能维持的主泵惰转时间较短，当反应堆冷却剂系统对主泵惰转时间具有更高要求时，目前的飞轮储能则无法满足系统安全要求，因此需要采用一种新型的应急供电方式，进一步提高主泵转子惰转时间，确保系统安全。

1)在目前主泵的设计方案中，飞轮储能带主泵转子惰转时间无法满足反应堆冷却剂系统要求，传统方法是：增加飞轮的重量、转动惯量，因此对主泵电机轴以及轴承的金属材料、剪切应力、结构等提出了更高要求，否则存在电机轴断裂的风险。

2)飞轮储能存在转速过快、反转等危险，一定程度上威胁到了主泵乃至核电的安全运行，传统的应对措施是增加相关的防超速和防逆转等系统保护装置，使得系统设计更加复杂。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种反应堆冷却剂泵供电装置，可以在反应堆冷却剂泵断电的情形下，应急供电，提高反应堆冷却剂泵转子惰转时间，确保系统安全。

本实用新型提供的一种反应堆冷却剂泵供电装置，包括：超级电容器组、双向DC/DC变换器、监测控制模块、双向逆变器、变压器；

所述双向DC/DC变换器，其第一端与所述超级电容器组电性连接，第二端与所述双向逆变器的直流侧电性连接，用于接收直流电，并将接收的直流电进行升压或者降压处理后输出；

所述双向逆变器，其交流侧通过第二开关与所述变压器电性连接，还通过第三开关与交流电源电性连接，用于接收所述交流电源输出的交流电，并将交流电转化为直流电输出，或者接收直流电，并将直流电转化为交流电输出；

所述变压器，与反应堆冷却剂泵电性连接，用于接收交流电，并将接收的交流电转化为满足第一设定电压值的交流电，且将满足第一设定电压值的交流电输出至所述反应堆冷却剂泵；

所述监测控制模块，与所述双向DC/DC变换器电性连接，用于采集所述双向逆变器直流侧的电压、所述双向DC/DC变换器的第一端的电压和电流，并根据所述双向逆变器直流侧的电压、所述双向DC/DC变换器的第一端的电压和电流，控制所述双向DC/DC变换器输出直流电的电压满足第二设定电压值和/或所述双向DC/DC变换器输出直流电的电流满足设定电流值；

所述超级电容器组，用于接收直流电进行充电，并当其检测到所述反应堆冷却剂泵失电后开始放电。

优选地，所述超级电容器组包括至少两个并联的超级电容器支路，每一超级电容器支路包括至少两个串联的超级电容器。

优选地，所述超级电容器组通过直流母线与所述双向DC/DC变换器连接，且所述超级电容器组与所述双向DC/DC变换器之间的直流母线上还设置有第一开关、滤波电感和第一滤波电容。

优选地，还包括用于对所述超级电容器组进行放电试验的试验负载，所述试验负载由电阻和电感组成，所述超级电容器组通过第四开关与所述试验负载电性连接。

优选地，所述双向DC/DC变换器的第二端通过直流母线与所述双向逆变器连接，且所述双向DC/DC变换器的第二端还并联有第二滤波电容。

优选地，所述双向DC/DC变换器包括：第一逆变整流单元、双绕组变压器和第二逆变整流单元；

所述第一逆变整流单元，与所述双绕组变压器的第一端连接，用于接收来自所述超级电容器组的直流电，并将直流电转换为交流电输出至所述双绕组变压器，或者接收来自所述双绕组变压器的交流电，并将交流电转换为直流电输出至所述超级电容器组；

所述第二逆变整流单元，与所述双绕组变压器的第二端连接，用于接收来自所述双绕组变压器的交流电，并将交流电转换为直流电输出至所述双向逆变器，或者接收来自所述双向逆变器的直流电，将直流电转换为交流电输出至所述双绕组变压器。

优选地，所述第一逆变整流单元和所述第二逆变整流单元均为单相桥式整流电路，所述单相桥式整流电路的桥臂为两个串联连接的IGBT管。

优选地，所述监测控制模块包括：直流母线电压检测电路、超级电容电压检测电路、电流检测电路以及DC/DC控制器，其中，所述DC/DC控制器包括A/D转换器、DSP控制器和FPGA单元；

所述直流母线电压检测电路，两端分别与所述双向逆变器的直流侧以及所述A/D转换器连接，用于采集所述双向逆变器直流侧的直流母线电压模拟信号，并将所述直流母线电压模拟信号输出至所述A/D转换器；

所述超级电容电压检测电路，两端分别与所述双向DC/DC变换器的第一端以及所述A/D变换器连接，用于采集双向DC/DC变换器第一端的超级电容电压模拟信号，并将所述超级电容电压模拟信号输出至所述A/D转换器；

所述电流检测电路，两端分别与所述双向DC/DC变换器的第一端以及所述A/D转换器连接，用于采集所述双向DC/DC变换器的第一端的电感电流模拟信号，并将所述电感电流模拟信号输出至所述A/D转换器；

所述A/D转换器，与所述DSP控制器连接，用于将所述超级电容电压模拟信号、直流母线电压模拟信号以及所述电感电流模拟信号转化为对应的超级电容电压数字信号、直流母线电压数字信号以及电感电流数字信号，并将所述超级电容电压数字信号、所述直流母线电压数字信号以及所述电感电流数字信号输出至所述DSP控制器；

所述DSP控制器，与所述FPGA单元连接，用于根据所述超级电容电压数字信号、所述直流母线电压数字信号以及所述电感电流数字信号得到对应的超级电容电压值、直流母线电压值以及电感电流值，当所述超级电容电压值不满足所述第二设定电压值时，构建电感电流内环和直流母线电压外环的闭环控制结构，并通过该闭环控制结构输出控制指令至所述FPGA单元；

所述FPGA单元，与所述双向DC/DC变换器连接，用于根据所述控制指令，生成对应的PWM脉冲调制信号，并将所述PWM脉冲调制信号输出至所述双向DC/DC变换器，以控制所述双向DC/DC变换器调节输出直流电的电压和电流，使得所述双向DC/DC变换器调节输出直流电的电压满足所述第二设定电压值，和/或所述双向DC/DC变换器调节输出直流电的电流满足设定电流值。

实施本实用新型，具有如下有益效果：在交流电源能够正常输出交流电时，闭合第二开关和第三开关，通过交流电源为反应堆冷却剂泵供电，以及给超级电容器组充电，当交流电源不能正常供电时，可以通过超级电容器组给反应堆冷却剂泵供电，将反应堆冷却剂泵的供电时间延长，提高反应堆冷却剂泵的惰转时间避免发生DNBR，提高系统安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型提供的反应堆冷却剂泵供电装置的电路图。

图2是本实用新型提供的双向DC/DC变换器的电路图。

图3是本实用新型提供的监测控制模块的结构图。

图4是本实用新型提供的反应堆冷却剂泵供电装置的应用方法的一实施例的流程图。

图5是本实用新型提供的三种不同方案下反应堆冷却剂流量随时间变化关系图。

具体实施方式

本实用新型提供一种反应堆冷却剂泵供电装置，如图1所示，该装置包括：超级电容器组1、双向DC/DC变换器6、监测控制模块9、双向逆变器7、变压器4。

双向DC/DC变换器6的第一端与超级电容器组1电性连接，双向DC/DC变换器6的第二端与双向逆变器7的直流侧电性连接，用于接收直流电，并将接收的直流电进行升压或者降压处理后输出。

双向逆变器7的交流侧通过第二开关QS2与变压器4电性连接，还通过第三开关QS3与交流电源3电性连接，用于接收交流电源3输出的交流电，并将交流电转化为直流电输出，或者接收直流电，并将直流电转化为交流电输出。

变压器4与反应堆冷却剂泵5电性连接，用于接收交流电，并将接收的交流电转化为满足第一设定电压值的交流电，且将满足第一设定电压值的交流电输出至反应堆冷却剂泵5。具体而言，变压器4与反应堆冷却剂泵5的主泵电机电性连接，将满足第一设定电压值的交流电输出至主泵电机。

监测控制模块9与双向DC/DC变换器6电性连接，用于采集双向逆变器7直流侧的电压、双向DC/DC变换器6的第一端的电压和电流，并根据双向逆变器7直流侧的电压、双向DC/DC变换器6的第一端的电压和电流，控制双向DC/DC变换器6输出直流电的电压满足第二设定电压值和/或双向DC/DC变换器6输出直流电的电流满足设定电流值。

超级电容器组1用于储存电能，超级电容器组1接收直流电进行充电，并当其检测到反应堆冷却剂泵5的主泵电机失电后开始放电。

进一步地，超级电容器组1包括至少两个并联的超级电容器支路，每一超级电容器支路包括至少两个串联的超级电容器。

将超级电容器储能单元进行串联，可以获得更高的工作电压，将超级电容储能单元进行并联，可以实现更高的储能容量，采用串联和并联的组合构造可以同时提高超级电容器组1的工作电压和储能容量。

优选地，本实用新型的反应堆冷却剂泵供电装置还包括电池管理系统，电池管理系统实时监测超级电容器组1的电压等参数，防止由于超级电容器串联而存在的超级电容器单体间的电压均衡问题，避免由于某个或几个超级电容器单体出现故障而影响对反应堆冷却剂泵5的主泵电机再供电。

进一步地，超级电容器组1通过直流母线与双向DC/DC变换器6连接，且超级电容器组1与双向DC/DC变换器6之间的直流母线上还设置有第一开关QS1、滤波电感L和第一滤波电容C1。具体而言，第一开关QS1和滤波电感L之间串联连接，第一滤波电容C1并联在双向DC/DC变换器6的第一端，且第一滤波电容C1的一端接在第一开关QS1和滤波电感L之间。

进一步地，反应堆冷却剂泵供电装置还包括用于对超级电容器组1进行放电试验的试验负载2，超级电容器组1通过第四开关QS4与试验负载2电性连接。

进一步地，双向DC/DC变换器6的第二端通过直流母线与双向逆变器7连接，且双向DC/DC变换器6的第二端还并联有第二滤波电容C2。

进一步地，如图2所示，双向DC/DC变换器6包括：第一逆变整流单元61、双绕组变压器变压器62和第二逆变整流单元63。

第一逆变整流单元61与双绕组变压器变压器62的第一端连接，用于接收来自超级电容器组1的直流电，并将直流电转换为交流电输出至双绕组变压器变压器62，或者接收来自双绕组变压器变压器62的交流电，并将交流电转换为直流电输出至超级电容器组1。

第二逆变整流单元63与双绕组变压器变压器62的第二端连接，用于接收来自双绕组变压器变压器62的交流电，并将交流电转换为直流电输出至双向逆变器7，或者接收来自双向逆变器7的直流电，将直流电转换为交流电输出至双绕组变压器变压器62。

双绕组变压器变压器62即有两个绕组，一个为输入，一个为输出。

进一步地，第一逆变整流单元61和第二逆变整流单元63均为单相桥式整流电路，单相桥式整流电路的桥臂为两个串联连接的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)管。

进一步地，如图3所示，监测控制模块9包括：直流母线电压检测电路93、超级电容电压检测电路91、电流检测电路92以及DC/DC控制器8，其中，DC/DC控制器8包括A/D转换器83、DSP控制器82和FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)单元81。

直流母线电压检测电路93的两端分别与双向逆变器7的直流侧以及A/D转换器83连接，用于采集双向逆变器7直流侧的直流母线电压模拟信号，并将直流母线电压模拟信号输出至A/D转换器83。具体而言，直流母线电压检测电路93的输入端接在双向逆变器7直流侧的两条直流母线上，直流母线电压检测电路93的输出端接到A/D转换器83的输入端。

超级电容电压检测电路91，两端分别与双向DC/DC变换器6的第一端以及A/D变换器连接，用于采集双向DC/DC变换器6第一端的超级电容电压模拟信号，并将超级电容电压模拟信号输出至A/D转换器83。具体而言，超级电容电压检测电路91的输入端接到双向DC/DC变换器6第一端的两条直流母线上，超级电容电压检测电路91的输出端接到A/D转换器83的输入端。

电流检测电路92的两端分别与双向DC/DC变换器6的第一端以及A/D转换器83连接，用于采集双向DC/DC变换器6的第一端的电感电流模拟信号，并将电感电流模拟信号输出至A/D转换器83。具体而言，电流检测电路92的输入端接到双向DC/DC变换器6第一端的两条直流母线上，更具体地，电流检测电路92的输入端接到滤波电感L和双向DC/DC变换器6的第一端之间，电流检测电路92的输出端与A/D转换器83的输入端连接。

A/D转换器83与DSP控制器82连接，用于将超级电容电压模拟信号、直流母线电压模拟信号以及电感电流模拟信号转化为对应的超级电容电压数字信号、直流母线电压数字信号以及电感电流数字信号，并将超级电容电压数字信号、直流母线电压数字信号以及电感电流数字信号输出至DSP控制器82。

DSP控制器82与FPGA单元81连接，具体地，DSP控制器82的数据信号输入端与FPGA单元81的数据信号输出端连接，DSP控制器82的数据信号输出端与FPGA单元81的数据信号输入端连接。DSP控制器82用于根据超级电容电压数字信号、直流母线电压数字信号以及电感电流数字信号得到对应的超级电容电压值、直流母线电压值以及电感电流值，当超级电容电压值不满足第二设定电压值时，构建电感电流内环和直流母线电压外环的闭环控制结构，并以直流母线电压为控制目标，通过该闭环控制结构输出控制指令至FPGA单元81。

FPGA单元81与双向DC/DC变换器6连接，用于根据控制指令，生成对应的完成载波移相的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)脉冲调制信号，并将PWM脉冲调制信号输出至双向DC/DC变换器6，以控制双向DC/DC变换器6调节输出直流电的电压和电流，使得双向DC/DC变换器6调节输出直流电的电压满足第二设定电压值，和/或双向DC/DC变换器6调节输出直流电的电流满足设定电流值。具体而言，FPGA单元81的信号输出端连接双向DC/DC变换器6的单相桥式整流电路，通过PWM脉冲调制信号控制单相桥式整流电路上的IGBT管的导通与关断，来调整双向DC/DC变换器6调节输出直流电的电压和电流。FPGA单元81还可以对反应堆冷却剂泵供电装置进行故障检测和保护。

FPGA单元81根据直流母线电压和超级电容电压，对直流母线电压进行外环反馈、闭环控制和系统过压保护。FPGA单元81根据超级电感电流进行内环电流反馈、闭环控制和系统过流保护。

本实用新型提供的反应堆冷却剂泵供电装置工作原理如下：

当第三开关QS3闭合后，通过双向逆变器7、双向DC/DC变换器6向超级电容器组1进行充电，在反应堆冷却剂泵5的主泵电机处于正常运行工况且超级电容器组1两端的电压较低，低于第二设定电压值时，对双向DC/DC变换器6进行控制，控制双向DC/DC变换器6采用恒流模式对超级电容器组1的超级电容浮充电。当超级电容器组1两端的电压达到第二设定电压值时，对超级电容器组1的充电电流将逐渐减小，此时，通过监测控制模块9对双向DC/DC变换器6进行控制，控制双向DC/DC变换器6转为恒压模式对超级电容器组1进行充电，直到超级电容器组1充满电，实现对超级电容器组1的充电电流进行监测和控制。

当核电站处于全厂失电工况时，为了满足主泵惰转的要求，需要由超级电容器组1经双向DC/DC变换器6将超级电容器组1输出的直流电的电电压进行转换后，经过双向逆变器7将直流电逆变成交流电，通过变压器4将交流电进行升压处理后向反应堆冷却剂泵5供电，从而控制主泵转子转速下降曲线，减缓水回路流速下降率。

当核电站处于机组停机检修期间，可以通过试验负载2对超级电容器组1进行放电试验，以验证超级电容器的放电能力，保证超级电容器的性能并检验超级电容器的容量。放电试验负载2主要由电阻及电感组成，电阻与电感的参数需避免与电容发生串联谐振，烧毁电路。

本实用新型提供的反应堆冷却剂泵供电装置的控制策略为：

(1)假设主泵正常运行，交流电源3正常工作，此时主泵电机检测电路检测到正常的电压和电流；

(2)假设交流电源3丧失，此时主泵电机检测电路检测到失去电压和励磁，此时超级电容器组1检测到主泵电机失电，超级电容开始放电；

(3)超级电容器组1在主泵电机运行过程中，电流检测电路92、超级电容电压检测电路91和直流母线电压检测电路93分别检测电感电流、超级电容电压值U1和直流母线电压值U2的模拟信号，然后采用A/D转换器83将检测到的电感电流、超级电容电压值U1和直流母线电压值U2的模拟信号转换成数字信号，并输送到DSP控制器82中；

(4)通过步骤(3)中检测到的超级电容电压值U1，在DSP控制器82中将超级电容电压值U1与设定的低限值(即第二设定电压值)相比较，当超级电容电压值U1高于低限值时，DSP控制器82以直流母线电压为控制目标，结合检测的直流母线电压值U2和电感电流，构成电感电流内环和直流母线电压外环的闭环控制，直流母线电压闭环的给定值略高于二极管整流桥整流后得到的直流电压值，闭环调节输出给FPGA单元81，并在FPGA单元81中实现PWM调制，从而产生开关信号给单相桥式整流电路实现双向DC/DC变换器6高压端和低压端之间的能量变换。

本实用新型还提供一种反应堆冷却剂泵供电装置的应用方法，应用于上述的反应堆冷却剂泵供电装置，该方法包括下述步骤：

当反应堆冷却剂泵5没有失电时，闭合第一开关QS1、第二开关QS2和第三开关QS3，通过交流电源3向超级电容器组1充电，并为反应堆冷却剂泵5供电；

当反应堆冷却剂泵5失电时，闭合第一开关QS1和第二开关QS2，断开第三开关QS3，由超级电容器组1向反应堆冷却剂泵5供电。

进一步地，该应用方法还包括下述步骤：

当反应堆冷却剂泵5没有失电时，断开第一开关QS1，闭合第四开关QS4，通过试验负载2对超级电容器组1进行充放电测试。

在反应堆冷却剂泵供电装置的应用方法的另一实施例中，如图4所示，当反应堆冷却剂泵5的主泵电机没有失电时，通过断开第四开关QS4、闭合第一开关QS1、第二开关QS2和第三开关QS3，以实现对超级电容器组1浮充电以及通过交流电源3对主泵电极供电，；当主泵电极没有失电时，还可以通过断开第一开关QS1，闭合第四开关QS4，以实现超级电容器组1定期放电试验。当主泵电机失电时，通过断开第三开关QS3，闭合第一开关QS1和第二开关QS2，以实现超级电容器组1对主泵电机供电。

本实用新型充分考虑了上述飞轮储能的技术缺陷，以及主泵惰转时间的要求，采用超级电容器组1以及双向DC/DC变换器6这样的功率变换装置，通过DC/DC变换器进行功率变换和变频调速，对失电后主泵的转速进行控制，能将主泵供电时间延长，延长时间由超级电容器的容量、主泵惰转时吸收功率等因素有关。同时能够很好地控制主泵转子转速下降曲线，减缓水回路流速下降率，从而提高反应堆冷却剂系统安全，且降低了反应堆冷却剂系统和主泵的设计难度和制造成本，使系统设计变得简单。

本实用新型可以用来解决核电站设计过程中的全厂失电工况下，由于主泵惰转时间短，反应堆被迫停堆的问题。

通过本实用新型，能够充分简化主泵方案设计复杂程度，反应堆冷却剂系统方案设计复杂程度，并降低主泵的制造成本。

超级电容器具有能量转换效率高、质量较轻、电流密度高、工作温度范围宽等特点，本实用新型采用超级电容器组1、双向DC/DC变换器6、双向逆变器7以及监测控制模块9，在核电站设计过程中，考虑到全厂失电工况，通过超级电容器组1向主泵进行应急供电，从而提高主泵惰转时间，提高反应堆冷却剂系统在全厂失电工况下的应急能力。

主泵电机转速与电压频率f、电机极对数p和转差率s有关，即n＝(60f(1-s))/p，在主泵电机运行中，调整电压频率f，即能达到调整电机转速的目的。利用该原理，能够灵活调整全厂失电工况下主泵电机转子转速变化曲线，以及反应堆冷却剂流量随时间的曲线，从而提高系统安全性和灵活性。如图5所示，在全厂失电工况下，超级电容方案相对于飞轮方案和无储能方案而言，将反应堆冷却剂流量维持在固定数值的时间更长，具有更长的主泵惰转时间。

双向DC/DC变换器6能够改变电压输出频率，在主泵电机启动时采用较低转速启动，当主泵电机转速上升后再改变双向DC/DC变换器6的电压输出频率，将主泵电机转速提升到额定转速。利用该原理，能够利用双向DC/DC变换器6进行变频调速，在反应堆起机时调整主泵的启动策略，实现电动机的软启动，降低在主泵启动过程中，主泵电机吸收大量有功功率而对厂用电系统造成冲击，抑制厂用电电源频率、电压的波动。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。