泵水輪機的製作方法

2023-09-23 04:47:05

專利名稱：泵水輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種泵水輪機，通過改變轉子的旋轉方向使泵或者水輪機進行操作。
按照這種方式設計的泵水輪機可以象泵或者水輪機那樣進行操作，並且能夠在泵送操作中令人滿意地表現出用於泵送作用的離心力，從而得到一個預定的高泵送水頭。但是，為泵送操作進行的設計對水輪機操作有負面影響，也就是說，輸出特性叫做S-特性。在適用於高泵送水頭的泵水輪機內的S-特性是很突出的。
泵水輪機的輸量特性通常由一組用導葉開口量作參數、表示單位速度 和單位排量 之間關係的特性曲線表示。水輪機操作的區域包括值N1增大時值Q1減小的部分(第一部分)，和值N1減小時值Q1減小的另一部分(第二部分)。而且，第一部分分成當值N1增大時值Q1相對緩慢較小的一個分段(在第一部分中緩慢變化分段)，和值N1增大時值Q1相對迅速減小的另一分段(在第一部分中迅速變化分段)。在第一部分和第二部分內的迅速變化分段構成S-特性分段。
在泵水輪機的發電模式中，在第一部分的緩慢變化分段完成正常的操作。但是，因為在開始時導葉開口量大約是一個無負載開口量，其比帶有負載正常操作的開口量小，同時值N1表現的S-特性也變小，操作點不僅相對接近S-特性分段，而且有時會硬擠入S-特性分段的第一部分的迅速變化分段。特別是，當要求帶有動力線的泵送-發電站的同步和平行操作在最低水頭處單位速度N1變為最高時，這種情況變得最嚴重。不用說，因為操作開始的開始速度低，單位速度也低，因此，單位速度大大地遠離S-特性分段，因而實現穩定的加速。當速度接近額定速度時，速度開始受到S-特性的影響。當單位速度N1落到S-特性分段的第一部分內時，梯度Q1/N1變得猛然陡峭起來，因此，相對速度振動的排量振動變大，也就是說，水錘變大，因而，破壞了由控制器控制的速度穩定性。而且，因為在開始時水輪機排量從零增大到無負載排量，其情況受到瞬時水錘合力逐漸嚴重的影響。結果，圍繞最低水頭的速度振動根本得不到抑制，因此，電站在某些時候不能同步或者裝上動力線。電站不能同時或者裝上動力線的情況表示出電站在那一水頭下不能工作，因此造成巨大的損失。在使用泵水輪機的情況下，當水頭變大時，轉子必須變成平錘形並具有加大的直徑，以表現出理想的泵送特性。因此，單位速度N1表現的S-特性在同樣的導葉開口量下變得較低，因而使上述問題更嚴重。
發明概述本發明意在解決現有技術中存在的上述問題。因此，本發明的目的是提供一種泵水輪機，其可以增強水輪機開始時的速度穩定性並且可以擴大同步水頭的範圍。
為了實現上述目的，本發明採用直接轉換轉子的方向，從而使泵水輪機既能夠在泵送模式下也能在發電模式下操作；傳感轉子的速度；利用控制排量的方式，根據傳感到的速度，使速度接近一個目標速度；在動力發電開始時，暫時將目標速度設定為一個與額定速度不同的速度；並且在速度到達目標速度之後而不是速度到達目標速度之前，通過將排量調整到一個較低值，對速度控制的響應速度進行控制。
再者，為了達到上述目的本發明的泵水輪機包含一控制器，該控制器以這樣的方式控制排量調整裝置將轉子的速度穩定地設定為一個命令值，同時傳感在發電模式下轉子的速度，其中，控制器的轉化功能按照這樣的方向轉換控制器在速度增大到接近額定速度的暫時目標值之後改善的程度比速度增大到暫時目標速度之前(此時泵水輪機至少在比發電模式的預定水頭小的水頭處開始)的改善程度大。
因此，本發明的泵水輪機包含一控制器，該控制器以這樣的方式控制排量調整裝置將轉子的速度穩定地設定為一個命令值，同時傳感在發電模式下的轉子的速度，當泵水輪機至少在水頭小於發電模式預定水頭的情況下開始時，速度命令值暫時設定為一個比額定速度低的第一命令值，因此暫時穩定速度並等待解決例如水錘的暫時現象，速度命令值逐漸增大，因而，使速度達到與動力線頻率等同的同步速度。
下一步，命令值暫時設定為第一命令值，因此，暫時穩定速度並等待解決例如水錘的瞬時現象，速度命令值慢慢地增大到與額定速度對應的值，該額定速度能夠防止任何有害水錘發生，這樣，速度就被慢慢地引導到與動力線頻率等同的同步速度。
再者，控制器內計算單元的轉化作用是在速度增大到大約額定速度之後、泵水輪機至少在比發電模式內的預定水頭小的情況下轉換，控制器的穩定性在速度增大到大約額定速度之後比速度增大到大約額定速度之前得到更好的改善。
下一步，在控制器內的計算單元具有三個元件，即一比例元件、一整體元件和一導數單元的情況下，在速度增大到大約額定速度之前或者之後，至少對整體元件的設定值進行轉換。
再次，根據速度猛然上升的增大量、在梯度|δQ/δN|或者|δQ1/δN1|或者等同狀態之前，將第一命令值立即設定為某一速度。
下一步，本發明的泵水輪機包含一控制器，該控制器以這樣的方式控制排量調整裝置將轉子的速度穩定地設定為一個命令值，同時傳感在發電模式下的轉子的速度，暫時將命令值設定為比額定速度低的第一命令值，因而暫時穩定速度並等待解決例如水錘的瞬時現象，之後，命令值逐漸增大，這樣速度就和動力線頻率等同的速度同步，同時控制器的轉化功能按照這樣的方向轉換控制器的穩定性在速度增大到大約額定速度、泵水輪機至少在水頭小於發動模式下的預定水頭時開始驅動的情況下得到更大的改善。
再次，本發明的泵水輪機包含一控制器，該控制器以這樣的方式控制排量調整裝置將轉子的速度穩定地設定為一個命令值，同時傳感在發電模式下的轉子的速度，控制器的轉化功能按照這樣的方向轉換當速度大約到達或者高於同步速度、泵水輪機至少在小於發動模式下的第二預定水頭的水頭處開始操作時進行轉換，而且，命令值暫時設定為高於額定速度的第四命令值，隨後暫時穩定速度並等待解決例如水錘的瞬時現象，之後，命令值逐漸減小，這樣將速度逐漸引導到與動力線頻率等同的同步速度(此時泵水輪機至少在小於第三預定水頭的水頭處開始)。
下一步，將命令值暫時設定為第四命令值，速度暫時穩定並等待解決例如水錘的瞬時現象，之後，速度命令值逐漸減小到不會再出現有害水錘的速度值，這樣，速度就會被慢慢地引導到與動力線頻率等同的同步速度。
本發明能夠提高水輪機開始工作時的速度穩定性。特別是，當水輪機在低水頭條件下啟動時，能夠更可靠地穩定速度控制，從而進一步增大泵水輪機朝著低水頭的操作範圍。按照這種方式，能夠迅速地實現泵水輪機內的泵性能和水輪機性能，從而提高泵水輪機的性能。


圖1表示本發明中泵水輪機內整個速度控制系統的方框圖；圖2表示本發明人提出的泵水輪機的線性模型；圖3表示本發明中泵水輪機啟動時變速器操作示例1的示意圖；圖4表示本發明中泵水輪機啟動時變速器操作示例2的示意圖；圖5表示通過泵水輪機示例操作變速器的方法的示意圖；圖6表示本發明中用於啟動泵水輪機的方法中操作點軌跡的示例1的曲線圖；圖7表示本發明中用於啟動泵水輪機的方法中操作點軌跡的示例2的曲線圖；圖8表示利用泵水輪機示例的啟動方法中的操作點軌跡的曲線圖；圖9表示利用一個示例啟動泵水輪機的運行狀態的示意圖(在一個低水頭的情況下)；圖10表示通過圖9所示的技術泵水輪機啟動時、在模型水輪機逆轉平面上的操作點軌跡的示意圖；
圖11表示通過圖9所示的技術泵水輪機啟動時每個模型水輪機逆轉變化的響應性曲線圖；圖12A和12B表示變速器功能和由控制器得到的速度衰減的曲線圖；圖13表示本發明中泵水輪機啟動時變速器的操作示例3的示意圖；圖14A和14B表示泵水輪機特性的曲線圖；圖15表示本發明中泵水輪機啟動時的運行狀態的示意圖(在低水頭情況下)；圖16表示圖15所示的泵水輪機啟動時、在模型水輪機逆轉平面上的操作點的軌跡的示意圖；圖17表示圖15所示的泵水輪機啟動時每個模型水輪機逆轉變化的響應性的曲線圖。
具體實施例方式
首先，下面將在本發明的概念下進行說明。在解釋完概念後，將詳細說明本發明的優選實施例．通常在泵水輪機，特別是在具有高泵送水頭的泵水輪機中，將轉子設計為能夠呈現出令人滿意的用於泵送操作的離心力動作，從而在泵送操作中獲得高泵送水頭。
但是，這種設計在泵水輪機進行水輪機操作當中有反面影響。在此，首先說明S-特性。被稱作S-特性的特性會或多或少地出現。完全避免S-特性出現是很困難的。泵水輪機的排量特性通常用導葉開口量作為參數、由一組表示一單位速度 和一單位排量(Q1 之間關係的特性曲線來表示。相反，泵水輪機的扭矩特性用導葉開口量作參數、由一組表示單位速度 和單位扭矩(T1＝T/H)之間關係的特性曲線表示。在此，這類特性曲線通常稱作泵水輪機的性能曲線。
在上述排量特性曲線中，水輪機操作區域包括第一部分和第二部分，其中，在第一部分中當值N1增大時，值Q1減小；在第二部分中當值N1減小時，值Q1減小。而且，第一部分包含一個分段(該分段可以看作是在第一部分的緩慢變化分段)，在該分段中當值N1增大時，值Q1相對緩慢地減小；以及另一分段(該分段可以看作是在第一部分的迅速變化分段)，在該分段中當值N1增大時，值Q1相對迅速地減小。在本說明書中，第二部分和第一部分的迅速變化分段看作是便於解釋的S-特性分段。當水輪機在S-特性分段操作當中，單位扭矩(T1)與單位排量Q1的方式一樣，也包含第一部分和第二部分，其中，在第一部分中，當單位速度(N1)增大時，扭矩減小；在第二部分中，當單位速度(N1)減小時，扭矩減小。
泵水輪機發電模式的正常操作狀態是在第一部分的緩慢變化部分內完成的。但是，當水輪機即使在同樣的有效水頭，也就是即使在同樣的單位速度N1下，其在正常操作當中的輸出變得較小時，S-特性分段接近單位速度N1的範圍。因此，機械的單位速度N1在最接近S-特性的最低有效水頭的無負載處操作，這樣，操作點會硬擠入S-特性分段，總是落在第一部分的迅速變化部分。特別是，泵水輪機在發電模式下啟動的情況下，必須將排量至少從零增大到等於無負載狀態的排量。因為排量變化伴隨著一些水錘現象，因此，操作點在瞬時狀態更可能深深地擠入S-特性分段內。
圖14A和14B表示在水輪機操作區域內具有S-特性的泵水輪機特性。在圖14A中，泵水輪機特性是通過用導葉開口量作參數、表示單位速度(N1)和單位排量(Q1)之間關係來說明的。相反，在圖14B中，泵水輪機的特性是通過用同樣的參數、表示單位速度(N1)和單位扭矩(T1)之間關係來說明的。
在上面的說明中，符號N、Q、H和T分別代表泵水輪機的速度、排量、有效水頭和扭矩。
特性曲線1和1』是在一預定的相對大的導葉開口量下得到的；特性曲線2和2』是在導葉開口量比上述導葉開口量小的位置得到；特性曲線3和3』是在導葉開口量比上述導葉開口量更小的位置得到的。
在特性曲線1的第二分段，即由曲線a-d-h表示的分段處，當值N1減小時，值Q1減小。同樣，在由曲線b-e-i表示的分段，即特性曲線2的第二分段處，當值N1減小時，值Q1減小。再者，在由曲線c-f-j表示的分段，即特性曲線3的第二分段處，當值N1以同樣的方式減小時，值Q1減小。粗略地觀察可以看出，特性曲線1的第二分段a-d-h比特性曲線2的第二分段b-e-i長，而且比特性曲線3的第二分段c-f-j更長。這表示當導葉開口量變小時，S-特性分段變短。
與圖14A一樣，在圖14B中，曲線a』-d』-h』、b』-e』-i』和c』-f』-j』分別表示特性曲線1』、2』、3』的第二分段。
圖14B與圖14A有密切關係。例如，在圖14A內曲線3上的滿足Q1＝Q1x和N1＝N1x的點x與圖14B中曲線3』上的點x』對應。點x』滿足T1＝T1x』和N1＝N1x』(＝N1x)。同樣，圖14A內的a、b、c、d、e、f、h、i和j分別對應於圖14B內的a』、b』、c』、d』、e』、f』、h′、i』和j』。曲線NR是一條無負載操作曲線，其中，單位排量Q1對應於無負載操作所需的排量，曲線NR背對著對應於給定速度的單位速度N1繪製。曲線1、2和3與曲線NR的相交點α、β和γ分別對應於曲線1′、2′和3′和T1＝0的直線的相交點α′、β′和γ′對應。
假設在發電模式啟動時，需要將速度從0增大到發電機負載(水輪機輸出值)保持為0時的額定速度N0。這表示工作點從在停止階段原點(N1＝0，T1＝0)向左轉換到上述N1-T1特性的水平線T1＝0與垂直線 的相交點。例如，在水平線T1＝0與垂直線 的相交點由H確定的情況下，當單位速度N增大到N0時，相交點落在點α′和β′之間，導葉開口量需要在曲線1和2之間打開。同時，在觀察上述水輪機從N1-Q1特性的觀察點啟動時，操作點從原點(N1＝0，Q1＝0)轉移到在線NR上的點α和點β之間的中問點。也就是說，需要將Q1從0增大到在點α的Q1和點β的Q1之間的一個值，並且，需要將排量Q增大到對應值。此時，在直接與水輪機連接的發電機是一個同步發電機的情況下，將發電機裝到動力線上的速度，即額定速度N0不會變化，同時單位速度N1根據水頭變得較大或者較小。
換句話說，在最低水頭的情況下，要求速度與在最大單位速度N1處的動力線的頻率同步。此時，操作點從排量特性曲線上的第一部分的中間變化分段偏離，因而，操作點處於第一部分的迅速變化分段內。此時，因為當設計水頭變高時泵水輪機轉子必須形成為平錘形，必然使S-特性呈向下轉換為N1較低值的趨勢。因此，操作點會硬擠入或者不正常地接近高水頭泵水輪機在最低水頭啟動的S-特性分段內。
結果，即使速度增大到大約額定值，脈動現象會反覆進行，因此，提出了發電機不能平穩同步的問題。發電機不能同步的狀況表示發電機不能用作發電設備，因而造成巨大的損失。
圖8表示在現有技術的發電模式啟動的泵水輪機操作點軌跡的示意圖，其中，Y2表示無負載時的速度正好增大到額定速度的導葉開口量處獲得的N1-Q1特性，即，在無負載開口量處的特性曲線；Y3表示比無負載略微小一點的導葉開口量處得到的N1-Q1特性；以及Y1表示比無負載略微大一點的導葉開口量處得到的N1-Q1特性。啟動前的操作點在N1＝0和Q1＝0的點①處。通過給控制器一個啟動命令，導葉開始打開，然後，通過打開一個負載限制裝置，限制從控制器輸出的導葉開口量命令信號的上限。然而，此時水輪機還沒有啟動，因此，泵水輪機的操作點從圖8的點①轉移到點②。當操作點到達點②時，速度開始增大。之後，速度在控制器的控制之下不斷增大。在這一階段，泵水輪機的操作點從點②轉移到點③。更詳細地講，將產生脈衝信號和對控制器內變速器進行控制的同步器打開，同時，在N1到達等於額定速度的N1P之前(即，從略低於N1P的N1)，將泵水輪機的實際速度立即與等於動力線頻率的同步速度進行比較。此後，速度通過雙重控制同步進行，即，通過將速度控制為一個給定的變速器設定值的控制器和將變速器設定值控制為同步速度的同步器進行控制。
但是，在圖8所示的點③不正常地接近或者硬擠入在低水頭啟動的S-特性分段的情況下，就不會實現同步。產生這種情況的原因是只有控制對操作點接近點③作出響應，而沒有設置準確地抑制由水錘引起的脈動的裝置。
因為梯度Q1/N1迅速上升接近點③，排量的變化相當迅速，並且即使通過調節控制器使速度慢慢地接近同步速度，水錘也會有的靈敏反應的可能性。
採用速度控制器控制泵水輪機和發電機。本發明人已經說明，假設在初始條件附近具有細小的變化，機器可以受到圖2所示的具有足夠精確度的線性模型控制。在圖2中，參數y表示作為被控制機械輸入量的導葉開口量(p.u.)；pt是水輪機的輸出量(p.u.)；以及n是被控制機械的輸出速度(p.u.)。而且，參數Tm表示旋轉部件的機械啟動時間(sec)，其等於I(2π/60)2N02/P0；Tw表示水管中水的啟動時間(sec)，其等於∑(Li.Vi)/(g.H)，其中，參數I代表慣量的第二扭矩；P0是水輪機的額定輸出量；Li是每個水管的長度；Vi是在額定輸出量時的每個水管內的流量；g是重力加速度；以及S是一個拉普拉斯操縱器。而且，希臘字母α、β、γ、ε和δ分別限定為對在圖2的附加表示。在此，希臘字母Ψ代表水輪機的效率。另外，註腳r代表額定值；以及註腳0代表受到線性模型作用的點的初始值。
本發明者還揭示了下述事實即使當操作點落在N1-Q1特性曲線上的第一部分處的緩慢變化分段，操作點接近S-特性分段，因為每個αβ和γ都是正值，通過控制器的速度控制系統的穩定性不會被明顯地損壞；相反，在N1略微變大的第一部分的迅速變化分段處，β迅速轉化為負值，因而，減少了導致通過控制器的速度控制系統的穩定性被快速損壞的趨勢。藉助特殊實施例，在圖6中β在操作點 處為正值；相反，其在操作點③處是一個負值。考慮到這種趨勢，如果N1變高，即N變高，上述泵水輪機的特性變壞的部分就可以由控制器設定值給予補償，從而，進一步提高了控制器的穩定性。
再者，考慮到圖6所示的情況，速度暫時穩定在這樣一個階段，即N1大約增大到β具有一個未變化標記處的N1Q(即圍繞著操作點 )，因此，水錘的瞬時現象基本上得到解決。之後，按比例地相當緩慢地增大速度(即N1)，直到到達操作點③都不會產生任何有害的水錘。按照這種方法，在操作點③處，速度可以相當平穩地與動力線頻率同步。
而且，通過緩慢地提升控制器內的變速器，可以實現從操作點 到操作點③的操作過程。當速度接近同步速度時，同步器在運行中的某一位置打開，然後，變速器通過同步器轉入同步控制模型。此時，在考慮到上述事實的情況下，可以按照這種方式對同步器進行調節，以便相當緩慢地進行操作。
通常，在發電模式啟動的同步操作的操作點只是在相當低的水頭處不正常地接近S-特性。因此，速度增大到大約額定值時實現的控制器穩定性的增強，是通過賦予一個預定水頭或者進入較低條件而轉換的。
另外，只有整體元件的增量被轉換，從而避免了在控制器的計算單元是PID型時轉換當中出現的任何泵送現象．儘管在比例元件的增量下的轉換時間內會出現輕微的泵現象，但是通常是在一個允許的範圍。再者，正如圖6所示的上述操作點 ，在操作點接近S-特性分段、但β標識保持正值的區域，是一個在排量減少梯度|Q/N|或|Q1/N1|或者一個根據速度迅速上升的增長量的等同總量之前的一個緊接著的區域。因此，可以按比例設定接近上述區域的第一速度命令值。
另外，在低水頭啟動的較有效的方法，可以通過將上述增大接近額定速度的控制器穩定性的想法與在增大過程中將速度暫時設定為第一命令值、然後緩慢增大的想法相結合而獲得。
而且，如圖7所示，操作點從點②移動到點 ，在此，速度高於額定速度，同時增大速度，然後，速度暫時保持在這一位置。在這種情況下，通過採用上述增大接近額定速度控制器的穩定性的想法，控制器暫時保持穩定。另外，操作點從 向③變形地移動，同時速度足夠慢地減小，然後，操作點可平穩地同步。也是在這樣的情況下，不只是控制器在同步操作之前迅速地響應排量。換句話說，因為排量變化速度是可以調節的，在柔性移動到操作點③方面，這一想法是非常出色的。
再者，因為水錘在操作點 暫時受到抑制，由控制器控制的速度變化的減小量用這樣的方法得到充分抑制，從而可以防止在操作點從 移動到③的階段內，出現任何有害的水錘，因而獲得平穩的同步操作。在這種情況下，用於控制控制器內變速器的同步器設計成不是在從點②到 的速度增大過程啟動，而是在從點 到③的速度減小過程中啟動，以使泵水輪機的速度與動力線的頻率同步。不用說，也是在此的情況下，根據需要提出限制，通過控制器內變速器產生的減小的速度不會變得過大。
在說明本發明優選實施例之前，一個模擬分析示例性地說明圖8所示發電模式中泵水輪機的啟動狀況。
圖9表示由模擬分析得到的一個曲線圖，是一個N、Y、Q和Pt與時問對應的曲線圖。此時，在啟動之前，控制器內的變速器設定為與額定速度257rmp等同的1.0(p.u.)，如圖5中實線或者點劃線所示。再者，在啟動操作之前，導葉極限也設定為一個比無負載開口量(大約0.28)略高一點預定值(0.4)。而且，假設泵水輪機在導葉開口量到達0.29(p.u.)時開始旋轉．順便說一下，控制器的增益Kp、Ki和Kd分別設定為1.07、0.0743和0.924。在此，Tw是2.88(sec)，Tm是10.3(sec)。結果，儘管N表現出平滑地會聚在額定速度上，排量大量向上，之後，該排量有相當大的脈動。因此，值得考慮的是脈動會與明顯的水錘一起令人害怕的同時發生。換句話說，這是因為在該模擬分析中，儘管有水錘引起的脈動，也假設泵水輪機的特性曲線不會產生脈動，即，所提供的條件比實際的溫和。圖10是該模擬分析得到的另一個曲線圖，並且表示出在轉化為一模型水輪機的平面N1-Q1上的操作點的軌跡。從該曲線可以明顯地看出，當N接近額定速度時，速度控制器系統的穩定性受到很大程度的破壞也就是說，即使N1很難變化，Q1也會產生很大的脈動。圖11是對圖10提供額外信息的曲線圖，表示處每個N1、Q1和T1轉化為模型水輪機的響應性。
下面，說明對泵水輪機的構成。圖1是表示本發明優選實施例內泵水輪機的方框圖。附圖標記1表示傳感水輪機速度N的速度傳感器；Xn表示來自速度傳感器的速度傳感信號輸出值；2表示設定速度參考值的變速器；以及X0是由變速器2設定的設定值。附圖標記3代表一個加法器，該加法器用於將變速器2設定的設定值X0和速度傳感信號Xn之間的差值，即速度偏離信號X0-Xn與從速度下降給定器輸出的存儲信號Xσ進行對比。將合成控制偏離信號Xε輸入PID計算迴路，該計算迴路構成速度控制器內的一個主要計算單元。
一比例元件(p元件)4a設定為一個相對高的增益，以獲得控制器相對快的響應，該增益用在發電模式啟動的前半階段，即在中止之後、直到速度增大到第一命令值為止；同時，另一個比例元件(p元件)4b設定為相對低的增益以提高穩定性，當速度超過第一命令值時使用該增益。一對觸點19a和19b用於轉換增益，並且它們中的每一個都是某種速度延遲觸點。自然，前面的比例元件的增益kpa比後面的比例元件的增益kpb大。同樣，另一對觸點19a和19b在中止之後、直到速度增大到第一命令值時打開一個整體元件(I元件)5a，在速度超過第一命令值的條件下使用另一個整體元件(I元件)5b。此時，前面整體元件的增益kia比後面整體元件的增益kib大。順便說以下，觸點19a和19b同時擺動，打開較低觸點，同時關閉較高觸點。設置兩對觸點的原因是比例元件和整體元件同時轉換。
一輸出信號zd是從導數元件6(D元件)輸出的。而且，比例元件的輸出信號Zp和整體元件的輸出信號Zi分別從觸點19b輸出。
這三個輸出信號由加法器7相加，合成輸出值Z表示由速度控制器內的主要計算單元確定的導葉開口量命令。附圖標記23表示一低值導葉(此後簡稱為LVG)，即一低值選擇迴路，它將兩個輸入值Z和GL進行比較，以便輸出一個作為最後的導葉開口量命令Zz的較低信號。附圖標記22代表一導葉極限或者一負載極限。附圖標記GL代表由導葉極限或者負載極限設定的導葉開口量的上極限值。也就是說，上面所給出的名稱是因為從LVG22來的輸出值限制為GL，但是從控制器的主要計算單元輸出的大的導葉開口量命令Zz。
同時，實際的導葉開口量由信號Y表示的。另一個加法器8、一限制器9和一導葉伺服馬達10構成一種液壓放大器。因此，加法器8、限制器9和導葉伺服馬達10提供了一個伴隨響應速度限制器的第一順序滯後功能，這是一個用於放大最後的導葉開口量命令Zz的放大器，以將該命令轉化為導葉開口量Y，該導葉開口量帶有一個衝程和足以直接啟動作為排量調節裝置的導葉的操作力。Yε1代表最後導葉開口量命令Zz和限制器9的實際導葉開口量Y.θR之間的偏差，該偏差用於將導葉的開口速度限制為θR.Cy；θL將關閉速度限制為θL.Cy。Yε2代表一個考慮上述打開/關閉速度極限值的限制偏差信號Yε1而得到的信號。儘管上面已經藉助於方塊圖中的圖象說明了信號Yε1和Yε2以及限制器9，可以假設在特殊產品圖象中，Yε1是在給出位移極限值之前，分配閥活塞的位移；Yε2是在給出位移極限值之後，分配閥活塞的位移。
此時，動力變化器13給定一個導葉開口量設定信號Ya輸入加法器11，其中，Ya是一個在發電模式啟動時等於負載開口量的信號。在實際導葉開口量Y小於Ya時，開口信號σ(Ya-Y)不斷地送入控制器內的PID計算單元，直到二者之間的差值變為零為止，最後，當開口量在該階段確定時，Y等於Ya。速度下降給定器12是一個設定上述係數σ的單元。換句話說，σ是一個確定導葉開口量Y內的變化相對於速度傳感信號Xn內的變化比例的增益值，通常，該增益值一旦在考慮動力線內的電站的功能，即負載分享率的情況下被確定之後，就不會變化。而且，附圖標記14代表一個電站，其中水輪機包括一個水塔系統和彼此形成整體的發電機。
下面，參照附圖12A、12B說明變速器2、動力變化器13和速度下降給定器12的功能。此時，在無負載時的導葉開口量假設為0.2(p.u.)。圖12A所示的向右下降的實線代表在相關的電站連接到動力線之前的瞬時狀態。也就是說，代表額定值N(同步速度)的線與代表導葉開口量的實線的相交點，表示的正是無負載開口量0.2的位置。順便說一下，在水輪機啟動之前，實線設定在低於該位置處例如其設定在圖12A所示的點劃線的位置。在這種方式中，圖12A中的變速器2垂直地在實線下方平行地移動實線。變速器2的命名是因為當實線被平行地垂直移動時，在無負載開口量0.2的線上的相交點就垂直地移動。比較起見，下面參照附圖12B說明電站連接到動力線之後的狀況。此時，實線與額定速度的相交點標識為Y＝1.0即在100％負載下操作。當電站裝上動力線時的圖12A中的實線對應於圖12B中的點劃線。動力變化器13按照上述方式平行移動動力線，以改變導葉開口量。動力調節器3的命名是因為其沿水平方向平行的移動實線，儘管因為速度固定為1.0，事實上處於與無限動力線連接的狀態下，在N＝1.0線上的交叉點與實線的水平軸共同地橫向移動。在圖12B中設定的實線的情況下，儘管正常操作是在N為1.0和Y為1.0處完成，如果動力線的頻率增大到3％，Y變為0.2，這樣N變為1.03。如果動力線的頻率增長寬度是1.5％，Y接近0.6。速度下降給定器12按照這種方法給出了頻率變化寬度和導葉位移寬度之間的比例關係。當速度下降給定器12的增益增大時，圖12B中向右下降的實線的梯度變得陡峭，因此，導葉開口量的響應寬度的增益相對頻率的變化減小。
圖6表示本發明中泵水輪機在發電模式下啟動的操作點的軌跡。啟動前的操作點標識為①，其坐標為N1＝0和Q1＝0。在這一階段，控制器內的變速器設定為等於N1＝N1Q的第一命令值，其中N1＝N1Q明顯地比等於額定速度(例如0.95N1P)的N1＝N1P低。特別需要指出的是，變速器設定為圖3中所示的實線或者點劃線。在這種情況下，導葉極限22的開口逐漸打開。在這一階段，控制器的導葉開口量命令Z由其自身給出，而完全打開導葉，也就是說，如圖12A所示，將其設定為1.0(p.u.)，設定值GL(在從0到大於無負載開口量的起始開口量例如0.4的打開操作當中)從導葉極限22變得更小些．因此，GL是最後的導葉開口量命令Zz時輸出。因此，導葉極限22的開口量打開到比分離開口量寬的0.4，因此，速度增大是在這一階段開始的，其中，水輪機的發電扭矩超過例如轉子的旋轉部件的靜態摩擦扭矩。此時的操作點用②表示。此時，設定值GL一直保持著，直到在設定值GL從導葉極限22到達啟動的預定開口量(例如0.4)之後，將電站連接到動力線，以開始固有的發電操作。按照這種方法，在圖6中，電站的操作點從②移動到 ，在此，當速度增大時，速度N1＝N1Q。此時，當N1接近N1Q時，S-特性的影響小且梯度Q1/N1或T1/N1還是很緩慢，因此，上述線性模式的係數β還保持為正數。因此，由控制器控制速度相當地穩定，因而能迅速地完成啟動操作。即使操作點可以在相對短的時間內從①移動到 ，不難暫時使點 的速度穩定，以解決水錘問題。而且，通過在操作點到達 之前使用速度延遲19的觸點，控制器的增益在穩定側從Kpa和Kia分別轉換到Kpb和Kib是非常有效的。
因此，如圖3所示，控制器內的變速器設定的相當緩和(或者超靜態(meta-statically))，其從等於N1＝N1Q的值上升到等於N1＝N1P的值。特別是，操作變速器要足夠緩和，以防止水錘受到激勵而在此達到有害值，這種現象在操作點 處一次得到解決。在這種情況下，如圖6所示，操作點沿著NR線(一條跑遠的速度線)從點 逐漸移動到點③。
在最後速度增大階段，打開同步器25。此時開始自動速度連接，同時將速度與動力線的頻率比較，在這種方法中，當速度響應不能抵消上述超靜態移動的主要部分時，速度響應必須受到充分的抑制。
圖15到17表示本發明上述實施例中泵水輪機啟動的模擬分析示例的示意圖，並且，它們分別與圖9到11所示的現有技術的技術對應。在這些示例中，速度的目標值設定為0.95(p.u.)一直到100sec，這樣，瞬時響應暫時被穩定住。之後，在40sec、100sec之後，速度目標值從0.95(p.u.)上升到1.0(p.u.)。此時，當速度到達0.94(p.u.)或者更多時，控制器的增益Kp和Ki設計成分別自動從1.07轉換到0.503，並從0.0743轉換到0.0372。圖15可以清楚地看出，啟動之後的瞬時響應可以被全部解決，直到100sec的時間為止，因此，在100sec時間之後，N可以按照設想超靜態地增大。順便說一句，儘管因為圖15所示的示例中啟動時的目標速度從1.0(p.u.)下降到0.95(p.u.)，負載極限設定值還可以自然地下降到0.4(p.u.)或者更少，保持設定在0.4(p.u.)，以便如圖9所示更好地準備在啟動時誘發同樣的瞬時現象。
圖7表示本發明另一個優選實施例的示意圖。在本實施例中，變速器按如圖4所示進行調整，操作點N1從在點②的零正好上升到超過等於額定速度的N1P的點 處的N1P。在點 處，操作點暫時保持，直到N足夠穩定且水錘現象得到滿意的解決。當操作點從②移動到 時，特別是在後半程中時，通過由S-特性引起的排量的減小量，加速了點 的穩定性。即，由梯度Q1/N1的升高引起的排量的減小，利用由導葉開口操作引起的排量增大(即由(Q1/Y)ΔY引起的排量增大)抵消上述減小。圖13是一個實現上述迅速穩定目的控制變速器的方案的示例。在增速過程中，當速度接近額定速度時，控制器的增益Kpa和Kia藉助速度延遲19的觸點分別自動地轉換為Kpb和Kib，因此，提高了速度控制系統的穩定性。
此後，操作點慢慢轉換到點③，同時通過在圖4的後半部分所示的變速器、在超靜態的減小操作當中，操作點基本上保持在點 得到的穩定狀態。在這種情況下，因為速度與緩慢的減小同步，同步器在從點 移動到點③的後半部分內打開。
可以理解，本發明不局限於上面給出的特殊實施例，所增加的各種改進和變形都不偏離本發明的範圍。
權利要求
1.一種通過轉換轉子的旋轉方向在泵模式或者發電模式工作的泵水輪機，包含排量調節器，用於調節穿過轉子的水排量，以及一速度控制器，用於控制排量調節器，從而控制速度；其特徵是當速度增大到啟動時的額定速度時，對速度控制器進行控制，這樣在速度達到低於額定速度的第一預定速度之後，速度變化梯度比速度到達第一預定速度之前的速度上升梯度小。
2.根據權利要求1所述的泵水輪機，其特徵是速度變化梯度在某一階段暫時降低或者基本保持為零，在該某一階段速度到達第一預定速度，在此階段之後，速度繼續增大。
3.根據權利要求2所述的泵水輪機，其特徵是速度變化梯度下降到這樣的程度在速度從第一預定速度繼續增大的過程中，當速度保持在第一預定速度的時中，能夠防止暫時減震的泵水輪機的壓力水管或者尾水管內再出現水錘。
4.根據權利要求1所述的泵水輪機，其特徵是還包含將水頭與第六預定水頭比較的比較裝置，從而在水頭小於第六水頭時的第一預定速度之前和之後改變速度變化梯度。
5.一種泵水輪機，設置有一個轉子和用於調節通過轉子的水排量的排量調節器，並且可以通過轉換轉子的旋轉方向在泵模式或者發電模式下操作，包含比較器，將一水頭與一第二預定水頭比較；速度傳感器，用於傳感轉子的速度；以及一速度控制器，按照根據傳感的速度使速度會聚在一給定命令值上來控制排量調節器；其特徵是速度控制器的響應速度至少在同步階段下降，其中，根據比較器在速度增長到啟動時的額定速度過程中所獲得的比較結果，相比於水頭大於第二水頭的情況，在水頭小於第二水頭的情況下將速度引導到額定速度。
6.一種泵水輪機，設置有一個轉子和用於調節通過轉子的水排量的排量調節器，並且可以通過轉換轉子的旋轉方向在泵模式或者發電模式下操作，包含比較器，將一水頭與一第三預定水頭比較；一速度控制器，用於控制排量調節器，以控制速度；其特徵是速度增大梯度設計為至少在同步階段變小，其中，根據在速度增長到啟動時額定速度過程中所獲得的比較結果，相比於水頭大於第三預定水頭的情況，在水頭小於第三水頭的情況下將速度引導到額定速度。
7.一種通過轉換轉子的旋轉方向在泵模式或者發電模式上工作的泵水輪機，包含排量調節器，用於調節通過轉子的水排量；以及一速度控制器，用於控制排量調節器，以控制速度；其特徵是對速度控制器進行控制，從而將速度暫時引導到高於額定速度的第四預定速度，之後到達額定速度，因此，速度減小梯度在速度到達第四預定速度之後變得比速度增大梯度小，直到速度達到第四預定速度，以使速度變為啟動時的額定速度。
8.根據權利要求7所示的泵水輪機，其特徵是速度變化梯度在速度達到第四預定速度的階段中暫時下降或者基本保持為零，之後，速度開始達到額定速度，同時速度下降。
9.根據權利要求7所示的泵水輪機，其特徵是速度減小梯度充分地下降到這樣的程度，即在速度從第四預定速度下降的過程中，速度保持在第四預定速度時，能夠防止在暫時減震的泵水輪機壓力水管或者尾水管的內部再出現水錘現象。
10.一種泵水輪機，設置有一個轉子和用於調節通過轉子的水排量的排量調節器，並且可以通過轉換轉子的旋轉方向在泵模式或者發電模式下操作，包含速度傳感器，用於傳感轉子的速度；以及一速度控制器，根據傳感的速度使速度會聚在一給定的命令值上來對控制器的排量進行控制；其特徵是速度控制器的響應速度在速度到達與額定速度不同的第五預定速度之後的降低狀況，比在啟動時速度增長到額定速度的過程中速度到達第五預定速度之前大。
11.根據權利要求10所示的泵水輪機，還包含比較裝置，這些比較裝置將一水頭與第二預定水頭比較，從而，只有在水頭小於第二水頭的情況下，改變在第五預定速度下的速度控制器的響應速度。
12.根據權利要求10所示的泵水輪機，其特徵是目標速度和傳感速度之間的偏差受到整體計算結果的支配，跟隨有基於整體結果的控制，而且，速度控制器的響應性通過在整體控制條件下改變整體常數而轉換。
13.根據權利要求12所示的泵水輪機，其特徵是目標速度和傳感速度之間的偏差也受到比例計算結果的支配，也跟隨有基於比例結果的控制，從而，按照使速度接近目標速度的方式控制速度，而且，速度控制器的響應性也通過改變比例計算結果控制的常數而轉換。
14.根據權利要求13所示的泵水輪機，其特徵是對排量調節器進行控制，這樣在速度到達一預定的暫時目標速度之後，速度基本上沿著一條遠離速度線到達額定速度。
15.一種控制泵水輪機的方法，包含下列步驟轉換轉子的旋轉方向，從而使泵水輪機在泵模式或者發電模式下工作；傳感動力發電啟動時轉子的速度；按照這樣的方式控制排量調節裝置，使速度暫時接近目標速度，該目標速度基於傳感到的速度設定為與額定速度不同的值；以及將排量調節裝置的響應速度控制為低於速度到達目標速度之前的一個水平，在這一階段，速度到達目標速度之後，將速度引導向額定速度。
16.一種通過轉換轉子的旋轉方向在泵模式或者發電模式下工作的泵水輪機，包含一軸，將轉子的扭矩傳輸給發電機；排量調節器，用於調節通過轉子的水排量；以及一控制器，用於傳感發電模式下轉子的速度，從而按照轉子速度變成一命令值的方式控制調節器排量；其特徵是控制器的傳輸功能按照這樣的方向轉換控制器的穩定性在速度增大到大約額定速度之後比速度增大到大約額定速度之前有較大的改善，其中，泵水輪機至少在水頭小於發電模式下的預定水頭處啟動。
17.一種通過轉換轉子的旋轉方向在泵模式或者發電模式下工作的泵水輪機，包含一軸，將轉子的扭矩傳輸給發電機；排量調節器，用於調節通過轉子的水排量；以及一控制器，用於傳感發電模式下轉子的速度，從而按照轉子速度變成一命令值的方式控制調節器排量；其特徵是在泵水輪機至少在水頭小於發電模式下的預定水頭啟動時，速度命令值暫時設定為低於額定速度的第一命令值，然後，速度暫時保持在第一命令值附近，之後，速度命令值逐漸增大，使速度到達與動力線頻率等同的同步速度。
18.根據權利要求16所述的泵水輪機，其特徵是控制器計算單元的傳輸功能設計為在速度增大到額定速度之前或者之後轉換，在這種情況下，泵水輪機至少在水頭小於發電模式下的預定水頭處啟動，控制器的穩定性在速度增大到大約額定速度之後比速度增大到大約額定速度之前改善很多。
19.根據權利要求18所示的泵水輪機，其特徵是控制器內的計算單元具有三個元件，即一比例元件，一整體元件和一導數元件，以及整體元件的設定值在速度增大到大約額定速度的速度之前或者之後轉換。
20.根據權利要求17所示的泵水輪機，其特徵是緊接在排量下降梯度|Q/N|或者|Q1/N1|或者按照速度迅速上升的增長量的等同狀態的排量之前，第一命令值設定為一個速度。
21.一種通過轉換轉子的旋轉方向在泵模式或者發電模式下工作的泵水輪機，包含一軸，將轉子的扭矩傳輸給發電機；排量調節器，用於調節通過轉子的水排量；以及一控制器，用於傳感發電模式下轉子的速度，從而按照轉子速度變成一命令值的方式控制排量調節器；其特徵是命令值暫時設定為低於額定速度的第一命令值，跟隨有暫時保持的速度，之後，命令值逐漸增大，這樣速度與等於動力線頻率的速度同步，這樣，控制器的傳輸功能沿該方向轉換，其中，在泵水輪機至少在小於發電模式的預定水頭的一水頭處啟動的情況下，當速度增大到大約額定速度時，控制器的穩定性得到較大的改善。
22.一種通過轉換轉子的旋轉方向在泵模式或者發電模式下工作的泵水輪機，包含一軸，將轉子的扭矩傳輸給發電機；排量調節器，用於調節通過轉子的水排量；以及一控制器，用於傳感發電模式下轉子的速度，從而按照感應的轉子速度變成一命令值的方式控制排量調節器；其特徵是控制器的傳送功能沿這樣方向轉換，即在速度到達或者高於一個同步速度時，控制器的穩定性得到改善，其中泵水輪機至少在小於一發電模式下的第二預定水頭的水頭處啟動，而且，命令值暫時設定為高於額定速度的第四命令值，跟隨有暫時保持的速度，之後，命令值逐漸降低，這樣，速度逐漸被引導到等於動力線的頻率的同步速度，此時，泵水輪機至少在小於第三預定水頭的水頭處啟動。
23.一種通過轉換轉子的旋轉方向在泵模式或者發電模式下工作的泵水輪機，包含一軸，將轉子的扭矩傳輸給發電機；排量調節器，用於調節通過轉子的水排量；以及一控制器，用於傳感發電模式下轉子的速度，從而按照轉子速度變成一命令值的方式控制排量調節器；其特徵是命令值暫時設定為低於額定速度的第一命令值，跟隨有暫時保持的速度，因此，暫時穩定速度並等待例如水錘的瞬時現象的解決，之後，速度命令值按照不出現有害水錘的比例逐漸增大，因而，使速度到達等於動力線頻率的同步速度，在泵水輪機至少在小於發電模式下的預定水頭處啟動。
24.根據權利要求22所示的泵水輪機，其特徵是命令值暫時設定為第四命令值，將速度暫時穩定，並等待例如水錘的瞬時現象的解決，之後，速度命令值以沒有有害水錘的比例降低，這樣，速度被引導到一個等於動力線頻率的同步速度。
全文摘要
一種通過轉換轉子的旋轉方向、能夠在泵送模式或者發電模式下工作的泵水輪機,在導葉開口量的基礎上調節通過轉子的排量;傳感轉子的速度;將一目標速度暫時設定為一個與發電啟動狀態的額定速度不同的第一速度;一通過排量調節裝置控制速度的速度響應性被控制為一個在速度到達目標速度之後比速度到達目標值之前低的值;最後,當將水輪機啟動並增大水頭範圍,在這一過程中實現同步時,提高了速度的穩定性。
文檔編號H02P9/04GK1379175SQ0210544
公開日2002年11月13日 申請日期2002年4月4日 優先權日2001年4月5日
發明者桑原尚夫 申請人:株式會社日立製作所