美国核电站对电网稳定的贡献有多大？

核电人

当前的美国核电站，对电网的稳定性有没有贡献，贡献是什么？要回答这个问题，需要依次回答如下更低一层级的问题，包括：现代商业核电站如何应对周围环境的不断变化？它们如何响应电网的扰动甚至中断？ 它们是否赋予和提高了电网抵消异常、适应异常和快速恢复的能力？他们是否增强了电网面临扰动的能力，以便给客户输电时做到断电风险的最小化？这些问题的答案会深入的揭示当今美国核电站对电网稳定贡献出的真正价值。

在许多方面，某一特定核电站对电网异常的响应，将取决于电厂层面的特定问题，包括核电站与电网的接口方式以及接口外侧的电网结构。图1是一种高度简化但通用的描述，说明了美国典型核电站与外部环境的接口。电网异常可能出现在图中右侧所描述的“核电站-电网”接口中的一个、几个，或者所有三个（即，主变压器UAT、为核电调试和启动供电的变压器SUT和安全专设变压器ESF）。核电对电网异常的响应,尤其是在短期内,会受哪个“核电站-电网”接口被涉及、电网异常具体特点的严重影响。

图1 简化的“核电站-电网”接口。

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A. 当今美国核电站对预期内电网异常的响应

对于核电运营者得到预先通知、知晓电网会产生扰动的情况，当前的电站运营者可以采取谨慎的提前行动来保护电厂。这种预先通知可能通过联邦警报发出，源自于空间气象、核电厂监管、数据采集系统（SCADA）或其他。理论上，核电运营者作出的反应有四种方式：

1. 观望等待：保持电厂正常运行，但进入高度的警备状态。采取施预防性和谨慎措施，确保电厂做好了准备，一旦电厂面临无法化解的外部条件，迅速采取如下所述其他三项反应中的一项。

2. 手动降负荷或切负荷：降低核电站功率，但通过电力传输线与电网保持连接，维持厂外电源与电厂开关站相连。电站在较低功率水平上持续运行，同时尽一切努力最大化和维持对周围情况的清醒认识。

3. 启动孤岛运行模式：电厂操作人员降低反应堆功率，并解列电厂与电网。[目前的NRC监管中不允许这种运行模式，但至少在欧洲一些核电厂已经采用过了(实际上也是必要的）。正如后面所讨论的，许多、可能是大多数的美国核电厂设计中没有考虑真正的孤岛运行模式。] 孤岛运行模式下，核电厂功率尽可能降低至厂用电的负荷水平，同时要满足电厂稳定运行的需要。由于运行稳定性问题和这种运行对电厂设施（主凝汽器系统、给水系统等）产生的压力等原因，大功率反应堆的核电厂很难长期维持这种低功率运行。

4. 手动停机：如果有理由相信预期的电网异常可能导致场外电源失效（LOOP），电厂操作人员将手动关闭电厂（反应堆停机），并将其过渡到正常停机后的余热导出状态，可能同时还要结合主动措施，让某些必要的点与厂内柴油发电机电源系统相连接。如果预期的电网异常要求电厂快速响应，为了避免让核电厂发生可能和不必要的紧急切换，核电厂可能会选择采取这项行动。

选择采用这四个行动的哪一个，取决于几种因素，例如：提给电厂操作员的预期异常特性和时间、对核电厂和设备造成直接损失的可能性，或（在电网断电的情况下）核电厂丧失厂外电源的时间等。除观望等待外，任何操作都会导致核电厂损失部分或全部发电容量，损失的发电时间取决于核电厂对电网异常的个体响应，也取决于电网其他参与者的响应。

B. 当今美国核电站对预期外电网异常的响应

和已有预期的电网异常不同，电厂最初感知到预期外的异常，是通过其与电网接口中的一个或多个异常（电压和频率扰动、相位角/功率因子异常、负载扰动等）。“核电厂-电网”接口见图1。核电厂对这种事件的初期响应，取决于最初感知的形式：哪个“核电厂-电网”接口检测到异常，具体的异常参数（负载或发电电压、频率、相位角的扰动，功率因子和实际/无功功率扰动，等等）。需要注意的是，在电网完全断电的情况下，下面讨论的所有三个瞬态响应都将发展到所谓的丧失厂外电源事件（LOOP）：

1. 部分甩负荷：甩负荷是指电厂发电机终端的电力需求突然减少（见图1）。这类事件可能是由于输电线路故障或电网子网之间的互连线中断造成的。虽然对于美国燃烧工程公司（Combustion Engineering）设计的一些第二代轻水堆核电厂，在设计时考虑了在不停堆的情况下承受85%或更大的甩负荷，实际上美国核电厂通常通过降低功率（降负荷）和在必要时向机组主凝汽器排放多余蒸汽，能够处理高达50%~的甩负荷[前提是此时交流电（AC）电源仍然可用，能够驱动冷凝器二次侧的供水泵]。

2. 完全甩负荷：这种模式下，核电厂可能经历一个瞬间或短期的部分甩负荷，但迅速发展为完全（100%）甩负荷，即核电厂发电机终端最终反馈完全失去负荷（见图1）。这种失去负荷，可能是几乎没有预先警告的突然袭击。对于失去负荷，核电厂正常反应是断开发电机出口断路器，隔离主发电机与电网。在这样的情况下，核电厂可能仍有机会迅速降低功率水平，至厂用电负荷所需，再次重申，前提是交流电源能够驱动冷凝器二次侧的供水泵。（很多人认为，美国只有少数一些核电厂设计了主发电机出口断路器，能够使机组与电网隔离，同时保持机组辅助变压器的向电厂送电（见图1）。因此，当前美国大多数核电厂可能无法切换到孤岛运行模式。）在任何情况下，如果无法处理（快速）降功率和精准的平衡操作，反应堆将会停机。

3. 电压和频率扰动引起的反应堆停机：北美电网交流电频率通常控制在±0.05Hz之内。刚开始电网异常或停电时，将引发电网系统内电压和频率的巨大变化，并伴随负载脱机、有功功率或无功功率的供需不匹配，波及整个电网。核电厂的电压限制比许多区域输电运营者采用的标准的电网电压限制更严格。核电厂通过几种途径感知电网电压和频率。电网电压和频率的变化，导致核电厂汽轮发电机内产生电磁应力，原因在于发电机会试图与电网保持同步。这些电网电压和频率的扰动，也直接影响被交流电机驱动的泵的转速，这些泵用于循环冷却水（通过反应堆、对于压水堆还通过蒸汽发生器）、反应堆冷凝器给水等。电网电压和频率扰动会显著影响电厂的热力学平衡。

美国核电厂（特别是西屋和燃烧工程公司设计的核电厂）的核心保护计算器（CPC）系统，对电网频率扰动引起的反应堆冷却剂泵转速的变化非常敏感和不耐受，比典型的欧洲第二代轻水堆（LWR）的设计更加敏感。此外，大多数交流电机驱动的泵都受断路器的保护，由于扰动可能会导致电流过大而引发电机过热，这些断路器会在不可接受的电压和频率扰动下自行断开。（然而，正如刚才所说，CPC系统几乎肯定会在反应堆冷却剂泵的保护启动导致反应堆停机之前直接触发反应堆停机。）这些保护系统的容忍区间相对较窄。考虑到所有这些设计特性，过高的电网电压和频率扰动将触发核电厂保护系统快速触发反应堆停机，并将其过渡到停机后受厂内交流电源或厂外电源供电冷却的状态。