控制水泵水輪機的方法

2023-09-23 04:49:15

專利名稱：控制水泵水輪機的方法
技術領域：
本發明涉及一種控制水泵水輪機的方法，這種控制方法改變葉輪方向而起到一個水泵和水輪機的作用(通過改變葉輪的旋轉方向)。
一般來說，水泵水輪機，尤其是揚程較高的水泵水輪機，其葉輪可設計成能獲得一種充分的離心泵送作用，從而在泵送運轉過程中得到較高的壓力揚程。
然而，這種設計對水泵水輪機的水輪機工況會產生不利的影響。特別是例如當出現所謂的S特性時候，據稱，要完全避免這種S特性是很難。
人們已經認識到，特別是對於高揚程水泵水輪機來說，S特性在上遊和下遊水路的內部設計、安裝高度等方面是一個瓶頸(薄弱環節)。因此，現在已經有各種控制這種S特性的方案。例如，公開號為S53-143842(1988)的日本待審專利提出了一種方法如附

圖1所示的那樣，在負荷衰減後，當水泵水輪機的運行點在S特性曲線上沿著流速降低的方向移動時，暫時打開水泵水輪機導流葉片以及當水泵水輪機運行點在S特性曲線上沿流速增加的方向移動或者當流速幾乎變為零時迅速關閉導流葉片的方法。
然而，所設計的這種方案會使得轉速(該轉速在負荷衰減之後會暫時升高)一直減小到由調節裝置設定而確定的一預定轉速或者該預定轉速值的附近。為此，被暫時打開的導流葉片就象在負荷衰減之後立即突然關閉一樣迅速地被關閉，而不是象所謂的彎曲方式那樣當導流葉片的開啟度Y小於Ya時將導流葉片的關閉速度從「極限」變到「緩慢」。這種突然關閉在S特性調節裝置失靈的情況下是非常危險的。而且，該方案作出如下假設，即，當流速(從流速下降的終點)開始增大或者當流速幾乎變為零時，被暫時打開的導流葉片就開始關閉。然而，在水泵水輪機的瞬時狀態下，很難精確地檢測出流速(以較高的解析度)。即使檢測到精確度較高的流速，也很難將導流葉片的動作突然逆轉過來，並且可以很容易地推出，導流葉片將開得過大。尤其是，當你即使在S特性曲線上的運行點終止沿著流速減小的方向移動並且開始沿著流速增大的方向移動之後保持導流葉片的繼續運轉時，S特性所產生的影響會更大。
由上可推斷出，在多個水泵水輪機共用同一個導流管的情況下或者尤其是當一個水泵水輪機的流速不僅由其自身的運轉狀態而且由其它水泵水輪機的相互水錘而產生各種各樣的改變時，公開號為S53-143842(1988)的日本待審專利的方法不能確保穩定的性能。
在正常的負載工況下，水泵水輪機裝置與巨大的電力系統相連，並且速度控制的穩定性不再是所要關心的主題。因此，設置調節裝置是為了有利於響應速度而不是有利於穩定性。然而，在負荷衰減之後，水泵水輪機必須單獨地繼續無負載運轉。因此，有必要對調節裝置進行設置，以確保速度控制有足夠的穩定性。
水泵水輪機運轉點不穩定地穿過的S特性區域現在已經不被看作一個用來設定與空載工況相應的調節裝置增益的條件。調節裝置增益僅僅在位於S特性區域之外的第一區域內(在該區域中，Q1值隨著N1值增大而減小)足以確保該穩定性，但是，在進行正反饋運轉的S特性區域內還不足以確保運轉的穩定性。
當實際速度比預設速度高得多時、當斷路器打開時、或者當發生負荷衰減這種情況時，可以自動從對應於負載工況(這有利於調節裝置中的運算器的較高響應)的設置轉換到對應於空載工況(有利於穩定性)的設置。
因此，本發明的目的是為了提供一種控制水泵水輪機的方法，以抑制由於S特性或類似的特性以及其它瞬時現象所導致的水錘而產生的影響，並穩定水泵水輪機的運轉。
本發明提供了一種控制水泵水輪機的方法以解決上述問題。
換句話說，本發明通過設計和/或設置調節裝置的運算器獲得預期的效果，因而，在一次完全負荷衰減(這會突然切斷由發電機馬達產生的電力)時上升的速度越過第一峰值轉向下降後，當水泵水輪機在產生動力模式下運轉時，被關閉的流量控制器至少在第一次速度下降曲線的前半段暫時開啟，從而使得第一次速度下降在比額定旋轉速度高第一峰值速度和額定速度之間的差值的三分之一或高得更多的一個點上停下來，並使得速度從該點處開始轉向上升。
既然這樣，水泵水輪機在負荷衰減後最終穩定在一種空載工況下之前，本發明會對將要自動轉換調節裝置的運算器的設置進行控制以便提高響應速度。當流量控制器在負荷衰減之後關閉到一預定開啟度或之下時，本發明還可以自動地轉換調節裝置的運算器的設置。而且，當旋轉速度在負荷衰減之後下降到一預定值或之下時，本發明還自動地轉換調節裝置的運算器的設置。此外，由於本發明可自動地轉換調節裝置的設置，因而調節裝置的響應速度可以按下列順序排列正常負載工況(最快)，空載穩定工況，以及剛剛經過負荷衰減之後第一次速度下降的早期階段(最慢)。
調節裝置的設置的這種轉換在進行時不會有衝擊。調節裝置是一種PID調節裝置，帶有比例、積分以及微分元件，並且僅有其積分增益可以轉換。本發明的水泵水輪機的調節裝置包括一個關閉速度限制器，它根據流量控制器的開啟度來限制流量控制器的關閉速度。當流量控制器的開啟度大於第一預定值時，該關閉速度限制器將流量控制器的關閉速度限制到一個相對更高的第二預定值或之下；而在流量控制器的開啟度變得低於第一預定值後，該調節裝置將該關閉速度限制到一個相對較低的第三預定值或之下。控制或調節調節裝置的運算器，以便直到流量控制器的開啟度度在負荷衰減之後低於第一預定值為止才啟動正在關閉的流量控制器的暫時開啟動作。
也可以在負荷衰減時旋轉速度向著第一峰值的上升越過該峰值後轉向下降後，控制或調節調節裝置的運算器以啟動流量控制器的暫時開啟動作，並使得暫時開啟動作持續進行，直到速度達到旋轉速度曲線由凸曲線轉變成凹曲線的一個拐點為止。也可以調節或控制調節裝置的運算器從而比在緊接著負荷衰減停止後速度就開始上升的一時間點早一點的時刻啟動流量控制器的暫時開啟動作。
而且，也可以調節或控制調節裝置的運算器從而在比負荷衰減停止後速度緊接著就開始上升的某一時間點早一點時刻啟動流量控制器的暫時開啟動作，並且使得暫時開啟動作持續進行，直到速度達到旋轉速度曲線從凸曲線變為凹曲線的一拐點為止。當旋轉速度超過一個比額定旋轉速度還高的預定值時，也可以調節或控制調節裝置的運算器而自動地將調節裝置的增益設定從對應於負載工況的響應速度優先設置轉變為穩定性優先設置(適於抑制S特性的負面影響)。
本發明涉及一種含有調節裝置的水泵水輪機，該調節裝置監測葉輪的旋轉速度並控制流量控制器平穩地將葉輪的速度穩定在一預定值。調節和控制所述調節裝置的運算器(這被稱為S特性設置)，以便剛好在速度曲線的第一峰值(完全的負荷衰減時速度的上升在此處越過該峰值轉向下降)之前或者在一次完全負荷衰減(這會切斷由發電機馬達產生的電力)時的第一速度下降曲線的前半段開啟正在關閉的流量控制器，並在第一峰值與一個等於額定速度和一個相應於速度固定偏差設定值的速度偏差的總和的速度值之間形成一個時間段，該時間段是第一速度上升的起點與第一峰值之間的時間段的兩倍或更長。
如果在產生動力模式下，出現了伴隨有速度上升的負荷衰減或緊急停止的話，調節裝置就會進行控制，以便在速度開始上升之後立即迅速地關閉流量控制器，但是，調節裝置就會進行控制以使得正在關閉的流量控制器在速度上升的前半段轉向開啟，以使得流量控制器的開啟動作持續進行，幾乎直到速度達到峰值為止，使得流量控制器在峰值處停止下來保持開啟，接著使得流量控制器轉向關閉。
如果在產生動力模式下，出現了伴隨有速度上升的負荷衰減或緊急停止的話，調節裝置就會進行控制以便在速度開始上升之後立即迅速地關閉流量控制器，但是，調節裝置就會進行控制以逐漸地降低流量控制器的關閉速率，使得流量控制器在速度上升的前半段平緩地轉向開啟，使得流量控制器的開啟動作持續進行，幾乎直到速度達到峰值為止，逐漸地降低流量控制器的開啟速率，接著又使得流量控制器平緩地轉向關閉。
如果在產生動力模式下，出現了伴隨有速度上升的負荷衰減或緊急停止的話，調節裝置就會進行控制，以便在速度開始上升之後立即而迅速地關閉流量控制器，但是，調節裝置會進行控制，以使得正在關閉的流量控制器在速度上升的前半段轉向開啟，使得流量控制器持續開啟動作幾乎直到速度達到峰值為止，使得流量控制器停止下來在該峰值處開啟，接著使得流量控制器轉向關閉。結果，在完全負荷衰減時或者幾乎完全負荷衰減時，調節裝置進行控制，使得負荷衰減出現時刻與速度到達第一峰值時的時刻之間的時間段為第一峰值與速度到達負荷衰減之前的初始速度加上第一峰值與負荷衰減之前的初始速度之間的差值的三分之一的和的時刻之間的時間段的1.5倍或更長。
如果在產生動力模式下，出現了伴隨有速度上升的負荷衰減或緊急停止的話，調節裝置就會進行控制，以便在緊接著速度開始上升之後迅速地關閉流量控制器，但是，調節裝置會進行控制，以便在速度上升的前半段逐漸地降低流量控制器的關閉速率，使得流量控制器平緩地轉向開啟，使得流量控制器的開啟動作持續進行，幾乎直到速度達到峰值為止，逐漸地降低流量控制器的開啟速率，接著使得流量控制器平緩地轉向關閉。結果，在完全負荷衰減時或者幾乎完全負荷衰減時，調節裝置進行控制，使得負荷衰減出現時刻與速度到達第一峰值時的時刻之間的時間段為第一峰值與速度到達負荷衰減之前的初始速度加上第一峰值與負荷衰減之前的初始速度之間的差值的三分之一的和的時刻之間的時間段的1.5倍或更長。
如果在產生動力模式下，出現了伴隨有速度上升的負荷衰減或緊急停止的話，調節裝置會進行控制，以便在速度開始上升之後立即迅速地關閉流量控制器，但是，調節裝置會進行控制，以使得正在關閉的流量控制器在速度上升的前半段轉向開啟。結果，在完全負荷衰減時或者幾乎完全負荷衰減時，調節裝置進行控制，使得負荷衰減出現的時刻與速度到達第一峰值時的時刻之間的時間段為第一峰值與速度到達負荷衰減之前的初始速度加上第一峰值與負荷衰減之前的初始速度之間的差值的三分之一的和的時刻之間的時間段的1.5倍或更長。
如果在產生動力模式下，出現了伴隨有速度上升的負荷衰減或緊急停止的話，調節裝置就會進行控制，以便在速度開始上升之後立即迅速地關閉流量控制器，但是，調節裝置會進行控制，以使得正在關閉的流量控制器在速度上升的前半段轉向開啟，使得流量控制器的開啟動作持續進行直到速度達到峰值為止，然後停止打開流量控制器，並使得流量控制器轉向關閉。
當速度在負荷衰減後上升的同時，正在關閉的流量控制器能夠通過暫時調節或轉換調節裝置的設置而轉向開啟。
其實施方式就是對調節裝置進行修正控制，使得在緊接著負荷衰減或產生一個緊急停止指令之後葉輪的目標速度會暫時比較高。
或者另一個實施方式就是對調節裝置進行修正控制，以使得葉輪的目標速度僅僅在緊接著負荷衰減後的瞬時狀態下才會顯著地高於穩定狀態下的目標值。
而且本發明的特徵在於，通過對調節裝置進行修正控制，以便隨著速度在緊接著負荷衰減後的增加而顯著地增加目標速度，在速度轉向下降後逐漸解除(或減小)修正控制，並在穩定狀態下基本上完全解除修正控制。
本發明的特徵還在於，通過將流量控制器的快速關閉動作平緩地轉變為上述開啟動作，使得在緊接著負荷衰減後的流量控制器的快速關閉期間上升的上遊導流管水壓因此而保持在幾乎同一值上，直到速度達到峰值為止。
調節裝置是一種配備有比例、積分、以及微分元件的PID調節裝置。通過暫時降低比例元件的增益、積分元件的增益、或者同時降低兩者，可以實現這種控制，即，當速度在負荷衰減後增加的同時，使得正在關閉的流量控制器轉向開啟。
而且，通過自動地轉換調節裝置的設置，可以實現這種控制，即，當速度在負荷衰減後增加時，使得正在關閉的流量控制器轉向開啟，因此，調節裝置的響應速度可以以正常負載工況、空載穩定工況、以及緊接著負荷衰減後的第一次速度上升階段的順序排列。
而且，當速度超過一高於額定速度的預定值時，自動地將調節裝置的運算器從對應於負載工況的響應優先設置轉換為穩定性優先設置。
而且，當流量控制器被關閉到一預定開啟度或之下時，或者當速度變得低於一預定值時，可以自動地將調節裝置運算器的設置從對應於上述暫時開啟動作的設置轉換為對應於其後的空載工況的設置。
調節裝置進行控制以使得流量控制器在產生動力模式下在切斷由發電機產生的電力的這種負荷衰減時暫時開啟。
在產生動力模式下，以及在象切斷由發電機產生的電力的這種負荷衰減時，流量控制器至少在葉輪的速度下降在峰值之後被過度加速之前暫時被打開一次。
也可以設置一個修正信號發生器向調節裝置提供一個修正值以修正調節裝置的輸出信號。在負荷衰減時，修正信號發生器輸出一個修正值使得葉輪旋轉速度的下降速率比旋轉速度的上升速率要慢的多。
也可以設置一個修正信號發生器向調節裝置提供一個修正值來修正調節裝置的輸出信號。修正信號發生器對調節裝置的信號進行修正以消除在水輪機的上遊一側的第二次水錘峰值，該峰值是在切斷了發電機與產生動力系統所造成的負荷衰減後緊接著葉輪旋轉速度開始下降之後出現的。
也可以設置一個修正信號發生器向調節裝置提供一個修正值來修正調節裝置的輸出信號。修正信號發生器對調節裝置的輸出信號進行修正以消除在水輪機的上遊一側的第二次水錘峰值，該峰值是在切斷了發電機與產生動力系統所造成的負荷衰減後緊接著葉輪旋轉速度開始下降之後出現的。
在負荷衰減後或者在負荷衰減後的瞬時狀態下，通過轉換、改變、或修改調節裝置的運算器的傳遞函數，可以暫時開啟流量控制器。
而且，本發明設有一個流量控制器的開啟度限制器，該限制器可以在負荷衰減後或者在負荷衰減後的瞬時狀態下按照預定程序被關閉，因此，暫時被打開的流量控制器的開啟度得到限制並且確保了流量控制器在隨後的關閉動作。
圖1所示的是一種慣用的控制圖表。
圖2所示的是一個具有三個抽水蓄能單元的動力裝置的模塊圖。
圖3所示的是用來解釋S特性的兩個圖表。
圖4是一個由於S特性而引起的回擺動作的流程圖。
圖5是另一個由於S特性而引起的回擺動作的流程圖。
圖6是一個解釋導流葉片的關閉方式與水錘效應之間關係的圖。
圖7是一個解釋按照傳統控制方法所存在的水錘效應相互幹擾的圖表。
圖8是一個解釋按照傳統控制方法所存在的水錘效應相互幹擾的圖表。
圖9是一個解釋按照傳統控制方法所存在的水錘效應相互幹擾的圖表。
圖10是一個解釋水泵水輪機按照傳統控制方法在負荷衰減時的瞬時狀態的圖表。
圖11是一個解釋水泵水輪機按照傳統控制方法在負荷衰減時其運行點的軌跡的圖表。
圖12是調節裝置的一個原理性模塊圖。
圖13是一個解釋調節裝置的速度控制的圖表。
圖14是一個解釋調節裝置的動力控制的圖表。
圖15是一個解釋限制導流葉片打開速度的圖表。
圖16是一個解釋限制導流葉片關閉速度的圖表。
圖17是一個解釋PID控制元件的增益Kp、Ki、以及Kd的變換圖表。
圖18是一個解釋按照本發明在負荷衰減時水泵水輪機的瞬時狀況的圖表。
圖19是一個解釋按照本發明在負荷衰減時水泵水輪機的運行點的軌跡的圖表。
圖20是一個調節裝置的PID控制響應的圖表。
圖21是另一個表示按照本發明在負荷衰減時水泵水輪機的瞬時狀況的圖表。
圖22是一個在一次接著另一次負荷衰減時水泵水輪機#1的瞬時現象。
圖23是一個在一次接著另一次負荷衰減時水泵水輪機#2的瞬時現象。
圖24是一個在一次接著另一次負荷衰減時水泵水輪機#3的瞬時現象。
圖25是本發明另一個實施例的調節裝置的原理性模塊圖。
圖26是本發明另一個實施例的修正控制電路的原理性模塊圖。
圖27是修正電路的原理性模塊圖。
圖28是本發明第三個實施例的調節裝置的原理性模塊圖。
圖29是本發明在負荷衰減時水泵水輪機的瞬時狀況的圖表。
圖30是本發明在負荷衰減時水泵水輪機的運行點的軌跡的圖表。
圖31是一個解釋修正電路的響應的圖表。
圖32是一個解釋修正電路的響應的圖表。
圖33是一個表示修正電路的響應的圖表。
下面將會參考附圖對本發明的一些優選實施例進行解釋。
下面將參見圖2將對本發明的水泵水輪機的整體結構進行解釋。匯集在上部蓄水池101中的水被引進導流管102中，接著被導流管103α-103γ分別分流到水泵水輪機14α-14γ。
從導流管103α-103γ流進水泵水輪機14α-14γ的葉輪114α-114γ中的水量由導流閥112α-112γ控制，這些導流閥各自受的調節裝置110α-110γ的控制。俯衝而下的水流的力量使得葉輪114α-114γ旋轉，葉輪的動力被傳遞給發電機111α-111γ。由發電機產生的電力被輸送給電力系統。
流過水泵水輪機14α-14γ的水由水路104α-104γ引入調壓塔105以減弱衝擊。接著，水經過水路106被導入下部的蓄水池107中。如果例如在晚上時會剩下大量沒有使用的電力，水泵水輪機14α-14γ就被反向旋轉將水從下部蓄水池中抽到上部蓄水池中。採用這種方式，該系統就為下一次發電做好了準備，以備緊急用電之需。
下面將解釋一個以並列方式使用三個這種水泵水輪機的例子。具有S特性的水泵水輪機的上遊側、下遊側、或其兩側象圖2所示的那樣連在一起。
S特性下面將參照圖3具體針對一個水泵水輪機來解釋S特性。
通常，水泵水輪機的流量特性是通過一組特性曲線來表達的，這組特性曲線表示每單位水頭的轉數(N1=N/H]]>)和每單位水頭的流量(Q1=N/H]]>)之間的關係，該關係利用導流葉片的開啟度作為一個參數。另一方面，水泵水輪機的力矩特性由一組表示每單位水頭的轉數(N1=N/H]]>)和每單位水頭的力矩(T1=T/H)之間關係的特性曲線來表達，該關係利用導流葉片的開啟度作為一個參數。這兩種特性曲線通常被術稱為完美特性。
在水輪機工況下，流量特性曲線具有一個Q1值隨著N1值上升而降低的第一區域以及一個Ql值隨著N1值降低而降低的第二區域。為了易於理解，在本說明書中，第二區域被稱之為一個S特性區域。
而且，水泵水輪機在S特性區域內的特性以下被稱之為S特性。對於處於s特性區域內的水輪機工況，每單位水頭的力矩(T1)也隨著每單位水頭轉數(N1)的降低而降低。
在水輪機模式下的正常水泵水輪機工況在第一區域內進行。然而，當每單位水頭的轉數(N1)在負荷衰減時突然增加時，水泵水輪機的運轉就處於S特性區域。
當水泵水輪機的運轉在S特性區域內的某一點上開始時，水泵水輪機的運行點就沿著S特性區域內的曲線從一端移動到另一端。最初，每單位水頭的流量(Q1)和每單位水頭的轉數(N1)會下降。接著，水泵水輪機的運行點沿著S特性區域內的曲線回擺(就象鐘擺一樣)。相應地，每單位水頭的流量(Q1)和每單位水頭的轉數(N1)兩者都會(隨著回擺而)增加。這種在s特性區域內的往復運動就會無休止地持續進行直到導流葉片被關閉為止．與此同時，每單位水頭的力矩(T1)也在上升和下降之間擺動。這種擺動現象在Ql值((或T1值))隨著N1值上升而上升的區域內是很顯著的。然而，其Q1相對於N1的特性為垂直的水泵水輪機也顯示出這種現象。這是因為由調節裝置控制的速度控制系統隨著梯度δQ1/δN1或δT1/δN1變得越大(陡)就變得越不穩定。這種S特性不僅包含Q1值(或T1值)隨著N1值上升而上升的區域，而且包含即使在梯度δQ1/δN1(或δT/δN1)小於零時梯度δQ1/δN1(或δT1/δN1)都比較大(陡)的區域。因此，不用說，本發明也可適用於具有這樣陡的梯度的水泵水輪機。
在水輪機工況下具有S特性的水泵水輪機的特性在圖3(A)和圖3(B)中表示出來。圖3(A)中水泵水輪機的特性表示出了每單位水頭的轉數(N1)和每單位水頭的流量(Q1)之間的關係，該關係採用導流葉片的開啟度作為一個參數。同樣，圖3(B)中水泵水輪機的特性表示出了每單位水頭的轉數(N1)和每單位水頭的力矩(T1)之間的關係，該關係採用導流葉片的開啟度作為一個參數。
在上述說明中，符號N、Q、H，以及T分別表示水泵水輪機的轉數、流量、有效水頭，以及力矩。
當導流葉片的開啟度相對較大時可獲得特性曲線1和1』並將之設為預定值。當導流葉片的開啟度較小時可獲得特性曲線2和2』。當導流葉片的開啟度更小時可獲得特性曲線3和3』。
在特性曲線1的線段a-d-h中，Q1值隨著N1值的下降而下降。這條線段在本說明書中被稱為S特性區域。同樣，線段b-e-i也被稱為特性曲線2的S特性區域，而線段c-f-j也被稱為特性曲線3的S特性區域。乍一看就能看出，特性曲線1的線段a-d-h比線段b-e-i長，而線段b-e-i又比線段c-f-j長。這就意味著S特性線段隨著導流葉片的開啟度變得越來越小而變得越來越短。
和圖3(A)一樣，在圖3(B)中，線段a』-d』-h』、b』-e』-i』、以及c』-f-j』是特性曲線1』、2』、以及3』的S特性區域。
圖3(B)與圖3(A)非常相關。例如，在圖3(A)中的曲線3(A)上的點x與圖3(B)中的曲線3』上的點x』相對應，該x點滿足Q1=Q1x以及N1=Nix，而點x』滿足T1=T1x』和N1=Nix』(=N1x)。類似地，圖(A)中的點a、b、c、d、e、f、h、i、以及j分別與圖3(B)中a』、b』、c』、d』、e』、f』、h』、i』、以及j』相對應。
曲線nr是空載流量曲線。曲線nr和曲線1、2、以及3的交點α、β、以及γ分別對應於直線T1=0和曲線1』、2』、以及3』的交點α』、β』、以及γ』。
下面將參考特性曲線1和1』對水泵水輪機的(用於發電的)水輪機工況進行解釋。如上所述，當導流葉片的開啟度相對較大時，可以獲得與特性曲線1到1』相對應的特性。通常，在特性曲線1上方表現為水泵水輪機的水輪機工況，也就是說，在S特性區域的線段a-d-h之上一條曲線上。然而，例如，當水泵水輪機上突然失去負載，水泵水輪機的轉數N會急劇地上升，N1值也會急劇地上升。水泵水輪機開始在S特性區域運行。當運行點進入S特性區域時，水泵水輪機的轉數(N)下降且N1值和Q1值下降結果，水泵流量(Q)下降。圖4詳細地解釋了這種情況。相反，水泵水輪機的進口和出口之間的水頭(即H值)隨著流量Q降低而上升。一旦N1值下降，流量Q就下降。流量Q的下降會造成水泵水輪機的有效水頭的上升。而且有效水頭H的上升會造成N1的下降，而N1的下降會導致Q1的下降。這樣，一旦水泵水輪機開始在S特性區域運行時，Q1以及N1就會隨著速度從點a增加到點d而降低(從而降低S特性區域內的Q1值)。不用說，Q的下降進度會受到象導流管摩擦力以及類似力這樣的衰減力的抑制。無論如何，Q1和N1會以和它們在正反饋迴路中一樣的上升速度下降。
當水泵水輪機的運行點在S特性區域內(從點a)到達點h時，上述現象就會和在負反饋迴路中一樣逐漸得到減輕。運行點開始從點h稍後一點的地方向上移動到S特性區域內的點a(以增加Q1)。運行點的這種反向運動以和在正反饋迴路中相同的方式而進行。圖5解釋了這種回擺運動。
如上所述，當水泵水輪機的導流葉片在負荷衰減後沒有被關閉時，水泵水輪機的運行點會在與導流葉片相應的S特性曲線上擺動。因此，在一些特殊的情況下，依賴於水泵水輪機特性的運轉是有害而危險的。因為水泵水輪機的流量會反覆地上升和下降，並且會在水力發電站的導流管中反覆地產生強烈的水錘。
當S特性區域變得較短時，在S特性區域內運轉期間所產生的有害影響就會下降。例如，當水泵水輪機沿著包含線段b-e-i(該線段由於導流葉片的開啟度比較小而比較短)的特性曲線2運行時，這種影響就能得到減弱。
水泵水輪機在S特性區域內的運轉也會對水泵水輪機的力矩T產生有害的影響。如圖3(B)所示，當N1值在S特性區域內減小時，T1的值也減小。在此，需要指出的是，圖3(A)所示的特性曲線1上的點a和h分別與圖3(B)所示的特性曲線1』上的點a』和h』相對應。
假設有效水頭H是不變的，T1的減小就表示水泵水輪機的力矩的減小。而且，很顯然，水泵水輪機的力矩T的減小會導致水泵水輪機轉數N的下降。隨著水泵水輪機的轉數N下降，N1和T1也依次降低。在實際運轉中，這種下降隨著有效水頭如上面所提到的那樣增長而增速進行。因此，水泵水輪機的運行點沿著特性曲線1』從點a』移動到點h』，同時沿著特性曲線1向較小的Q1方向移動。該運動和在正反饋迴路中的一樣。當該運動在S特性區域內被反向時，運行點就在特性曲線1』上從點h』移回到點a』。從上述內容很顯然表明，這種力矩波動是不能被人們所接受的。
當水泵水輪機的運行點在負荷衰減後沿著S特性曲線向下移動時，迅速地關閉導流葉片是很危險的。這是因為施加了一個促進N1降低的動作。
相互水錘幹擾在水輪機模式下，通過在導流葉片的開啟度小於例如80％時設置上部葉片關閉速度，或通過在導流葉片的開啟度為如80％或更大時設定一個低於上部葉片關閉速度的值，S特性的影響能夠得到抑制。一旦負荷衰減開始，緊接著運行點進入S特性區域之前，葉片關閉速度就從「快」轉變為「慢」。因此，在這種關閉方式中會產生一種彎曲。參見圖6，例如，假設在導流葉片的開啟度幾乎為100％時進行一次負荷衰減(在t0時刻)。起初，導流葉片關閉得相對較快。當導流葉片的開啟度達到一預設開啟度值Ya時，就會選擇一個較小的關閉速度限制。
因此，當運行點進入S特性區域內(在該區域內水泵水輪機的速度開始下降越過一最大值)並一直向一個較小的流量方向移動時，葉片關閉速度被限制到一個相對較慢的速度。這就會抑制由於上述N1的下降而導致的過度正反饋現象的加劇，並因此而防止了過度水錘。
圖6表示了葉片關閉方式和水錘之間的關係，特別是表示出了在負荷衰減時隨著導流葉片的關閉與葉片關閉速度的轉變相關的位於上部蓄水池一側的導流管壓力Hp的上升。換句話說，就是當增大導流葉片的開啟度Ya時(此Ya處葉片關閉速度從「快」轉變為「慢」，)，位於上部蓄水池一側的第一峰值導流管水壓Hpx下降到Hpx1，但第二峰值導流管水壓Hpy上升到Hpy1。在下部蓄水池一側的導流管水壓Hd的波形剛好象將波形Hp翻轉過來的圖形一樣(儘管在圖6中看不見它)並且第二峰值的的衰減量Hdy1低於Hdy。換句話說，當梯度被限制到一個較小的值時，第一峰值Hpx下降而第二峰值Hpy上升。最典型的例子是這樣一種情況，即快速關閉速度變得等於彎曲點之下的緩慢關閉速度。
因此，僅僅依靠導流葉片關閉方式中的彎曲，葉片關閉方式就已被確定，因而，在緊接著負荷衰減之後較快的葉片關閉期間顯示的位於上部蓄水池一側的導流管水壓的峰值Hpx幾乎等於在速度開始下降後由於S特性而表現出的位於上部蓄水池一側的導流管水壓的峰值Hpy。實質上，這可以通過調節彎曲開啟度Ya來做到，當Y＞Ya時限定為較快的葉片關閉速度，而當Y＜Ya時限定為較慢的葉片關閉速度。
本發明的發明者認識到，僅僅依靠葉片關閉方式的彎曲是不夠的。例如，如果一些具有S特性水泵水輪機被連接在上遊一側、下遊一側、或如圖2所示連接在兩側的話，那麼，眾所周知的是，相互水錘幹擾將會導致上遊水壓的異常上升或下遊水壓的異常下降。假設水泵水輪機都具有相同的規格，那麼就會存在各種問題。問題之一是，連續負荷衰減(即一次接一次地衰減水泵水輪機的負荷)時的最大上遊水壓比一次自發負荷衰減時的最大上遊水壓要高。另一個問題是，連續負荷衰減(即一次接一次地衰減水泵水輪機的負荷)時的最小下遊水壓比一次自發負荷衰減時的最小下遊水壓低並在極端的情況下會產生分裂的水柱。更糟糕的是，由於這些不正常的水錘現象與沿著S特性精確計時極為相關，所以象那種使得情況更為糟糕的時間差的情況很難被預知。圖7、圖8以及圖9是一些用來解釋為什麼在連續負荷衰減時象這樣的情況很難預知的圖表。這些圖假設了三個水泵水輪機一起連接在一個上遊導流管和一個下遊導流管上的情況。在該例子中，水泵水輪機#1在20秒的時間點處處於完全負荷衰減狀態。在該完全負荷衰減之後的Td1秒後，水泵水輪機#2處於完全負荷衰減狀態。在第二次完全負荷衰減之後的Td2秒後，水泵水輪機#3處於完全負荷衰減狀態。結果，水泵水輪機#1的下遊水壓在時間點33.6秒處或在一次負荷衰減後13.6秒處急速下降。
這種相互水錘幹擾會導致突兀的尖峰狀的下遊水壓下降產生。然而，為了在水泵水輪機的下遊導流管中抑制水柱分開，必須儘可能地將水泵水輪機安裝得低一些，並確保在下部蓄水池之上有一個充足的水位差。這極大地增加了建設成本和為了安裝水泵水輪機而需要挖掘的土石方的數量。
在這種情況下，因為葉片關閉方式被設置成使得在葉片關閉期間的上遊導流管水壓峰值Hpx比在每一個水泵水輪機處於完全負荷衰減時在旋轉速度開始下降後由於S特性而表現出來的上遊導流管水壓峰值Hpy高(見圖10)，因此由相互幹擾造成的不正常的水錘出現在上遊一側不是太明顯。換句話說，這種情況假設，Hpx被設定得至少要高於Hpy並且上遊水壓被設計得充分高，犧牲上遊的建設成本。當然，Hpx必須比較小以降低上遊的建設成本。為此，必須被消除上遊導流管中的相互水錘幹擾。即使在由於上遊導流管中的相互水錘幹擾而引起的異常壓力上升通過利用圖10中的葉片關閉方式被消除時，由於下遊導流管內的相互幹擾而造成的尖峰依然存在(見圖7、圖8、以及圖9)。
電路結構下面將參考圖12對水泵水輪機的調節裝置的電路結構進行解釋。該方塊圖包含一個用來檢測水泵水輪機100的旋轉速度N的速度檢測器1；速度檢測信號Xn；一個用來設置參考旋轉速度的速度控制器2；一個來自於速度控制器2的設置值X0；一個加法器3；一個來自於速度控制速率設定單元的還原信號Xσ；一個由加法器3輸出的並輸送給緊接著下面的PID操作電路的信號Xε；一比例元件4a(P元件)，該元件用於正常產生動力模式中，在該模式下發電機與大型電力系統相連；以及一個比例元件4b(P元件)，該元件用於負荷衰減後的空載工況。比例元件4a的增益Kpa大於比例元件4b的增益Kpb。
積分元件5a(I元件)在正常的產生動力模式下被起用。積分元件5b1(I元件)用於負荷衰減後的空載工況並且在導流葉片檢測器20a和20b不工作時被起用。積分元件5b2(I元件)於導流葉片檢測器20a和20b在負荷衰減之後立即開始工作後被起用。它們的積分增益Kia、Kib2、以及Kib1滿足Kia＞Kib2＞Kib1。
接觸器19a和19b去檢測發現發電機處於負荷衰減(即，當速度超過一額定速度值時)並在負荷被衰減的同時擺動以打開下觸點並關閉上觸點。在每一側上都設有兩個接觸器19a或19b，以同時既能轉換P元件又能轉換I元件。接觸器20a和20b去檢測發現導流葉片被關閉到一預定的開啟度Yz或之下並在導流葉片關閉到一預定開啟度Yz的同時擺動以開啟下觸點關閉上觸點。
微分元件6(D元件)輸出一個信號Zd。比例元件輸出一個信號Zp並且積分元件輸出一個信號Zi。微分元件6的增益Kd是可以調節的，但是其時間常數T1被確定為一個約為0.1的較小值。
加法器7將這些信號加在一起。加法器7輸出的信號Z是比例元件的輸出量Zp、積分元件的輸出量Zi、以及微分元件的輸出量Zd的總和。信號Z是葉片開啟指令信號。一低值選擇電路23自動地在葉片開啟指令信號Z和一限制器的設定值Z1中選擇一個較小的值並最終輸出一個葉片開啟指令信號ZZ。
實際的葉片開啟度由信號Y來表示。加法器8、限制器9、以及油壓伺服馬達10組成了一種油壓放大器。它構成了一個起到傳遞函數作用的帶有一限制器的第一階滯後元件，並將葉片開啟信號Z放大成一個葉片開啟度Y，該開啟度產生一行程以及一個強大得足以直接操縱作為流量調節裝置的導流葉片的操縱力。信號Yε1表示最終的葉片開啟度指令ZZ和實際葉片開啟度Y之間的差值。
信號Yxxxx是一個間斷信號，當輸入一個與調節裝置的來自於上遊的自然控制信號無關的且通常為零的緊急停止信號時，該間斷信號絕對值大到足以迅速地關閉導流葉片。
加法器24將信號Yε1和Yxxxx相加並輸出一個結果Yε2。限制器9包括θR和θL,θR將葉片開啟速度限制到θR.Cy,θL將葉片關閉速度限制到θL.Cy。可以通過對與所述的葉片開啟和關閉速度極限值有關的差值信號Yε2進行限制而獲得信號Yε3。一個來自於輸出控制器13的理想的葉片開啟設定信號Yb被輸送到加法器11。如果實際葉片開啟度Y小於Yb(或Y＜Yb)，則開啟信號σ(Yb-Y)被不間斷地輸送到PID控制單元，直到差值(Yb-Y)變成零為止。最後，實際葉片開啟度Y等於葉片開啟設定信號Yb，並且開啟信號σ(Yb-Y)停止輸送。
速度控制速率設置模塊12設定上述係數σ。換句話說，係數σ是一個增益，該增益確定了葉片開啟度Y的變化與速度檢測信號Xn變化之間的比值。通常，它是根據動力系統中相關裝置的作用或負載分配的比率來確定的。一旦將其確定下來，它就不會再改變。水泵水輪機的調節裝置也包括含有一個導流管系統的水輪機14的一些元件。相關裝置的負載電力L被輸送到直接與水輪機的軸相連的發電機。負載電力RL由電力系統來供應。信號Pg是負載電力L和RL或發電機負載的結合。負載特性17b由電力系統給定。水輪機100的自我控制性能模塊17a是一個特性模塊，該模塊統計隨著速度的增加、效率的降低等而增加的機械損失。因此，信號RT表示由自我控制性能而引起的伴隨有旋轉速度的變化的2水輪機輸出損失。因此，對於水輪機來說，可以認為RT以及Pg是一種負載。換句話說，可以假設它們的和為負載的和L∑=Pg+RT，這些負載消耗了水輪機的輸出量Pt。信號(Pt-L∑)被輸送到轉子的慣性效應部分16，並且轉子的慣性效應部分16的輸出量就成為轉速N。
在負荷衰減後，信號Pg等於信號L。
下面，將參照圖13和圖14對速度控制器2、輸出控制器13、以及速度控制速率設置模塊12的作用進行解釋，假設空載葉片開啟度為0.2(pu)。在圖13中向右降低的實線表示正好在動力裝置與電力系統相連之前的導流葉片的開啟度。換句話說，該實線和額定速度N(同步速度)線的交點表示導流葉片的開啟度。當前的空載葉片開啟度是0.2。該實線設定得比水輪機啟動之前低。例如，在圖13中該線位於虛線處。在該圖中可以看出，速度控制器2使該實線在圖14中的實線下方平行地向上或向下移動。當交點(空載葉片開啟度0.2)垂直上下移動時就出現了名稱「速度控制器」。
下面將參照圖14解釋在動力裝置連接到電力系統之後交點的狀況。起初，實線和額定速度線的交點位於Y=1.0。這表示「在100％負載下運行」。這條線在圖13中是虛的。
這樣，輸出控制器13通過使該實線向左或向右平行移動而控制導流葉片的開啟。然而，當動力裝置連接到許多的電力系統，旋轉速度基本上固定為1.0。當線N=1.0上的交點隨著該實線的水平運動而左右移動時，就給出了名稱「速度控制器」。
在這種穩定狀態。水泵水輪機在如圖14中的實線所示的點(N=1.0,Y=1.0)處運轉。假設動力系統的頻率增加3％，並且額定速度N移動到1.03。
葉片開啟度Y達到0.2。同樣，假設動力系統的頻率增加了1.5％，葉片開啟度Y設定為0.6。這樣，速度控制速率設置模塊12給出了頻率變化寬度和葉片開啟寬度之間的比例關係。當速度控制速率設置模塊12的增益增加時，圖14中的實線會更急劇地向右降低。而且葉片開啟響應寬度相對於頻率變化的增益降低。因此，如果水泵水輪機在額定速度(N=1.0)和滿負荷(100％)(在圖14中的實線上)情況下運行的同時出現負荷衰減的話，調節裝置會進行運算以最終將旋轉速度N設定為1.03(比額定值要高一個受控的速度增量)。
圖15是一個典型的例子，其表示了水泵水輪機的葉片關閉速度極限。
按照慣例，水泵水輪機的旋轉速度受到限制，因而，如果葉片開啟度Y大於預設的葉片開啟度Ya的話，則該線的梯度可能不會大於θ1a，或者，如果葉片開啟度Y小於預設的葉片開啟度Ya的話，則該線的梯度可能不會大於θ1a(其小於θ1a)。換句話說，如果葉片開啟度Y大於預設的葉片開啟度Ya的話，則圖12中所示的元件9的θL被設定為相對較大的tanθ1a/Cy，或者，如果葉片開啟度Y小於預設的葉片開啟度Ya的話，則它被設定為相對較小的tanθ1b/Cy。另一方面，當葉片開啟動作與在葉片關閉動作中一樣不受S特性影響時，θL被設定為θ2，該θ2滿足|θ1a|＞|θ2|＞|θ1b|並與葉片開啟度無關。
下面將解釋一種設置積分增益Kib1和Kib2、比例增益Kpb、以及微分增益Kd的方法，這是有利的要點。在負荷衰減之後的水泵水輪機的穩定狀態下，或者，當導流葉片在負荷衰減後被關閉到一個預設開啟度且幾乎不再需要反S特性控制的時候，這些增益以與在傳統的空載工況下相同的方式進行設置。例如，Kpb和Kib2可以由上/下遊導流管時間常數Tw(=∑Li.Vi/(g.H))和一個轉子慣性效應的時間常數Tm(=0.00274GD2NO2/kw)來確定。最終的增益是Kpb=0.3Tm/Tw,Kib2=0.25Kp/Tw，以及Kd=0.3Kp.Tw。
換句話說，該增益可以由時間常數Tw和Tm決定而與S特性無關。在上述時間常數的表達式中，Li、Vi、g、H、GD2、NO、以及Kw分別是每根導流管的長度(米)、每根導流管中水的速度(米/秒)、重力加速度(米/秒2)、有效水頭(米)、轉子的慣性常數GD2(噸-米2)、額定轉速(轉/分鐘)、以及額定輸出(千瓦)。然而，為了反S特性控制或為了暫時開啟在第一速度下降曲線的前半段內正在關閉的流量控制器，並接著在某一旋轉速度(該速度比額定速度高第一峰值減去額定速度的值的三分之一或更多)處使得第一速度下降停止，並且轉換流量控制器以增大該速度，這就必須大大地增加穩定性。尤其是，增益Kib1必須要小得多。Kp、Ki、以及Kd可以如圖17中的那樣設置。Kp以及Ki可以在負荷衰減或Y＜Yz時改變。
圖18、圖19、以及圖20表示用於本發明的500米導流管水泵水輪機的瞬時現象。該實施例假設Kd=3.45、Kpb=0.5、Kib1=0.02、以及Kib2=0.1。由於在負荷衰減後只有增益Kpb不經轉換就被用作Kp(見圖12)，所以與反S特性控制有關的Kpb就比通常的要小(約為1/5)。儘管在Y＜Yz的條件下當反S特性控制模式被轉變為空載穩定運轉模式時提出了另一種將增益從Kpb1變化為Kpb2方法，但是只有積分元件被轉化而抑制衝擊。
因此，正如所期望那樣，在導流葉片被關閉的同時(見圖18)，進行反S特性控制。因此，流量速率在沒有造成任何回流的情況下平緩地匯集為一個空載流量速率。同樣，水錘Hp的第二峰值Hpy幾乎消失了。圖19表示出了水泵水輪機的變化過程(N1-Q1運動狀態)。如圖19中所示，很明顯，導流葉片在運行點沿著S特性曲線向較小的流量移動時開啟，或者在運行點沿著S特性曲線向較大的流量移動時關閉，並且S特性的振動特性也得到顯著地抑制。
圖20表示在這種狀態下調節裝置的響應或者PID元件的輸出響應。由於在負荷衰減之後20秒導流葉片的開啟，葉片開啟檢測器20a和20b檢測到Y＜Ya。這就是為什麼Zi曲線在負荷衰減後20秒的時間點處急劇彎曲的原因。
圖21是一個圖表，用來解釋當增益Kpb和Kib2相對於Kd=3.45、Kpb=1.0、以及Kib1=Kib2=0.1條件下的空載運轉的設定值更近時會發生什麼情況。詳細地說，Kib1和Kib2的值大約為通常空載穩定運轉狀態下的三分之一，並且Kpb大約為通常空載穩定運轉狀態下的一半。對於這樣一種不充分的增益設定值(其增益不足夠小)，導流葉片會在第一速度下降曲線的後半段開始開啟。這就不會抑制由於S特性造成的振動。相反，它還會促進振動。如上所述，在沒有參考的情況下很難對反S特性控制進行設置，但是，本發明能夠提供這種參考並很容易地進行這種設置。
儘管也能夠讓反S特性控制的設置用於穩定狀態，但是，正如你能從上述說明中所看到的那樣會產生一些缺點。這些缺點就是，調節裝置的響應太滯後，並且負荷衰減之後的速度下降延遲得太多。
圖22、圖23、以及圖24表示出了三個水泵水輪機的過渡過程，這三個水泵水輪機共用同一條導流管並在圖18和圖19給定的條件下依次進行負荷衰減。當它們和圖7、圖8、以及圖9相比時，本發明的作用就變得很明顯了。換句話說，在下遊水壓中不會出現由於異常水錘幹擾造成的尖峰。上遊水壓也極其平緩。
在圖12、圖18、以及圖19中，只需要通過轉換P和I增益就可以進行反S特性控制。
然而，能夠進行這樣的控制以便在適當的標記時間處通過將其合併起來增加速度控制器2的設定值x0的有效性。
如上所述，本發明的水泵水輪機能極大地壓縮由於S特性造成的異常流量波動的幅度，這也能極大地減弱對水泵水輪機的瞬時水流的推力變化。這使得推力軸承的結構合理化。傳統上，為了抑制異常水錘幹擾，在某些情況下必須對共用一條上遊或下遊導流管的水泵水輪機中的每一臺的運轉進行限制。然而本發明能夠使得這些水泵水輪機不受這樣限制。
而且，本發明的方法能抑制負荷衰減時的過度流量波動。這能減弱振動、噪聲等等，改進水泵水輪機的運行狀態，並延長其使用壽命。不用說，本發明的效果都有助於降低建造抽水動力裝置的成本，而且，本發明的目的能夠完全通過改變調節裝置的設置方法來實現。
由於本發明的方法可以將水的流量平穩地匯集為空載流量而不會有任何負荷衰減時的過度流量波動，所以，尤其是通過降低第二峰值Hpy幾乎可以消除上遊水壓上升的幅度。因此，在始終保持第一峰值Hpx高於第二峰值Hpy的任何情況下，能夠極大地降低第一峰值Hpx。因此，本發明的方法能夠極大地降低上遊導流管內以及水泵水輪機自身內部的設計水壓。
而且，對於下遊導流管，本發明的方法也能夠極大地降低由於S特性造成的跌水寬度。特別是，該方法能夠極大地減少由於共用一條下遊導流管的水泵水輪機之間的相互水錘幹擾造成的異常尖峰。
因此，幾個水泵水輪機能夠安裝在同一個較低的蓄水池的水平面之上的較高位置上，這會減少所需挖掘土石方的數量以及最終的建設成本(如果是地下動力站的話)。
如已經解釋的那樣，即使在水泵水輪機的運行點處於S特性區域內時，本發明的方法也能夠穩定而廉價地並且充分地減少由於S特性對水泵水輪機的性能造成的影響。
即使在水泵水輪機的運行點處於S特性區域內時，本發明的方法或水泵水輪機也能夠充分地減少由於S特性造成的影響。換句話說，「在負荷衰減時的第一速度上升越過第一峰值轉變為下降以後的第一速度下降曲線的前半段」的意思是水泵水輪機運行點沿著S特性曲線向著較小流量向下移動的性能曲線的區域。在這種狀態下，例如，當調節裝置是一個PID調節裝置時，有必要降低調節裝置的增益，特別是積分和比例增益，直到受到調節裝置控制而正在關閉的流量控制器暫時轉向下降為止。這會突出微分元件的影響並在第一速度下降曲線的前半段啟動流量控制器(或導流葉片)的暫時開啟動作。對於一種在恢復電路中含有不完全微分元件的緩衝型調節裝置，可以通過增加緩衝增益和時間常數來減小積分增益和比例增益。
如果上述增益下降的不夠，導流葉片的暫時開啟動作就會被推遲並在第一速度下降曲線的後半段啟動。這就降低了反S特性控制的效果，並且更糟糕的是，會對水泵水輪機的運轉帶來有害的影響。這是因為水泵水輪機的運行點在這個階段停止了沿著S特性向較小的流量方向的移動並返回而向上移向一較大的流量。如果導流葉片在這個階段開啟，S特性就會得到有力的增加。
而且，暫時的葉片開啟寬度必須大到足以引起反S特性控制的作用。為此，第一速度下降必須停在一個比額定速度還高第一峰值與額定速度差值的三分之一的旋轉速度處，並且速度又從那開始上升。這是一個實現反S控制的估計參考值，儘管它有點依賴於水泵水輪機的特性。例如，本發明的實施例(採用PID調節裝置)具有對應於空載穩定工況的參考值Kp=0.5、Ki=0.1、以及Kd=3.45以及對應於反S特性控制的參考值Kp=0.5、Ki=0.02、以及Kd=3.45。
調節裝置的運算器的設置在負荷衰減時在適當的條件下自動地開始。
儘管只解釋了用於反S特性控制的PID增益控制，但是，通過將所述控制和某一種控制結合起來以暫時增加調節裝置的目標速度的控制設定值以及類似的設定值，可以獲得更多的效果。
在水泵水輪機的運行點穿過S特性區域之後最終穩定到空載工況之前，自動地將調節裝置的運算器重新設置為一個設定值以改進響應速度(對應於空載工況的設置)是有必要的，該響應速度比反S特性控制的設定值要快。
這是因為，緩慢的速度下降將會使得水泵水輪機和發電機一直高速運轉，使得速度在負荷衰減之後返回得更慢，並且在水泵水輪機以平行的方式重新連接到動力系統上時使得響應更慢。
自動地將反S特性控制的設定轉換為空載穩定工況的設定的第一例示狀況將會發現流量控制器在負荷衰減之後(Y＜Yz)會被關閉到一預定開啟度或更低。
自動地將反S特性控制的設定轉換為空載穩定工況的設定的另一例示狀況將發現負荷衰減之後的速度會變得低於一預定值。對於負荷衰減後的反S特性，調節裝置的設置應該是與在通常負載工況下(在這種工況下可以採用動力系統的穩定性)的穩定性有關的響應優先設置，並立即重新設置為位於S特性區域之外的空載穩定工況的中間設定值。因此，調節裝置應該具有按下列順序排列的標引為「正常負載工況」、「空載穩定工況」、以及「緊接著負荷衰減之後的反S特性控制」的三個響應速度，並自動地改變這些響應速度。
改變調節裝置的這些設定值應平穩地進行(不應有衝擊)。尤其是，如果導流葉片在反S特性控制控制下有跳躍，共用一條導流管的水泵水輪機可能會產生異常的水錘幹擾。
具有這種無衝擊轉換的一個例子將會在調節裝置是一種具有比例、積分、以及微分元件的PID調節裝置時僅僅轉換積分增益。
本發明的水泵水輪機的調節裝置包括一個關閉速度限制器，該限制器根據流量控制器的開啟度限制導流葉片的關閉速度。如果關閉速度限制器設計成能在導流葉片的開啟度越過第一預定值時將流量控制器的關閉速度限制到相對較高的第二預定值或其之下，或者在流量控制器的的開啟度變得低於第一預定值之後將流量控制器的關閉速度限制到相對較低的第三預定值或其之下，那麼調節裝置的運算器可得到控制，從而最起碼直到導流葉片緊接著負荷衰減之後被關閉到預定開啟度或其之下為止，才會啟動正在關閉的導流葉片的暫時開啟動作。這是因為有必要在運行點進入S特性區域之前儘可能快地關閉導流葉片，使得隨後的S特性儘可能地小。如果這被省略掉，負荷衰減後的第一速度峰值將會增加得太多。
水泵水輪機的運行點停止沿著S特性曲線移動的時間點大約就是拐點或在其附近，在該拐點處速度下降曲線從凸曲線轉變為凹曲線，儘管其與水泵水輪機的特性有關。因此，採用修正控制的導流葉片的暫時開啟動作將會從負荷衰減後的旋轉速度開始下降越過第一峰值的一個時間點開始至少持續到速度曲線從「峰頂」變化到「谷底」的一個時間點。調節裝置的運算器將會採用上述參考方式設定。
在許多情況下，在比旋轉速度到達第一峰值早一點點的時候就啟動導流葉片的暫時開啟動作可能會更有效。這是因為第一速度峰值將再也不會得到增加和返回，如果暫時開啟的時間點被推遲，反S特性控制性能將會急劇地下降。
最終，在比負荷衰減後速度上升停止(第一峰值)之前稍早一點的時候進行導流葉片的暫時開啟，以及該暫時開啟動作一直持續到速度下降曲線的從凸曲線轉變為凹曲線所在的一個拐點或其附近是比較合理的。
當負荷衰減正好被檢測到時，將調節裝置的運算器的設置轉換為反S特性控制設置是應該的。為此，斷路器觸點僅用於電力裝置是不夠的。因此，當速度超過一個比額定速度(該額定速度在水泵水輪機的通常的負載工況下不會出現)高得多的預定值時就應該進行轉換。
下面將參考圖22解釋第二個實施例。該實施例還包括一個負載限制器22。該實施例的其它部分與第一個實施例的那些類似部分具有相同的功能，在此略去對它們的解釋。
如果負荷衰減後的反S特性控制具有一種故障，該故障使得退出S特性區域和到達空載工況之間的時間拉長，或者該故障增大了流量控制器的暫時開啟寬度，這種故障可以通過同時操縱一個保護性調節裝置而得到消除，這種保護性調節裝置可以根據負荷衰減後的預定程序限制流量控制器的開啟度。一種推薦的方案是根據負荷衰減後的預定程序關閉負載限制器22。(負荷衰減之前的上極限大約為1.0每單位)採用這種方式，即使由於調節裝置的運算器的輸出量Z造成的故障猛然間開啟流量控制器時，該故障也能由於低值選擇電路能夠自動地選擇負載限制器的輸出量而得到避免。
結果，本發明的方法一次就能達到下述效果在負荷衰減時降低上遊水壓的上升降低上遊導流管內的以及水泵水輪機自身內部的設計水壓導致成本下降在負荷衰減時減小下部水壓降的寬度改進水泵水輪機的安裝高度降低建設成本消除共用一條上遊導流管、下遊導流管或者兩者共用的水泵水輪機之間的相互水錘幹擾，並降低作用在水泵水輪機的水的推力使得推力軸承設計合理化，並使得水泵水輪機在負荷衰減時穩定運轉。
下面參照附圖對第三個實施例進行解釋。圖24是本發明的第三個實施例的水泵水輪機調節裝置的示意性模塊圖。
該模塊圖包括一個用來檢測水泵水輪機14α-14γ的旋轉速度N的速度檢測器1；速度檢測信號Xn；一個用來設定參考旋轉速度的速度調節裝置302；一個來自於速度調節裝置302的設置值X0；一個加法器303；一個來自於速度控制率設定單元的還原信號Xσ；一個由加法器303輸出的信號Xε；以及一個來自於修正控制電路400的修正控制信號X400。
通過採用修正控制信號X400對Xε進行修正得到的信號X320A正好在該信號下被輸送給PID控制電路。一比例元件304a(P元件)被用於正常產生動力模式中，在該模式下發電機與巨大的電力系統相連。一個比例元件304b(P元件)用於一次負荷衰減之後的空載工況。比例元件304a的增益KPa大於比例元件304b的增益KPb。積分元件305a(I元件)在正常的產生動力模式下被起用。積分元件305b(I元件)用於一次負荷衰減後的空載工況。積分元件305a的積分增益Kia大於積分元件305b的積分增益Kib。接觸器319a和319b直接或間接地檢測發電機的斷路器的開/關狀態(這在圖26中未示出)。當斷路器打開時，接觸器319a和319b同時擺動以打開下觸點並關閉上觸點。在每一側上都需要兩個接觸器319a或319b以同時既能轉換P元件又能轉換I元件。
微分元件306(D元件)輸出一個信號Zd。接觸器319b輸出一個來自於比例元件的信號Zp和一個來自於積分元件的信號Zi。
加法器307將這些信號加在一起。信號Z是比例元件的輸出量Zp、積分元件的輸出量Zi、以及微分元件的輸出量Zd的總和。信號Z是葉片開啟指令信號。實際的葉片開啟度由信號Y來表示。
加法器308、限制器309、以及油壓伺服馬達310組成了一種油壓放大器。它構成了一個起到傳遞函數作用的帶有一限制器的第一命令滯後元件，並將葉片開啟信號Z放大成葉片開啟度Y，該葉片的開啟度具有一行程和一個強大得足以直接控制作為流量調節裝置的導流葉片的操縱力。信號Yε1表示葉片開啟指令Z和實際葉片開啟度Y之間的差值。限制器309包括θR和θL,θR將葉片開啟速度限制到θR.Cy,θL將葉片關閉速度限制到θL.Cy。可以通過對與所述的葉片開啟和關閉速度極限值有關的差值信號Yε1進行限制而獲得信號Yε2。一個從來自於輸出調節裝置313輸出的理想葉片開啟設定信號Tb被輸送到加法器311。如果實際葉片開啟度Y小於Yb(或Y＜Yb)，則開啟信號σ(Yb-Y)就會不間斷地輸送給PID控制單元，直到差值(Yb-Y)變成零為止。最後，實際葉片開啟度Y會等於葉片開啟設定信號Ya，並且開啟信號σ(Yb-Y)停止輸送。速度控制速率設置模塊312對上述係數σ進行設定。換句話說，係數σ是一個增益，該增益確定了葉片開啟度Y的變化與速度檢測信號Xn變化之間的比值。通常，它是根據動力系統中相關裝置的作用或負載分配率來確定的。一旦將其確定下來，它就不會再改變。信號314表示帶有導流管系統的水輪機的輸出特性。相關裝置的負載電力L被輸送到直接與水輪機的軸相連的發電機。負載電力RL由電力系統來供應。信號Pg是發電機負載，該負載是負載電力L和RL之和。負載特性317b由電力系統給定。水輪機12α-12γ的自我控制性能模塊317a是一個特性模塊，該模塊統計隨著速度的增加、效率的降低等而增加機械損失。因此，信號RT表示由於與旋轉速度的變化相伴隨的自我控制性能而引起的水輪機輸出損失。因此，對於水輪機來說，RT和Pg一樣可以被看成一種負載。換句話說，它們的和能夠被設為負載的總和L∑=Pg+RT，這些負載消耗了水輪機的輸出量Pt。信號(Pt-L∑)被輸送到轉子的慣性效應部分316，並且轉子的慣性效應部分316的輸出變成速度N。在一次負荷衰減之後，信號P等於信號L。
速度調節裝置302、輸出調節裝置313、以及速度控制速率設置模塊312具有和第一以及第二實施例中的那些部分相同的功能，因此，在此略去對它們的解釋。
圖27是圖28中的調節裝置內的修正控制電路400的示意性模塊圖。
修正控制電路400包括一個加法器409和一個積分器410。修正控制電路接收到速度檢測信號Xn並輸出X400。在負荷衰減開始時，積分器410具有一個初值1.0，該初值相當於額定旋轉速度。加法器409的輸出值X409是Xn的不完全微分。你能夠通過X409知道Dn/dt是正(增加速度)還是負(降低速度)。當X409為正值時，轉換電路411輸出1.0，而當X409為負值時，轉換電路輸出0。電路401起到一個無源性元件的作用，該元件僅僅使得大於預定值Xc1的Xn通過。Xc1的值必須大於相當於額定速度的Xn=0.1，並且該值在發電機與電力系統處於相連的正常工況下不能獲得而僅僅在負荷衰減時才能獲得。
例如，將值Xc1設定為1.04至1.05。當轉換電路411的輸出量X411為正值時，繼電器403輸出一個來自於加法器402的信號X402，而當轉換電路411的輸出量X411為負值時，繼電器403輸出為零。積分器404接收到從繼電器輸出的信號X403。如上所述，在速度正在下降的同時，當旋轉速度增加或保持在某一值(該值恰好位於速度開始下降之前)不變時，信號X404對信號X401的響應是時間常數1/Kc1的第一階遲滯響應。時間常數1/Kc1比時間常數1/Kc3要小得多(將會在下面解釋)。加法器405從信號X404中減去信號X407(將會在下面解釋)並產生一個信號K405。當轉換電路411的輸出值X411為負值時，繼電器406輸出一個來自於加法器405的信號X405，或者，在轉換電路的輸出值X411為正值時，繼電器406輸出為零。積分器407接收到來自於繼電器406的信號X406。
如上所述，信號X405對信號X404的響應是一個不完全微分，該微分在速度下降的同時使得信號X404按指數級緩慢下降。其時間常數為1/Kc3且增益為1(不完全微分)。
另一方面，隨著信號X404的值在速度增加的同時增加且信號X407在緊挨著速度開始增加之前保持為一個值，信號X405的值也隨之增加。換句話說，信號X405的值隨著速度的增加而增加，並且在速度開始下降時按指數級緩慢下降。這就相當於負荷衰減時的速度變化模型曲線。
圖28是一個修正電路的示意性模塊圖，該電路是圖26所示電路的改進。
微分元件306(D元件)輸入Xε。PI控制電路的輸入值X320B可以通過用修正控制信號X400對信號Xε進行修正而獲得。換句話說，修正控制電路僅僅對比例元件(P元件)和積分元件(I元件)直接產生影響。其它的電路結構與圖26中的其它結構相同。其詳細解釋在此略去。
圖29所示的是採用圖28和圖27中的上述實施例的水泵水輪機在負荷衰減時的時間響應特性。圖29示出了水輪機在負荷衰減時葉片開啟度Y、旋轉速度N、流量Q、進口水壓Hp、以及出口水壓Hp的變化過程。
當負荷衰減後的速度開始上升時，相應於速度的上升，調節裝置就開始迅速地關閉導流葉片。當速度上升且速度檢測信號Xn超過預定值Xc1時，信號X401就被輸送到修正控制電路400。修正控制電路開始運轉並輸出修正控制信號X400。當速度調節裝置302的預定值X0受到修正控制信號X400的修正，葉片關閉速度會逐漸地下降並最終導流葉片轉向開啟。圖31表示出了修正控制電路400中的信號X401、X404以及X400的變化過程。而且圖32表示出了被輸送到比例元件(P元件)和積分元件(I元件)的信號X320B在經過上述修正後變化過程。
換句話說，圖28中的實施例可以這樣設計，以使得修正信號K400不會對微分元件306(D元件)直接地產生影響。這將會使得微分元件306儘可能精確地與速度波動相符。
加法器307將比例元件(P元件)304b的作為對信號X320B響應的輸出值Zp、積分元件305b(I元件)的作為對信號X320B響應輸出值Zi、以及微分元件306(D元件)的作為對來自於加法器303的信號Xε響應的輸出值Zd加起來並輸出一個圖33中的葉片開啟指令信號Z。結果，如圖29所示，導流葉片在快速關閉後平穩地轉向開啟，並一直開啟到速度達到峰值。當然，在該時間段內，葉片開啟動作隨著速度增加率降低而受到調節裝置的控制而逐漸減速。
水輪機的流量下降速率在速度由於導流葉片的開啟動作而到達峰值之前(也就是說，在運行點進入S特性區域之前)變得充分低。圖30表示出了在負荷衰減後水泵水輪機運行點的軌跡。該圖勾勒出了運行點越過S特性曲線的一峰值(在該峰值處N1最大)向著空載運行點在每一個時間點，也就是，沿著一條不受限制(NR)的速度曲線的平緩收斂。儘管該例子顯示出了一點波動，但是在調節裝置的穩定性得到增加時曲線會更加平滑。
換句話說，當流量下降率在運行點進入S特性區域之前變得充分低時，並且如果調節裝置的穩定性在該時間點處及時受到響應，將會獲得理想流量下降曲線。
在這種情況下，之所以調節裝置的穩定性無論在多高的旋轉速度下都會得到響應，是因為速度調節裝置的設置被修正為瞬時高值。
如果第一快速葉片關閉的幅度增加較大的話，上遊導流管水壓會變得較低。然而，這對降低成本不太有效。在圖29所示的那樣之後，通過使得曲線變得幾乎水平會更有效地降低最大水壓。
當與圖10和圖11中的實施例進行對比時，該實施例的效果會顯得更清楚。圖10和圖11表示出了共用一條上遊導流管的三個水泵水輪機中的每一個在連續負荷衰減時的瞬時現象，其中假設它們的流道差別很小。在這種條件下，你會發現，水的流量會在瞬時間猛烈地掉轉其方向並產生第二次水錘。
而且，你也會發現由S特性造成的象出口水壓以及旋轉速度方面的劇烈波動這樣的其它影響。
當將本發明用於700米導流管的抽水動力裝置上時，最大上遊導流管水壓會被極大地降低到大約7.5MPa(傳統的大約為8.5MPa)，並且出口跌水寬度會降低幾十米。
在出現緊急停止的情況下(這在圖26和圖28中沒有顯示出來)，導流葉片會迅速地關閉而Yε1絕對地保持在-θL之下。通過在預定值之下降低速度或在預定值之下開啟導流葉片，幾乎能夠分辨出在S特性區域內的運轉收斂的末端。
根據上述說明，本發明的效果已經很明顯。換句話說，如圖29所示，在負荷衰減後流量可以平穩地大幅度降低。因此，上遊水壓上升的寬度能夠得以最小化。
因此，大幅度地降低上遊導流管內的以及水泵水輪機自身內部的設計水壓是可能的。大幅度地降低由於水輪機的下遊導流管中的S特性現象造成的水壓降寬度也是可能的。特別地，通過共用一條下遊導流管的水泵水輪機之間的相互水錘幹擾來消除異常尖峰是可能的。因此，多個水泵水輪機能夠安裝在同一較低蓄水池之上的較高位置上，這會降低所要挖掘的土石方的量以及最終的建設成本(萬一是地下動力站的話。)。而且，由於本發明的方法能夠極大地降低由於S特性現象造成的異常流量波動的寬度，作用在水泵水輪機上的水的瞬時推力波動能得到極大地降低。這就使得推力軸承的結構合理化。傳統上，為了抑制共用一條上或下遊導流管的水泵水輪機之間的相互水錘幹擾，每臺水泵水輪機的運轉都會受到某種程度的限制。然而，本發明能使得水泵水輪機不受這些限制。而且，本發明的方法能夠在負荷衰減時抑制一種過度的流動波動。這能降低振動、噪聲等等，改進水泵水輪機的運行狀態，並且延長其使用壽命。不用說，本發明的效果都會有助於降低抽水動力裝置的建設成本。僅僅通過為調節裝置增加一個修正控制電路或暫時調節預設值就能夠以極低的成本實現本發明的效果。特別的是，對於能從外部加載運轉程序的微處理器型調節裝置，僅僅通過更新運轉程序就能夠獲得本發明的效果。
而且，本實施例能夠急劇地降低上遊水壓在負荷衰減時的上升。這就使得上遊導流管內的以及水泵水輪機自身內部的設計水壓能得到降低，從而導緻密封設計方面的成本降低。而且由於本發明的效果能夠降低下遊水壓在負荷衰減時下降的幅度，因此水泵水輪機可以安裝在較淺的位置，這就能減少所需要挖掘的土石方的量以及最終的建設成本。
而且，本發明的效果能夠抑制共用一條上遊或下遊導流管的水泵水輪機之間的有害的相互水錘幹擾。因此，就能消除對水泵水輪機的傳統運轉限制。
本發明的效果能夠抑制負荷衰減時的流量波動，這使得推力軸承的設計合理化，這就能減弱瞬時狀態下的水的推力。
本發明的效果能夠使得水泵水輪機的運轉在負荷衰減時變得穩定。
在圖11中，在負荷衰減後水泵水輪機的運行點總是衝進S特性區域，這可能是由在運行點沿著N1-Q1曲線的第一區域隨著N1值的增加而向著較低的Q1值移動併到達該區域的末端之前流量下降速度的過度加速造成的。因此，以致於太遲開啟導流葉片，而不能在運行點衝進S特性區域之後或稍早一點之前開啟導流葉片以降低由於S特性造成的振動(如在公開號為S53-143842(1988)的日本待審專利中所公開的那樣)。為了防止這種情況，有必要在最佳的時機使得正在關閉的導流葉片轉向開啟而通過修正控制調節裝置或者從速度增加的開始自動臨時調節調節裝置的預設值來降低流量的降低速率。在旋轉速度增加的同時，在相同的運轉條件N1下開啟導流葉片會增加流量。因此，與由N的增加導致的流量下降的信號相反的信號對抑制作用有效。由於流量的下降在速度增加期間會加速，因此最好在這種加速的同時一直開啟導流葉片。
通常，導流葉片在負荷衰減後運轉以關閉並且接著打開。然而，恰好在旋轉速度達到峰值之前或運行點衝進S特性區域之前，導流葉片的開啟度應儘可能地小。這是因為在導流葉片的開啟度較小時S特性現象的影響也較小。因此，在負荷衰減後總是要求有一個較快的葉片關閉動作。
上述創造性的導流葉片控制將最終使得流量下降平緩。最好是導流葉片能平緩地從快速關閉(負荷衰減後)轉向開啟。
如果在旋轉速度達到峰值時流量下降能得到充分地減速，運行點就不能進一步進入S特性區域，即使當它是在該區域中時。換句話說，在負荷衰減後速度增加的同時，通過在適當的時機將調節裝置的目標旋轉速度修正到一個較高的值，調節裝置就試圖保持修正後的速度不變並控制導流葉片，即使在速度維持在峰值附近較高的地方時也是如此。這是因為它能消除由於S特性現象造成的影響。換句話說，如果旋轉速度易於被S特性快速地降下來，導流葉片開啟並且這會有力地減小S特性造成的影響。
當受到適當的控制時，在運行點保持在S特性區域入口附近的情況下，調節裝置起作用，逐漸降低旋轉速度並逐漸關閉導流葉片。這種對S特性的抑制作用將會使得速度下降率減速。因此，你能從速度曲線中了解反S特性控制的效果。採用實驗的方法，你可以設想，如果第一峰值與速度達到總和三分之一之間的時間段是負荷衰減後速度達到峰值所需時間段的1.5倍或更長，反S特性控制的效果就會顯示出來，其中所述的總和是負荷衰減前的速度加上第一峰值與負荷衰減前的速度之間的差值的和。
如上所述，當反S特性控制效果出現且速度緩慢下降的同時，調節裝置的上述短暫的速度增加修正會被逐漸消除。
通過即使在運行點進入S特性區域之後連續地暫時開啟葉片就能夠有效地防止運行點衝進S特性區域。
還有另一種在負荷衰減後旋轉速度依然增加的同時使得電路導流葉片從關閉動作轉向開啟動作的方法。
當調節裝置是配備有比例、積分、以及微分元件的PID調節裝置時。其可以通過暫時降低比例元件的增益、積分元件的增益、或者降低兩者來實現。
當調節裝置是一種在恢復電路中含有不完全微分元件的緩衝型調節裝置時，可以通過增加阻尼增益和時間常數來替代上述增益下降(P以及I增益)。
由於在反S特性控制中的導流葉片的跳躍會在共用一條導流管的水泵水輪機之間導致異常的相互水錘幹擾，所以應該對調節裝置值進行平緩的轉換。
在上述說明中，調節裝置的響應速度在通常負載工況下最高。在空載穩定工況下調節裝置響應速度次之。而在緊接著負荷衰減後調節裝置響應速度則最低。
存在一種僅僅利用負荷衰減剛結束後的調節裝置響應速度而不需在空載穩定工況下的調節裝置響應速度與負荷衰減剛結束後的調節裝置響應速度之間轉換的方法。然而，這就使得速度在後半段(與負荷衰減時的瞬時現象相關)降低得太慢並使得水泵水輪機和發電機一直在較高的速度下運行。負荷衰減後緩慢恢復旋轉速度的水泵水輪機在運轉上很不便利，並且會花費太多的時間用於將水泵水輪機與動力系統重新連接起來。
當導流葉片被關閉到預定開啟度或之下時，或者當旋轉速度變得低於預定值時，將負荷衰減剛剛結束後的設置轉換成空載穩定工況設置的方法被起用。
降低上遊導流管水壓的最合理的方法之一包括以下步驟控制導流葉片平緩地從快速關閉動作轉向開啟動作並且使得在負荷衰減後導流葉片的快速關閉動作期間已經上升了的上遊導流管水壓保持在相同值的周圍，一直到速度達到作為由旋轉速度的上升導致的水壓上升效應以及葉片開啟動作導致的水壓下降的抵銷值的峰值為止。
在上面，增加調節裝置的目標旋轉速度的方法和降低運算器的比例增益和積分增益的方法被描述為在速度緊接著負荷衰減後增加的同時在適當的時機開啟正在關閉的導流葉片的方法。當然，這些方法是能夠結合起來。
實質上，前述的反S特性控制應該被設計成僅僅在伴隨有速度增加的負荷衰減時或在緊急停止的情況下起作用。因此，作為一種可能的方法，反S特性控制應該在旋轉速度超過正常工況不會達到的預定值時被啟用。
該方法能夠將流量非常平緩地收斂為一個空載流量(或零流量)而不會產生任何湍流，即使在水泵水輪機具有象由於負荷衰減後(或在給出一個緊急停止指令信號之後)的S特性現象導致的過度衝擊以及回流這樣的S特性也能如此。從位於N1-Q1平面上的運行點在負荷衰減後的軌跡可以得出，該方法能夠使得運行點沿著NR線(不受限制的速度線)移動一直到流量穩定在空載流量水平上，而不會使得運行點進入S特性區域。結果，由於S特性導致的第二次水錘消失。因此，第一次水錘能夠得以自由降低，從而水錘能得以最小化。換句話說，至於上遊導流管水壓，將導流管水壓控制到最小水平的合理的方法是控制調節裝置從而使得導流葉片在一個幾乎同一水壓下可以被平緩地從快速關閉動作轉變為開啟動作，直到由於導流葉片的快速關閉動作在速度峰值處停止而水壓上升為止。
由於該方法能夠將水錘效應減弱到最小水平，所以該方法在降低上遊導流管中的設計水壓以及水泵水輪機的抽水高度方面具有極好的效果。特別是，抽水高度的降低能使得水泵水輪機安裝在較淺的位置上，這就會導致所需挖掘的土石方的數量以及最終的建設成本的降低(如果是地下動力站的話)。
而且，反S特性的避免以及第二次水錘的消除導致了連續負荷衰減時在上遊以及下遊導流管中的異常相互水錘幹擾的消除。因此，僅僅可以研究在完全負荷衰減時的水錘效應。
而且，這種方法能夠使得負荷衰減後(或者在給出一個緊急停止指令信號時)的流量波動最小化，減弱過度的振動，並且也使得作用在水泵水輪機上的瞬時的水的推力最小化。該方法也能改進水泵水輪機的瞬時運行狀態，這使得系統更安靜且更穩定。
本發明的方法的特徵在於能帶來上述效果的反S特性控制能夠通過改變調節裝置內運算器的邏輯來實現。換句話說，系統的改進成本極其小。
而且，反S特性控制能夠在不幹擾調節裝置固有控制性能的條件下進行安裝，以確保系統的安全性和可靠性。
儘管導流葉片在負荷衰減後(或者在給出一個緊急停止指令信號時)暫時開啟並且速度上升寬度會增加，但是由於S特性的優點，速度的上升寬度能夠受到抑制下降到一個較小的百分比。換句話說，這種優點就是，旋轉速度將不會在導流葉片的S特性曲線的峰值處越過一個N1值，也就是，旋轉速度將不會越過一個相當於在第一和第二區域的連接點處的N1值的值。
權利要求
1．一種控制水泵水輪機的方法，包括以下步驟控制流經與發電機相連的葉輪的水量，改變所述葉輪的旋轉方向使得所述葉輪能在抽水模式或產生動力模式下運轉，並且這樣控制水量，即，在產生動力模式下，當所述發電機的負載衰減時，在負荷衰減時的第一次速度上升轉變為速度下降後，葉輪的旋轉速度會在一個至少比額定旋轉速度或初始速度高第一峰值與額定旋轉速度或初始速度之間的差值的三分之一的速度處轉向上升，
2．如權利要求1所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括通過流量控制器控制所述水量；在負荷衰減時的第一速度增加轉向速度下降之後，在速度下降的前半段，暫時開啟流量控制器。
3．如權利要求1所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括使得所述流量控制器在負荷衰減後處於旋轉速度調節裝置的控制之下，這種控制至少具有兩種可供選擇的設置設定，一種是用於較高的穩定性，其將被用於負荷衰減後的過渡時期的早期階段；而另一種用於較高的響應速度，其將被用於負荷衰減後的過渡時期的後期階段。
4．如權利要求3所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括在所述流量控制器在負荷衰減後關閉到預定開啟度之下時自動地轉換所述旋轉速度調節裝置的設置。
5．如權利要求3所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括當旋轉速度在負荷衰減後變得低於預定值時，自動地轉換所述旋轉速度調節裝置的設置。
6．如權利要求3所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括自動地轉換所述旋轉速度調節裝置的設置，使得正常負載工況響應速度、空載穩定工況響應速度、以及負荷衰減後的過渡時期的早期階段的響應速度按上述順序越來越慢。
7．如權利要求3所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括進行所述設置的所述改變時不會有衝擊。
8．如權利要求3所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於所述旋轉速度調節裝置包括比例、積分、微分元件，且所述的積分元件可以轉換，而所述比例元件以及微分元件保持不變。
9．如權利要求1所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括通過流量控制器控制所述水量；根據所述流量控制器的開啟度限制所述流量控制器的關閉速度；將流量控制器的關閉速度限制到一相對更高的第二預定值或之下，同時流量控制器的開啟度要高於第一預定值；當流量控制器的開啟度位於第一預定值之下時，將該所述流量控制器的關閉速度限制到一相對較低的第三預定值或之下；防止所述的正在關閉的流量控制器開啟，直到所述流量控制器在緊接著負荷衰減後被關閉到所述第一預定開啟度。
10．如權利要求1所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括當旋轉速度在負荷衰減後越過第一峰值轉向下降後，啟動暫時開啟動作；並使得所述開啟動作持續進行，直到旋轉速度達到旋轉速度曲線從凸曲線轉變為凹曲線的拐點處為止。
11．如權利要求1所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括使得所述流量控制器在負荷衰減後受到速度調節裝置的控制，該控制受到調節，以使得所述流量控制器比負荷衰減停止後速度開始上升的時間點稍早一點的時候開始開啟。
12．如權利要求11所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括控制所述水量，使得所述開啟動作持續進行，直到旋轉速度達到旋轉速度曲線從凸曲線轉變為凹曲線的一點(拐點)處為止。
13．如權利要求3所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括當所述旋轉速度超過一高於額定旋轉速度的預定值時，自動地將與負載工況相應的響應優先設定轉換為與改進後穩定性相應的反S特性控制。
14．一種控制水泵水輪機的方法，包括以下步驟控制流量控制器以調節流經葉輪的水量，該葉輪將力矩傳遞給發電機；改變所述葉輪的旋轉方向以抽水或產生動力；在緊挨著第一旋轉速度峰值之前或在第一速度下降曲線前半段內，暫時開啟所述流量控制器；使所述流量控制器受到負荷衰減後的旋轉速度調節裝置的控制，該控制根據運轉階段調節其設置，從而當所述發電機的額定功率或其相當功率受到衰減時，第一旋轉速度峰值和旋轉速度返回到正常狀態下的時刻之間的時間段比速度開始上升時的時刻與第一旋轉速度峰值之間的時間段的兩倍還長。
15．一種控制水泵水輪機的方法，包括以下步驟控制流經與發電機相連的葉輪的水量；改變所述葉輪的旋轉方向以使得水泵水輪機在抽水模式或產生動力模式下運行；緊接著速度在負荷衰減時的上升之後關閉所述流量控制器，該負荷衰減是在產生動力模式下或在緊急停止的情況下切斷動力輸出而造成的；使得所述流量控制器在速度上升的前半段轉向開啟；繼續所述的開啟動作直到速度幾乎達到一峰值為止；在該峰值處使得開啟動作停止；並關閉流量控制器。
16．如權利要求15所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於在負荷衰減時的第一次速度上升越過第一峰值轉向速度下降後，正在關閉的流量控制器在第一次速度下降的前半段被暫時開啟。
17．一種控制水泵水輪機的方法，包括以下步驟控制流經與發電機相連的葉輪的水量；改變所述葉輪的方向以使得水泵水輪機在抽水模式或產生動力模式下運行；緊接著速度在負荷衰減時的上升之後關閉所述流量控制器，該負荷衰減是在產生動力模式下或在緊急停止的情況下切斷動力輸出而造成的；使得所述流量控制器的關閉速度在速度上升的前半段逐漸下降；以使得所述流量控制器轉向開啟；繼續所述的開啟動作直到速度達到一峰值為止；使得所述開啟動作逐漸減速；從而重新開始流量控制器的關閉動作。
18．一種控制水泵水輪機的方法，包括以下步驟控制流經與發電機相連的葉輪的水量；改變所述葉輪的方向以使得水泵水輪機在抽水模式或產生動力模式下運行；緊接著速度在負荷衰減時的上升之後關閉所述流量控制器，該負荷衰減是在產生動力模式下或在緊急停止的情況下切斷動力輸出而造成的；其中，在完全負荷衰減時的第一速度增加越過第一峰值而轉變為第一速度下降後，正關閉著的所述流量控制器在第一速度下降的前半段暫時開啟。
19．一種控制水泵水輪機的方法，包括以下步驟控制流經與發電機相連的葉輪的水量；改變所述葉輪的方向以使得水泵水輪機在抽水模式或產生動力模式下運行；緊接著速度在負荷衰減時的上升之後關閉所述流量控制器，該負荷衰減是在產生動力模式下或在緊急停止的情況下切斷動力輸出而造成的；在速度上升的前半段使得所述流量控制器轉向開啟；繼續所述的開啟動作直到速度達到一峰值為止；在該峰值處使得開啟動作停止；並關閉流量控制器；其中，在一次完全負荷衰減或幾乎完全負荷衰減時，所述第一峰值出現時刻與旋轉速度返回到負荷衰減之前的初始速度和所述第一峰值之間的差值的三分之二的時刻之間的時間間隔是負荷衰減的時刻與第一速度峰值之間的時間間隔的1.5倍以上。
20．一種控制水泵水輪機的方法，包括以下步驟控制流經與發電機相連的葉輪的水量；改變所述葉輪的方向以使得水泵水輪機在抽水模式或產生動力模式下運行；緊接著速度在負荷衰減時的上升之後關閉所述流量控制器，該負荷衰減是在產生動力模式下或在緊急停止的情況下切斷動力輸出而造成的；使得所述流量控制器的關閉速度逐漸減速以使得所述流量控制器在速度上升的前半段轉向開啟；繼續所述的開啟動作直到速度達到一峰值為止；使得開啟動作逐漸減速；並關閉流量控制器；其中，在一次完全負荷衰減或幾乎完全負荷衰減時，所述第一峰值出現時刻與旋轉速度返回到負荷衰減之前的初始速度和所述第一峰值之間的差值的三分之二的時刻之間的時間間隔是負荷衰減的時刻與第一速度峰值之間的時間間隔的1.5倍以上。
21．一種控制水泵水輪機的方法，包括以下步驟控制流經與發電機相連的葉輪的水量；改變所述葉輪的方向以使得水泵水輪機在抽水模式或產生動力模式下運行；緊接著速度在負荷衰減時的上升之後關閉所述流量控制器，該負荷衰減是在產生動力模式下或在緊急停止的情況下切斷動力輸出而造成的；在速度上升的前半段使得所述流量控制器轉向開啟；其中，在一次完全負荷衰減或幾乎完全負荷衰減時，所述第一峰值出現時刻與旋轉速度返回到負荷衰減之前的初始速度和所述第一峰值之間差值的三分之二的時刻之間的時間間隔是負荷衰減的時刻與第一速度峰值之間的時間間隔的1.5倍以上。
22．如權利要求15所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括使得所述正在關閉的流量控制器轉向開啟；在緊接著速度達到一峰值之後使得開啟動作持續進行；使得所述開啟動作停止；並重新開始流量控制器的關閉動作。
23．如權利要求15所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括使得所述流量控制器在負荷衰減後受到速度調節裝置的控制；在負荷衰減後速度依然上升的同時，暫時調節或轉換所述調節裝置的設置使得所述的正在關閉的流量控制器轉向開啟。
24．如權利要求16所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括使得所述流量控制器在負荷衰減後受到速度調節裝置的控制；在負荷衰減後速度依然上升的同時，暫時調節或轉換所述調節裝置的設置使得所述的正在關閉流量控制器轉向開啟。
25．如權利要求23所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括當負荷衰減時或給出一個緊急停止指令信號時，立即暫時增大所述調節裝置的指令值。
26．如權利要求23所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括緊接著負荷衰減後的瞬時狀態下的目標速度受到控制，並基本上高於穩定狀態下的目標值。
27．如權利要求26所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括當速度在負荷衰減後立即上升時，進行修正使得目標速度上升；在速度下降開始後逐漸解除所述目標速度修正；並在穩定狀態下完全解除所述修正控制。
28．如權利要求15所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括控制所述正在關閉的流量控制器平緩地開啟，因而在所述流量控制器在緊接著負荷衰減後正在關閉的同時上升了的上遊導流管水壓可以保持在幾乎同一值上，直到修正速度達到一峰值為止。
29．如權利要求20所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括控制所述正在關閉的流量控制器平緩地開啟，因而在所述流量控制器在緊接著負荷衰減後正在關閉的同時上升了的上遊導流管水壓可以保持在幾乎同一值上，直到修正速度達到一峰值為止。
30．如權利要求23所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於所述調節裝置包括比例、積分、以及微分元件，並且所述比例和積分元件中至少一個的增益在速度當負荷衰減後上升的同時被暫時降低以將所述正在關閉的流量控制器轉向開啟。
31．如權利要求23所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於自動地轉換所述調節裝置設置，從而所述調節裝置在正常負載工況下的響應速度、所述調節裝置在空載穩定工況下的響應速度、以及所述調節裝置在緊接於負荷衰減後的第一速度上升情況下的響應速度以上述順序越來越小。
32．如權利要求23所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於當所述速度超過一高於額定速度的預定值時，所述調節裝置的設置自動地從對應於負載工況的響應優先設置轉換為穩定性優先設置。
33．如權利要求23所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於當所述流量控制器在負荷衰減後被關閉到一預定開啟度時，所述調節裝置設置自動地從一個暫時開啟所述流量控制器的設置轉換為一個對應於空載穩定工況的設置。
34．如權利要求23所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於當速度在負荷衰減後變得低於一預定值時，所述調節裝置設置自動地從一個引出所述暫時開啟動作的設置轉換為一個對應於空載穩定工況的設置。
35．如權利要求31所述的控制水泵水輪機的方法，該方法還包括在負荷衰減或給出一個緊急停止指令信號之後，立即暫時增加葉輪的目標速度。
36．一種控制水泵水輪機的方法，包括以下步驟通過流量控制器控制流經與發電機相連的葉輪的水量；改變所述葉輪的方向以抽水或產生動力；當由發電機產生的動力在產生動力模式下被切斷時，暫時開啟流量控制器。
37．一種控制水泵水輪機的方法，包括以下步驟通過流量控制器控制流經與發電機相連的葉輪的水量；改變所述葉輪的方向以抽水或產生動力；當由發電機產生的動力在產生動力模式下被切斷時，至少在葉輪速度達到速度下降率開始加速越過第一峰值處的一點之前，暫時開啟流量控制器。
38．如權利要求36所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於執行所述流量控制器的暫時開啟動作以便在負荷衰減後不會導致瞬時回流。
39．如權利要求37所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於執行所述流量控制器的暫時開啟動作以便在負荷衰減後不會導致瞬時回流。
40．如權利要求36所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於所述流量控制器的所述暫時開啟動作受到控制，從而葉輪速度下降的速率會小於負荷衰減後葉輪速度上升的速率。
41．如權利要求37所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於控制所述流量控制器的暫時開啟動作以便在負荷衰減後不會導致瞬時回流。
42．如權利要求36所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於控制所述流量控制器的暫時開啟動作以便當葉輪速度在負荷衰減時轉向下降之後立即消除水泵水輪機的上遊一側內第二次水錘峰值。
43．如權利要求37所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於控制所述流量控制器的暫時開啟動作以便在葉輪速度在負荷衰減時轉向下降之後立即消除水泵水輪機的上遊一側內第二次水錘峰值。
44．如權利要求36所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於通過在負荷衰減後的瞬時狀態下轉換、改變、或修改所述水泵水輪機的旋轉速度調節裝置的傳遞函數，所述流量控制器得以暫時開啟。
45．如權利要求37所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於通過在負荷衰減後的瞬時狀態下轉換、改變、或修改所述水泵水輪機的旋轉速度調節裝置的傳遞函數，所述流量控制器得以暫時開啟。
46．如權利要求36所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於所述流量控制器的開啟度上限通過一個獨立限制器基本上得到限制，該限制器在負荷衰減後的一預定結構下被關閉。
47．如權利要求37所述的控制水泵水輪機的方法，其特徵在於所述流量控制器的開啟度上限通過一個獨立限制器基本上得到限制，該限制器在加負荷後的一預定結構下被關閉。
全文摘要
本發明的目的是為了提供一種能夠通過充分地減小S特性造成的影響而改進調節裝置的穩定性的水泵水輪機。在含有與發電機相連的葉輪、用來控制流經葉輪的水量的流量控制裝置、以及用於控制所述流量控制裝置而將葉輪速度保持在一預定速度上的調節裝置的水泵水輪機中,所述調節裝置的運算器受到控制而在速度下降的前半段或在負荷衰減時的第一次速度上升轉向負荷衰減時的速度下降之後較早的時候暫時開啟所述的正在關閉的流量控制裝置。
文檔編號F16D33/08GK1312432SQ0013714
公開日2001年9月12日 申請日期2000年11月9日 優先權日1999年11月9日
發明者桑原尚夫, 片山慶, 中川博人, 萩原春樹 申請人:株式會社日立製作所, 關西電力株式會社