CN100386515C - 水泵水轮机及其控制方法和使其停止的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种在负荷衰减时抑制不良的水锤和其它瞬时现象的水泵水轮机。为此，本发明进行校正控制从而暂时打开排量控制装置，而与通过控制器关闭排量控制装置是否处于进行之中无关。这种校正控制可以抑制负荷衰减时的突然排量变化。

Description

水泵水轮机及其控制方法和使其停止的方法

本发明涉及使用一转子的水泵水轮及其控制方法和使其停止的方法，通过改变转子的旋转方向使转子作为水泵和水轮机而进行工作。

一般地，一水泵水轮机、尤其是高压头的水泵水轮机的转子是如此设计的，以致于可实现足够离心的泵作用，从而可在泵运转期间得到较高的压头。

但是，这种设计对水泵水轮机的水轮机工作产生了不良的影响。例如尤其当所谓的S特性出现时，要完全避免这种影响是很困难的。

人们认为，在上游侧和下游侧水道、水泵水轮机的安装上升高度等的民用设计中，S特性尤其是高压头水泵水轮机的难关。因此，提出各种各样的建议来控制这种S特性。例如，日本未审查的专利公开S53-143842(1988)提出了这样一种方法：暂时打开水泵水轮机的导向叶片，同时水泵水轮机的运转点在负荷衰减之后沿着S特性的流量减少方向移动，并且在水泵水轮机的运转点沿着S特性的流量增加方向移动时或者当流量几乎变成0时，很快关闭导向叶片，如附图1所示一样。

但是，这个建议被设计来把旋转速度(该旋转速度在负荷衰减之后增加)直接减少到预定的旋转速度或者其附近，而该预定的旋转速度由控制器设置来决定。为此，暂时打开的导向叶片与负荷衰减之后的突然关闭一样快地被关闭，而不是使用所谓的弯曲的方式，在导向叶片的开度Y比Ya小时，该方式改变了从“最快”速度到“慢”速度的导向叶片的关闭速度的限制。在S特性控制装置失败的情况下，这是非常危险的。此外，这种建议假设，当流量开始增加(从减少结束开始)或者当流量几乎变成0时，暂时打开的导向叶片开始关闭。但是，在水泵水轮机的瞬态时精确(以较高的分辨率)而又及时地探测流量是非常困难的。即使探测到高分辨率流量，但是也很难突然使导向叶片反向工作，从而可以容易地推知导向叶片打开得太多。尤其是，即使在S特性上的运转点结束了沿着流量减少方向的移动并且开始沿着流量增加的方向进行移动时，仍可持续使导向叶片工作，此时S特性的影响将更大。

从上面进行判断，可以推出，在若干水泵水轮机共用同一输水管的情况下，或者尤其是，不仅通过它自己的运转状态而且还通过其它水泵水轮机的相互锤击使水泵水轮机的流量进行各种变化时，根据日本未审查的专利公开S53-143842(1988)的方法不能确保稳定性能。

本发明的目的是提供一种稳定的水泵水轮机，它可以抑制负荷衰减时的水锤现象和来自S特性的其它瞬时影响，而这些是传统水泵水轮机所不能解决的。

本发明的特征在于水泵水轮机解决了上面的问题。本发明的特征还在于：控制控制器，从而在负荷衰减之后增加转子的目标旋转速度，而该负荷衰减关闭了由发电机、发电机马达所产生的动力。

本发明的特征还在于：提供控制器，该控制器设计来探测转子的旋转速度并且控制排量调节器如导向叶片，从而使转子的预定旋转速度恒定；并且控制该控制器，从而使得只在紧接负荷衰减之后的瞬态时的目标旋转速度基本上比关闭由发动机马达所产生的动力的、在产生负荷衰减的情况下的稳定状态状态下的目标旋转速度大。

本发明的特征还在于：形成一种系统，从而增加和校正紧接在负荷衰减之后的瞬态时的控制器的预定旋转速度。

此外，本发明的特征在于：形成一种系统，从而紧接在负荷衰减之后旋转速度增加时，增加和校正控制器的预设旋转速度。

此外，本发明的特征在于：形成一种系统，从而紧接在负荷衰减之后旋转速度增加时，增加和校正目标旋转速度，从而在旋转速度开始下降之后逐渐地释放(或者减少)校正控制，并且在稳定状态时基本上全部释放校正控制。

此外，本发明的特征在于：形成一种系统，从而在增加速度曲线稍下方并且沿着增加速度曲线增加预定的旋转速度，同时紧接在负荷衰减之后旋转速度增加。

本发明的水泵水轮机的控制器包括关闭速度限制器，该限制器根据排量调节器的开度来限制排量调节器的关闭速度。如果关闭速度限制器设计成在排量调节器的开度比第一预定值大时把排量调节器的关闭速度限制到相对较大的第二预定值或者更小，并且在排量调节器的开度小于第一预定值之后，把排量调节器的关闭速度限制到相对较小的第三预定值或者更小，那么通过控制器，校正控制一定不能阻止排量调节器的自然关闭作用，直到至少在紧接负荷衰减之后排量调节器的开度大于第一预定值为止。

在负荷衰减之后，当排量调节器的开度大于第一预定值时，本发明关闭排量调节器，并且不管控制器所产生的关闭命令，一旦在排量调节器的关闭速度转移到小于第三预定值时，就暂时打开排量调节器。

本发明的特征还在于：负荷衰减之后，当旋转速度停止增加并开始减少时，通过校正控制来暂时打开排量调节器。(在该点上的旋转速度值称为第一尖峰值)。

在本发明中，负荷衰减之后，当旋转速度开始下降到这个尖峰的上方时，借助于校正控制使排量调节器的开度暂时形成得更大，因此旋转速度停止减少，并且在比控制器所产生的稳定状态时的正常目标值还高的值处开始增加。(在该点上的旋转速度值称为第一底部值。)

换句话说，在本发明中，负荷衰减之后，当旋转速度开始下降到第一尖峰的上方时，借助于校正控制使排量调节器的开度暂时形成得更大。这种暂时开度工作持续到弯曲点，在该弯曲点处，旋转速度曲线从凸形曲线变成了凹形曲线。其结果是，在比控制器所产生的稳定状态时的正常目标值还高得多的这个值处，旋转速度停止下降并且开始上升。(在这个点上的旋转速度值称为第一底部值)。

本发明的特征在于：负荷衰减之后，在旋转速度到达第一尖峰值之前，通过校正控制起动排量调节器的暂时打开工作，从而使该工作持续到弯曲点上，而在第一尖峰之后，在该弯曲点处，旋转速度曲线从凸形曲线变成了凹形曲线，因此使旋转速度停止减少并且在比控制器所产生的稳定状态时的正常目标值高得多的值处重新开始增加。(在该点处的旋转速度值称为第一底部值)。

在第一尖峰值之后，旋转速度再一次增加，然后停止增加，并且再一次减少。(在该点处的旋转速度值称为第二尖峰值。)本发明的特征在于：设置校正控制释放速度，从而第二尖峰值可以小于第一尖峰值。

在第二尖峰值之后，旋转速度再一次减少，然后停止减少，并且再一次增加。(在该点处的旋转速度值称为第二底部值。)本发明的特征在于：设置校正控制释放速度，从而第二底部值可以小于第一底部值。

本发明的特征还在于：校正控制该控制器，从而实际上根据紧接在负荷衰减之后的旋转速度的增加来增加目标旋转速度，并且在第一尖峰之后旋转速度开始下降时，逐渐释放校正控制(或者减少旋转速度)，而且在稳定状态时基本上全部释放校正控制。

本发明的水泵水轮机的控制器包括：用来探测旋转速度的装置；用来设置目标旋转速度的装置；计算装置，它用来输入来自目标旋转速度设置装置的目标速度信号和来自旋转速度探测装置的实际速度信号之间的差值的信号(它称为速度差值信号)，并且把打开命令信号输出到排量调节器中；及用来放大来自计算装置的信号，并且控制排量调节器的装置。该控制器还包括用来输入一速度信号并输出一个基本上对输入给控制器的目标速度命令信号进行校正的信号装置(它称为校正器)。

本发明的特征在于包括：一个只有当旋转速度超过第四预定值时才通过旋转速度信号的第一计算元件；一个第二计算元件，该第二计算元件接受从第一计算元件中输出的一信号并且输出一个信号(目标信号)，当所接受到的信号以相对较快地响应所接受到的信号增加时，该信号(目标信号)增加，并且当所接受到的信号以相对较慢地响应所接受到的信号而开始减少时，该信号(目标信号)慢慢减少；一个校正器，该校正器接受来自第二计算元件的信号(目标信号)并且把信号输出到控制器中，从而基本上校正目标速度命令信号。

本发明的特征在于第四预定值比最大旋转速度大得多，而在发电机连接到其中的电力系统的正常工作中可以得到该最大旋转速度。

在本发明中，第二计算元件在从第一计算元件所输出的信号正在增加时产生相对较短时间常数的第一级滞后响应，和/或在从第一计算元件所输出的信号正在减少时产生相对较长时间常数的第一级滞后响应。

在本发明中，第二计算元件在从第一计算元件所输出的信号正在增加时产生相对较短时间常数的第一级滞后响应，和/或在从第一计算元件所输出的信号正在减少时产生时间常数(该时间常数比该信号开始减少之前的信号的时间常数大)的衰减响应。

在控制器的计算装置属于PID计算型(P表示比例、I表示积分和D表示微分)的情况下，本发明的特征还在于：在所有的P、I和D工作之前加入校正信号。

此外，在控制器的计算装置属于PID计算型(P表示比例、I表示积分和D表示微分)的情况下，本发明的特征在于：加入只在P和I工作时产生作用的校正信号。

此外，本发明的特征在于：调整校正信号大小，因此，尽管来自控制器的关闭命令信号比紧接在负荷衰减之后的旋转速度增加的停止要早，但是排量调节器的暂时打开可以开始。

此外，本发明的水泵水轮机包括：一第一控制器，该控制器监控发电模式中的转子的旋转速度，并且控制排量调节器，从而在任何稳定状态时把转子的旋转速度设置成预定值；及一第二控制器，该控制器在发电机的负荷衰减时，取代第一控制器用来控制排量调节器。本发明的特征在于，至少刚好在负荷衰减之后，把第二控制器的目标旋转速度设置成比瞬态时的第一控制器的目标旋转速度高很多。

本发明的特征在于抑制负荷衰减时的反向水流，而该负荷衰减切断了由发电机所产生的电力。

本发明的特征在于，在负荷衰减之后的瞬态时，转子的旋转速度不会象传统控制器一样快地下降到由控制器预定的值，而该负荷衰减切断了由发电机所产生的电力。

本发明的特征在于，在负荷衰减时，转子的旋转速度不会下降到由控制器预定的值，而该负荷衰减关闭了由发电机所产生的电力。

本发明的特征在于，在负荷衰减之后的瞬态时，抑制反向水流，而该负荷衰减关闭了由发电机所产生的电力。

本发明的水泵水轮机的特征在于，在负荷衰减时，抑制反向水流，而该负荷衰减关闭了由发电机所产生的电力。

本发明的水泵水轮机的特征在于，在这样的短时间内，转子的旋转速度不会下降到由控制器预定的值，从而在负荷衰减之后或者类似情况下，使旋转速度增加到第一尖峰值。

此外，本发明的特征在于，提供校正控制装置，刚好在发电模式的负荷衰减之后，在旋转速度快速增加之后，当旋转速度开始下降到尖峰时，通过排量调节器上的控制器，该控制装置中断了控制，从而暂时使排量调节器打开，同时控制器关闭控制处于进行中；并且调整校正控制，从而暂时增加旋转速度，因此至少在全负荷衰减时，旋转速度不会直接从尖峰值下降到由控制器所预定的值或者其附近。

本发明的特征还在于，在旋转速度开始增加的最新时间时停止校正控制，并且使控制返回到控制器从而调整排量调节器。

当负荷衰减之后的旋转速度开始减少时，暂时打开排量调节器的校正控制开始，并且持续到旋转速度曲线从凸形曲线变化到凹形曲线的点(弯曲点)处。

接下来，在负荷衰减之后，刚好在旋转速度开始减少之前，暂时打开排量调节器的校正控制开始，并且持续到在旋转速度减少阶段中旋转速度曲线从凸形曲线变化到凹形曲线的点(弯曲点)处。

在本发明中，在旋转速度点上，校正控制使全负荷衰减之后的旋转速度停止第一次减少，并且代之而起的是从这里开始增加该旋转速度，该旋转速度点位于额定旋转速度(或者控制器的正常目标旋转速度)和尖峰旋转速度值之间的差值的1/3的上方。

此外，在本发明中，在全负荷衰减之后的旋转速度下降到由控制器所预设的值(控制器的正常目标旋转速度)之前，校正控制使旋转速度的减少、停止和增加的设置重复许多次。

本发明的控制器包括关闭速度限制器，该限制器根据排量调节器的开度限制关闭排量调节器的速度。在这样的情况下：当排量调节器的开度是第一预定值或者大于第一预定值时，关闭速度限制器设计来把排量调节器的关闭速度限制到相对较高的第二预定值或者更小，或者，当排量调节器的开度是第一预定值或者小于第一预定值时，关闭速度限制器设计来把排量调节器的关闭速度限制到相对较小的第三预定值或者更小，只要排量调节器的开度大于第一预定值，则校正控制失去作用。

在负荷衰减之后，旋转速度第一次减少，然后在一点(第一底部速度值)处通过校正控制变成增加，并且然后在另一点处(第二尖峰速度值)变成减少。校正控制进行调整从而使第二尖峰值小于第一尖峰值。

接下来，在第二尖峰值之后，旋转速度减少，然后逐渐停止减少，并且在一点处(第二底部速度值)变成增加。校正控制进行调整从而使第二底部值小于第一底部值。

本发明的水泵水轮机的控制器包括：用于探测旋转速度的装置；用于设置目标旋转速度的装置；用于至少输入来自目标旋转速度设置装置的目标速度命令信号和来自旋转速度探测装置的实际速度信号之间的差值的信号(该信号称为速度差值信号)，并且把开度命令信号输出到排量调节器中的计算装置；和一个放大来自计算装置的信号并且控制排量调节器的装置。该控制器还包括至少输入旋转速度信号的装置(它称为校正控制装置)和基本上校正来自计算装置的信号的装置。

该校正控制装置还包括：一个只有当旋转速度超过第四预定值时才允许旋转速度信号通过的第一计算元件；一个第二计算元件，该第二计算元件接受从第一计算元件输出的一信号，并且输出一信号(目标信号)，在所接受到的信号增加的同时，该信号(目标信号)以相对较快地响应所接受到的信号快速增加，并且当接受到的信号开始减少时，该信号(目标信号)以相对较慢地响应所接受到的信号慢慢减少；一个比较目标信号和从第一计算元件中输出的信号，并且输出结果(差)的比较器；一个限制从比较器中输出信号的正成分的第一限制元件；一个不完全微分从第一限制元件输出来的信号的微分元件；及一个阻止从微分元件所输出的信号的负成分，并且以预定值限制信号的正成分的第二限制元件。

在本发明中，第四预定值比最大旋转速度大得多，而该最大旋转速度可以在发电机连接到其中的电力系统的正常工作中得到。

本发明的特征还在于，提供一第二计算元件，该第二计算元件在从第一计算元件输出的信号正在增加时产生相对较短时间常数的第一级滞后响应，或者在信号开始减少之前，在从第一计算元件输出的信号重新减少时，产生比信号的还长的时间常数的衰减响应。

本发明的特征还在于，提供校正控制，该校正控制设计成根据旋转速度的实际过渡期来决定信号输出正时，并且在开始和重新设置之间保持输出值不变。

此外本发明的校正控制设计成只工作在旋转速度大于第五预定值时，而该第五预定值比稳定状态时的目标值大，且在其它状态时不起作用。

在紧急情况下，为了使处于发电模式中的水泵水轮机运转立即停止，因此至少在紧急停止过程的初始时，通过控制器和校正控制这两者的工作，本发明的水泵水轮机完全关闭排量调节器，并且使水泵水轮机的旋转停止。

此外，在紧急情况下，为了使处于发电模式中的水泵水轮机运转立即停止，因此在紧急停止过程的初始时，通过控制器和校正控制这两者的工作，本发明的水泵水轮机首先减少S特性的不良影响，完全关闭排量调节器，并且使水泵水轮机的旋转停止。

为了解决上述问题，本发明使排量调节器多次重复关闭和打开工作，从而使水停止流过转子。

在本发明中，负荷衰减之后，在排量调节器的重复关闭和打开工作时，一步一步地进行排量调节器的关闭。

此外，在负荷衰减时的第一尖峰之后，在转子的旋转速度的减少比例变得最大之前，使排量调节器至少暂时打开一次。控制控制器，从而在负荷衰减之后的瞬态时抑制水的反流。

同样地，在负荷衰减时的第一尖峰之后，在转子的旋转速度的减少比例变得最大之前，使排量调节器至少暂时打开一次。控制控制器，从而使转子的旋转速度的减少比例比增加比例小得多。

此外，同样地，在负荷衰减时的第一尖峰之后，在转子的旋转速度的减少比例变得最大之前，使排量调节器至少暂时打开一次。控制控制器，从而消除水轮机的上游侧处的第二水锤尖峰，而根据传统控制器，刚好在负荷衰减时转子的旋转速度开始减少之后，可以观察到该水锤尖峰。

校正信号发生器被设置来把校正值供给到控制器中，从而在负荷衰减之后使转子的旋转速度的减少比例比旋转速度的增加比例小得多。

校正信号发生器被设置来把校正值供给到控制器中，从而消除水轮机的上游侧的第二水锤尖峰，而在负荷衰减之后，紧接在转子的旋转速度开始减少之后，可以观察到该第二水锤尖峰。

校正信号产生器被设置来把校正值供给到控制器中，从而消除水轮机的上游侧的第二水锤尖峰，而在负荷衰减之后，紧接在转子的旋转速度开始减少之后，可以观察到该第二水锤尖峰。

此外，在负荷衰减时的第一尖峰之后，在转子的旋转速度的减少比例变得最大之前，使排量调节器至少暂时打开一次。控制控制器，从而调整校正控制，因此在旋转速度的第一尖峰的周围，上游管子内的最大水压被限制成接近不变。

一校正信号产生器被设置来把校正值供给到控制器中，从而校正控制器的输出信号。在负荷衰减时，校正信号产生器输出校正值，从而使转子的旋转速度的减少比例比旋转速度的增加比例小得多。

一校正信号产生器被设置来把校正值供给到控制器中，从而校正控制器的输出信号。校正信号产生器校正控制器的信号，从而消除了水轮机的上游侧内的第二水锤尖峰，而在负荷衰减之后，紧接在转子的旋转速度开始减少之后，可以观察到该第二水锤尖峰。

一校正信号产生器被设置来把校正值供给到控制器中，从而校正控制器的输出信号。校正信号产生器校正控制器的输出信号，从而消除了水轮机的上游侧内的第二水锤尖峰，而在负荷衰减之后，紧接在转子的旋转速度开始减少之后，可以观察到该第二水锤尖峰。

图1表示传统控制的示意图。

图2是具有3个水泵水轮机的整个动力设备的示意图。

图3表示解释S特性的两个图。

图4是由S特性所引起的正反馈作用的流程图。

图5是由S特性所引起的正反馈作用的流程图。

图6是解释导向叶片的关闭模式和水锤之间关系的图。

图7是解释相互水锤干扰的图。

图8是解释相互水锤干扰的图。

图9是解释相互水锤干扰的图。

图10是根据传统控制解释负荷衰减时水泵水轮机的瞬时现象的一个典型示图。

图11是根据传统控制解释负荷衰减时水泵水轮机的单位排量对单位速度轨迹的图。

图12是本发明控制器的示意性方块图。

图13是解释速度控制的图

图14是解释速度控制的图。

图15是解释导向叶片的关闭速度的局限性的图。

图16是解释导向叶片的打开速度的局限性的图。

图17是校正限制电路的示意性方块图。

图18是解释校正限制电路工作的图。

图19是整个控制器的工作图。

图20是PID控制装置的工作图。

图21是本发明的第二实施例的控制器的示意性方块图。

图22是本发明的整个系统的工作图。

图23是解释根据图22的单位排量对单位速度轨迹的图。

图24是本发明的第三实施例的控制器的示意性方块图。

图25是本发明的第三实施例的校正限制电路的详细方块图。

图26是本发明的第三实施例的校正限制电路的工作图。

图27是本发明的第三实施例的校正限制电路的工作图。

图28是本发明的第三实施例的校正限制电路的工作图。

图29是本发明的第三实施例的校正限制电路的工作图。

图30是本发明的第三实施例的校正限制电路的工作图。

图31是本发明的第三实施例的校正限制电路的工作图。

图32是本发明的第三实施例的整个系统的工作图。

图33是本发明的第三实施例的、负荷衰减时的时间响应图。

图34是解释本发明的第三实施例的水泵水轮机的单位排量对单位速度轨迹的图。

下面参照附图来解释本发明的一些实施例。

参照附图2来解释本发明的水泵水轮机的整个形状。把储存在上部容器101中的水导入到输水管102中，然后借助于输水管103α-103γ分别分流到水泵水轮机14α-14γ中。

从输水管103α-103γ进入到水泵水轮机14α-14γ的转子114α-114γ中的水量由导向阀113α-113γ来控制，而这些导向阀各自由控制器110α-110γ来控制。使水慢下来的力使转子114α-114γ旋转，这些转子的动力被传递到动力发生器111α-111γ中。由发生器111α-111γ所产生的电力供给到动力系统中。

通过水泵水轮机14α-14γ的水由水道104α-104γ导入到缓冲罐105中，从而进行减震。然后，通过水道106把水导入到下部的容器107中。在具有很多剩余未用的电力的情况下如在晚上，水泵水轮机14α-14γ被反向旋转，从而把水从下部容器向上泵到上部容器中。就这而言，该系统现在已准备好为下一次发电，从而为紧急需要电的时候作好准备。

下面解释使用并联的三个水泵水轮机的例子。具有S特性的水泵水轮机的上游侧、下游侧即两侧被连接起来，如图15所示一样。

S特性

下面将解释这种设备的特定S特性。

一般地，水泵水轮机的排出特性用一组特性曲线来表示，而特性曲线表示每单位压头的旋转圈数(N1＝N/H^1/2)和每单位压头的排量(Q1＝N/H^1/2)之间的关系，使用导向叶片的开度作为特征数据。另一方面，水泵水轮机的扭矩特性用一组特性曲线来表示，而特性曲线表示每单位压头的旋转圈数(N1＝N/H^1/2)和每单位压头的扭矩(T1＝T/H)之间的关系，使用导向叶片的开度作为特征数据。这两种特性曲线通常称之为完美的特性。

在水轮机工作的范围内，排量特性曲线具有一第一区域和一第二区域。在第一区域内，当N1值增加时，Q1值减小；在第二区域内，当N1值减少时，Q1值减少。为更容易理解，第二区域在本说明书中称为S特性区域。

此外，在S特性区域内的水泵水轮机的特性在下文中称为S特性。就S特性区域内的水轮机的工作而言，当每单位压头的旋转圈数(N1)减少时，每单位压头的扭矩(T1)也减少了。

在第一区域内完成以水轮机模式进行的正常水泵水轮机工作。然而，由于负荷衰减使得每单位压头的旋转圈数(N1)突然增加时，该水泵水轮机的工作就处于S特性区域内。

当水泵水轮机的工作开始于S特性区域内的一点时，水泵水轮机的运转点沿着S特性区域内的曲线从一端移到另一端。最初，每单位压头的排量(Q1)和每单位压头的旋转圈数(N1)减少。然后，水泵水轮机的运转点沿着S特性区域内的曲线摆回(象摆锤)。自然地，每单位压头的排量(Q1)和每单位压头的旋转圈数(N1)这两者增加。在S特性区域内的这种往复运动无穷地继续下去，除非导向叶片被关闭为止。同时，每单位压头的扭矩(T1)还在减少和增加之间摆动。这种摆动现象落在这样的区域内，在该区域内，当N1值增加时，Q1值(或者T1值)增加。但是，特性Q1到N1是垂直的水泵水轮机也具有这种现象。这是因为，当比降δQ1/δN1或者δT1/δN1变大(变陡)时，控制器的速度控制系统变得不稳定。该S特性不仅含有这样的区域：在该区域内，当N1值增加时，Q1值(或者T1值)增加，而且还含有这样的区域：在该区域内，即使当比降δQ1/δN1(或者δT1/δN1)比0还小时，比降δQ1/N1(或者δT1/δN1)变大(变陡)。因此，不需要说明，本发明还可应用到具有这种陡比降的水泵水轮机中。

在水轮机工作区域内具有S特性的水泵水轮机的特性示出在图3(A)和图3(B)中。图3(A)的水泵水轮机特性表明了每单位压头的旋转圈数(N1)和每单位压头的排量(Q1)之间的关系，使用导向叶片开度作为参数。同样地，图3(B)的水泵水轮机特性表明了每单位压头的旋转圈数(N1)和每单位压头的扭矩(T1)之间的关系，使用导向叶片开度作为参数。

在上面的描述中，符号N、Q、H和T各自表示旋转的圈数、排量、有效压头和水泵水轮机的扭矩。

当导向叶片的开度相对较大并且被预定时，可得到特性曲线1和1’。当导向叶片的开度较小时，可得到特性曲线2和2’。当导向叶片的开度很小时，可得到特性曲线3和3’。

在特性曲线1的线段a-d-h中，当N1值减小时，Q1值减小。该线段在本说明书中被称为S特性区域。同样地，线段b-e-i被称为特性曲线2的S特性区域，线段c-f-j被称为特性曲线3的S特性区域。如初看去的一样，特性曲线1的线段a-d-h比线段b-e-i长，线段b-e-i比线段c-f-j长。这意味着，当导向叶片的开度变得更小时，S特性的线段变得更短。

在与图3(A)一样的图3(B)中，线段a’-d’-h’、b’-e’-i’和c’-f’-j’是特性曲线1’、2’和3’的S特性区域。

图3(B)与图3(A)紧密相关。例如，图3(A)的曲线3上的点x(该点满足Q1＝Q1x和N1＝N1x)与图3(B)的曲线3’上的点x’相对应。点x’满足T1＝T1x’和N1＝N1x’(＝N1x)。同样地，图3(A)上的点a，b，c，d，e，f，h，i和j分别与图3(B)上的点a’，b’，c’，d’，e’，f’，h，i，和j’相对应。

曲线nr是无负荷的排量曲线。曲线nr和曲线1、2和3的交点α、β和γ与直线T1＝0和曲线1’、2’和3’的交点α’、β’和γ’相对应。

下面将参照特性曲线1和1’来解释水泵水轮机的水轮机工作(用来产生动力)。如上所述，当导向叶片的开度相对较大时，可得到特性曲线1与特性曲线1’相对应的特性。常常地，水泵水轮机的水轮机工作于特性曲线1的上方，这就是说，工作于S特性区域的线段a-d-h上方的曲线上。但是，例如，当水泵水轮机上的负荷突然减少时，水泵水轮机的旋转圈数(N)急剧增大，N1值也急剧增大。水泵水轮机开始在S特性区域进行运转。当运转点进入S特性区域时，水泵水轮机的旋转圈数(N)减少并且N1值和Q1值减少。因此，水泵排量(Q)减少了。图4详细地解释了这一点。相反，当排量Q减少时，水泵水轮机的进入口和出口之间的压头(H值)增加。一旦N1值减少，那么排量Q减少。排量Q的减少引起了水泵水轮机的有效压头H增加。另外，有效压头H的增加使得N1减少，而N1的减少使得Q1减少。在这种方法中，一旦水泵水轮机开始运转在S特性区域中，那么随着速度从点a增加到点b(从而减少了S特性区域的Q1值)，Q1和N1减少。无需说明，变小的力如输水管的磨擦及类似情况压抑了Q的减少过程。无论如何，除了它们处于正的反馈电路之外，随着速度的增加，Q1和N1容易减少。

当水泵水轮机的运转点到达S特性区域内的点h(离开点a)时，上面现象逐渐减少并处于负的反馈电路中。该运转点开始从点h稍后处向上移动(从而增加Q1)到S特性区域内的点a上。以与正反馈电路中一样的方式产生运转点的这种反向移动。图5解释了这种摆回。

如上所述，当水泵水轮机的导向叶片在负载减少之后保持打开时，水泵水轮机的运转点在与导向叶片相对应的S特性曲线上摆动。因此，根据水泵水轮机特性进行工作在一些情况下是有害的并且危险。因为水泵水轮机的排量反复地增加和减少，强烈的水锤反复地产生于水电站的输水管中。

当S特性区域变得较短时，工作在S特性区域期间所形成的这种不良影响减少了。例如，在水泵水轮机沿着含有线段b-e-i(该线段随着导向叶片的开度减少而变得更短)的特性曲线2进行运转情况下，可以减少这种影响。

在S特性区域内的水泵水轮机工作还反向影响水泵水轮机的扭矩。如图3(B)所示一样，当N1值在S特性区域内减少时，T1值减少。这里，注意到，图3(A)所示的特性曲线1上的点a和h各自与图3(B)所示的特性曲线1’上的点a’和h’相对应。

假设有效压头H不变，减少T1意味着减少水泵水轮机的扭矩T。此外，下面这些是显而易见的：减少水泵水轮机的扭矩T可以引起水泵水轮机的旋转圈数N的减少。当水泵水轮机的旋转圈数N减少时，N1和T1顺序地减少了。在实际工作中，如上所述，当有效压头增加时，这种减少随着速度的增加而进行。因此，水泵水轮机的运转点沿着特性曲线1’从点a’移动到点h’上，同时沿着特性曲线1移向较小的Q1值。这种移动与正反馈电路相同。在S特性区域内反向地进行这种移动时，运转点从特性曲线1上的点h’移回到点a’上。从上面可以看出这些是显而易见的：扭矩波动是不可接受的。

负荷衰减之后水泵水轮机的运转点沿着S特性曲线向下移动时，很快地关闭导向叶片是危险的。这是因为促使N1减少的这种作用发挥影响了。

共同水锤(mutual hammer)的干扰

在水轮机模式中，S特性的影响可以借助下面方法来抑制：例如当导向叶片的开度小于80％时，设置上部叶片的关闭速率，或者，在导向叶片的开度是80％或者更大时，把值设置得比上部叶片关闭速率还小。负荷衰减时，恰好在运转点进入S特性区域之前，叶片关闭速率由“快”变成“慢”。这里在关闭特性曲线中形成了弯曲。参照图6，让我们假设，例如，当导向叶片的开度差不多是100％时，形成负荷衰减(在时间t0处)。最初，导向叶片关闭得相对较快。当导向叶片的开度到达开度值Ya时，可以选择较小的关闭速率范围。

因此，当运转点进入到S特性区域(在该区域内，在最大值上方处水泵水轮机的速度开始减少并且移向较小排量)时，叶片关闭速率被限制成相对较慢的速率。N1的过度正反馈现象的抑制加速减少了，因此可以防止过度的水锤尖峰。

图6表示叶片关闭模式和水锤尖峰之间的关系，尤其地，在负荷衰减时，上部容器侧的输水管压力Hp的升高依赖于根据导向叶片关闭而进行的叶片关闭速率的转换。换句话，当增加导向叶片的开度Ya(在该开度时，叶片关闭速率从“快”转换到“慢”)时，上部容器侧上的第一尖峰输水管水压Hpx下降到Hpx1，但是第二尖峰输水管水压Hpy上升到Hpy1。下部容器侧的输水管水压Hd的波形刚好象波型Hp的颠倒图像(尽管它不能在图6中看到)，并且第二尖峰的减少量Hy1比Hdy小。换句话说，当梯度被限制成较小值时，第一尖峰值Hpx下降，而第二尖峰值Hpy上升。最典型的例子是这样的情况：在弯曲点下方，快速关闭速率变得等于慢速关闭速率。

因此，只依赖于导向叶片关闭模式的弯曲来确定叶片关闭模式，因此上部容器侧的输水管水压的尖峰值Hpx(该值出现在紧接负荷衰减之后的快速叶片关闭期间)接近等于上部容器侧的尖峰输水管水压值Hpy(在速度开始减少之后，该值出现在S特性曲线的旁边)。实际上，这一点是通过调整弯曲开度Ya、快速叶片关闭速度范围(当Y＞Ya时)及慢速叶片关闭速度范围(当Y＜Ya时)来实现的。

本发明的发明人认识到：只依赖叶片关闭模式的弯曲是不够的。例如，在这样的情况下：具有S特性的若干水泵水轮机被联接在上游侧、下游侧或者在两侧上，如图2所示，那么这些是公知的：相互水锤干扰将会使上游侧的水压产生不正常上升，或者使下游侧水压产生不正常下降。假设水泵水轮机具有相同的技术要求，那么就有各种问题。其中的一个问题是，负荷连续衰减时(这种衰减一个接一个地减少水泵水轮机的负荷)的最大上游侧水压比自动负荷衰减时的最大上游侧水压高。另一个问题是，负荷连续衰减时(这种衰减一个接一个地减少水泵水轮机的负荷)的最小下游侧水压比自动负荷衰减时的最小下游侧水压低，并且分开的水柱是在极端的情况下产生的。更糟的是，使情况变得更坏的条件如时差难以预先知道，因为这些不正常的锤击现象与沿着S特性的轨迹的精确正时密切相关。图7、8和9是解释在连续负荷衰减时为什么这些条件难以预先知道的图。这些附图假设三个水泵水轮机一起被连接到一个上游侧输水管上和一个下游侧输水管上。在这个例子中，水泵水轮机#1在20秒的时间点处被全负荷衰减。在全负荷衰减后的Td1秒之后，水泵水轮机#2被全负荷衰减。在第二个全负荷衰减后的Td2秒之后，水泵水轮机#3被全负荷衰减。其结果是，在负荷衰减后的33.6秒或者13.6秒的时间点处，水泵水轮机#1的下游侧水压下降很快。

这种相互水锤干扰产生了突变的尖峰脉冲形下游侧水压降。尽管如此，为了抑制水泵水轮机的下游侧输水管处的水柱分离，水泵水轮机一定得安装得尽可能的低，并且确保在下部容器上方具有足够的水位差。一般地，这就增加了安装水泵水轮机更挖的土的数量，并且增加了施工费用。

在这种情况下，它不是如此明显，以致由于相互干扰所引起的不正常水锤出现上游侧，因为当每个水泵水轮机全负荷衰减(参见图10)时，叶片关闭模式设置成使叶片关闭期间的上游输水管水压尖峰Hpx比上游输水管水压尖峰Hpy(该尖峰出现在旋转速度开始减少之后的S特性旁边)高。换句话说，这种情况假设，Hpx设置成全部比Hpy高，并且使所设计的上游水压全部形成得较高，因此减少了上游结构/施工费用。当然，Hpx必须更小，从而减少上游侧结构费用。为此，一定得消除上游侧输水管内的相互水锤干扰。即使通过使用图10的叶片关闭模式来消除由于上游侧输水管内的相互水锤干扰而引起的不正常压力上升时，但是由于下游侧输水管内的相互干扰所引起的尖峰脉冲仍然存在。(参见图7、图8和图9。)

S特性的影响和水锤抑制的原理

在详细解释控制电路之前，为了容易理解，下面将解释控制原理。

尽管这里对它们作了解释，但是在控制电路中省去了一些部分。但是，它们可以装在控制电路的软件中，使用者可以选择使用。

紧接着在水泵水轮机上的负荷减少时，发电输出变成0，但是在水轮机输出变成0之前有时间延迟，而该时间延迟期间，转数增加。当然，这种输出差所引起的剩余能量借助于惯性作用而暂时储存在转子中，这是本发明的意图。刚好在开始减少之后使旋转速度直接减少到额定旋转速度或者其附近意味着立即释放所储存的能量。突然从转子中释放惯性能量是一种问题，因为存在一些东西来接受这种突然从转子中释放的能量。它就是水泵水轮机的上游侧和下游侧处的长水柱。这种突然的能量释放将使水柱大大减速，并且进一步产生水泵工作流量。负荷衰减之后的目标水排量是无负荷排量。理想地，希望从负荷衰减之前的输出当量的排量平滑地移动到无负荷排量上。但是，实际排量暂时直接到水泵区域中。不用说，水柱的这种不正常加速产生了反作用力。即，能量释放产生了过量的水轮机工作流量，该工作流量远远超出了来自水泵工作流量的无负荷排量。这个时候，转子借助于惯性作用接受水柱能量，因此旋转速度又增加了。在这种方法中，这种过量剩余能量在转子的惯性作用和水柱之间变动，并且引起水泵水轮机排量过度变动。这在水泵水轮机的上游侧和下游侧的输水管处形成了剧烈的水锤尖峰。图11表示与图10所示一样的、在负荷衰减时水泵水轮机的运转点移动的一个例子。控制旋转速度的控制器需要负荷衰减之后的旋转速度第一次突然减少，而问题产生于该负荷衰减。对控制器而言，这是必然要求。换句话说，对具有S特性的水泵水轮机而言，根据排量控制和锤击控制来判断，它是不旋转的，从而在负荷衰减时只根据控制器的要求来控制。因此，最重要的事情是施加校正控制，从而暂时使由控制器来认知的目标旋转速度基本上比处于稳态时的目标值大，并且在负荷衰减之后使第一次速度减少直接达到额定旋转速度或者其附近。

实际上，负荷衰减之后马上使控制器的速度设置暂时增加从而进行校正时，控制器假定在速度充分减少之前得到所期望旋转速度，控制器开始打开关闭的导向叶片。

在负荷衰减之后，刚刚在旋转速度增加之后，急忙增加控制器的速度设置从而进行校正，然后开始减少，这些都太晚了。因此，建议根据旋转速度的增加而增加控制器的速度设置，同时紧接在负荷衰减之后增加旋转速度。当旋转速度平滑增加时，可以平滑地增加速度设置。

在这样做之后，一定要尽可能快地取消上面目标速度校正。否则，在负荷衰减之后，可以使速度减少降慢。因此，在速度开始减少之后需要逐渐地取消(减少)校正控制，并且在稳定状态时基本上完全取消。

在紧接在负荷衰减(该负荷衰减位于冲入S特性区域内的运转点之前)之后的第一速度增加中，应该尽可能快地关闭导向叶片，直到上游侧和下游侧的锤击允许为止。在运转点冲入S特性区域之前，这使得沿S特性运行的距离尽可能小。因此，这里，只要它不阻塞第一叶片关闭，需要在负荷衰减之后的第一速度增加期间抑制增加速度设置。换句话说，建议使运转点跟着在它们之间具有预设距离的速度增加曲线的下方，并且沿着该曲线运行。

换句话说，调整校正控制，因此在负荷衰减之后，在排量控制装置或者导向叶片的开度降落到小于第一预定值之前，控制器所需要的排量控制装置的关闭工作可以不被阻塞。

更加详细地说，在负荷衰减之后，在排量控制装置的开度降落到小于第一预定值之前，应该使校正控制可以暂时打开排量控制，而与来自控制器的连续关闭命令信号无关，且排量控制装置的关闭速率小于第三预定值。

在负荷衰减时第一速度上升停止于一点(该点被称为第一速度尖峰)并且运转点开始沿着S特性曲线向着较小排量下降之后，校正控制应该被调整来暂时打开排量控制装置。这可以消除S特性的振动。

其结果是，在第一速度减少时，在比在稳定状态时由控制器给定的正常目标速度值(该值称为第一底部值)还高得多的点处，旋转速度停止减少并且开始增加。其结果是，第一速度减少限制了由水泵水轮机的上游侧输水管和下游侧输水管内的水柱接受的能量。

尽管它依赖于水泵水轮机的特性，但是水泵水轮机的运转点沿着S特性曲线向着较小排量移动的时期相当于弯曲点或者弯曲点附近，而在该弯曲点或者弯曲点附近，速度曲线从“减小”(一个尖峰)变成“增加”(一个底部)。相应地，该排量控制装置因校正控制而进行的暂时打开应从负荷衰减之后的旋转速度开始在第一尖峰的上方减少的一个时间点最晚持续到在速度曲线从“尖峰”变到“底部”的一时间点。

更加有效的是，在旋转速度到达第一尖峰之前的一会儿，校正控制应该开始。(这没有时间延迟)换句话说，下面是有效的：在速度到达第一尖峰并且使它继续到达弯曲点(在该弯曲点处速度减少曲线从“尖峰”变成“底部”)之前的一会儿，校正控制开始使排量控制装置暂时打开。因此，在比正常目标速度值高得多的点处，旋转速度停止减少并且开始增加，而该目标速度值(该值被称为第一底部值)在稳定状态时由控制器来给定。还是在这种情况下，第一速度尖峰几乎保持不变。对于具有S特性的水泵水轮机而言，在排量控制装置或者导向叶片的当前开度时，第一速度尖峰依赖于水泵水轮机的S特性的开始点(N1)。N1的变化几乎不受导向叶片开度的影响。

当然，需要时可以进行校正控制，但是在使用之后应该尽可能快地取消这种校正控制。否则，负荷衰减后的旋转速度永远不会返回到控制器所需要的预定值了。在这种情况下，旋转速度开始增加，再一次通过第一底部，然后停止增加，并且再一次在一点处(该点称为第二尖峰)开始减少。取消校正控制的速率被设置得便于使第二尖峰低于第一尖峰。

在第二尖峰之后，旋转速度开始再一次减少，然后停止减少，并且在一点处(该点称为第二底部)开始再一次增加。同样地，取消校正控制的速率设置得便于使第二底部低于第一底部。

在同样意义上，当旋转速度在负荷衰减之后增加时，控制器被进行校正控制，从而使目标速度基本增加。校正控制在速度再一次开始减少之后被逐步取消(减少)，并且在稳定状态时基本上完全被取消。

对于具有控制器的传统水泵水轮机而言，该控制器包括探测旋转速度的装置、设置目标旋转速度的装置、计算装置，该计算装置输入来自旋转速度探测装置的目标速度命令信号和来自旋转速度探测装置的实际速度信号之间的差值的信号(该信号称为速度差值信号)，并且把开度命令信号输出到排量调节器中，和一个放大来自计算装置的信号并且控制排量控制装置(排量调节器)的装置，当该控制器还包括输入一速度信号并且把用来基本上校正所述目标速度命令信号的一输出信号输出到控制器中的装置(校正器)时，可以采用本发明。

下面将解释所述校正控制装置的实施例。所提出的校正控制装置包括：一第一计算元件，当旋转速度通过第四预定值时，该元件只通过旋转速度信号；及一第二计算元件，该元件接受从所述第一计算元件输出的信号，并且输出一信号(目标信号)，在所接受到的信号增加的同时，该输出信号以相对较快地响应所接受到的信号而增加，并且当接受到的信号开始减少时，该输出信号以相对较慢地响应所接受到的信号而慢慢减少，并且校正控制装置把所述第二计算元件的输出或者所述目标信号供给到所述控制器，从而基本上校正所述目标速度命令信号。

在发电机连接到电力系统中的同时，在水泵水轮机的正常工作期间，所述校正控制装置应该保持不工作。相应地，所述第四预定值一定设置得比在正常工作中，在发电机连接到电力系统中时产生的最大速度高得多。

所述第二计算元件的优选实施例在从所述第一计算元件输出的信号正在增加时产生相对较短时间常数的第一级滞后响应，或者在从所述第一计算元件输出的信号正在减少时产生相对较长时间常数的第一级滞后响应。

所述第二计算元件的另一个优选实施例在从所述第一计算元件所输出的信号正在增加时产生相对较短时间常数的第一级滞后响应，或者一旦速度开始减少，就产生相对较长时间常数的衰减响应，在减少之前作为开始点，该衰减响应沿着具有输出的衰减曲线进行衰减。

下面将解释把所述校正控制信号施加到所述控制器上的一些具体方法。其中的一个方法是：在控制器的计算装置属于PID计算型的情况下，在所有的P、I和D(P表示比例、I表示积分及D表示微分)工作之前施加所述校正信号。

另一个方法是：在控制器的计算装置属于PID计算型的情况下(P表示比例、I表示积分及D表示微分)，把所述校正信号施加到控制器上，从而只具有P和I工作时的效果。

此外，通过使所述校正控制装置开始暂时打开所述排量控制装置(与来自所述控制器的连续关闭命令信号无关)的时间点比紧接在负荷衰减之后的旋转速度停止增加的时间点早一些，从而消除了校正控制的延迟。

还可通过设置一第二控制器来使本发明获得相同的效果，该第二控制器构成得用来在负荷衰减之后取代所述第一控制器控制该排量控制装置，使所述控制器的目标速度大大高于紧接一负荷衰减之后临时状态下所述第一控制器的目标速度来得到本发明的相同效果，该排量控制装置切断所述发电机所产生的动力。

在负荷衰减后的速度减少的同时，校正控制应该施加到从控制器输出的命令信号中，从而暂时打开关闭的导向叶片并且减缓或者阻止由于S特性所引起的N1减少。因此，这抑制了排量的过度减少或者过度调节。

当旋转速度开始反向增加时，控制器上输出来打开导向叶片的校正控制应该停止。这是因为，随着在这个时期内运转点沿着S特性曲线向着较高排量移动，导向叶片的开度变得更大，S特性的影响被加强了。

此外，当速度减少曲线沿着S特性曲线向着更小的排量减少到弯曲点并且在该点反向向上移动到较大排量时，通过所输出的控制器的校正控制使所述排量控制装置暂时打开应该继续下去，直到运转点到达弯曲点(在该点处，速度曲线从“尖峰”变成“底部”)为止。

更加有效的，在旋转速度开始减少之前的一会儿而不是在旋转速度开始减少之后，通过控制器的输出控制使所述排量控制装置开始暂时打开。(这样没有时间延迟)也就在这种情况下，第一速度尖峰几乎保持不变。

对于具有S特性的水泵水轮机而言，在排量控制装置或者导向叶片的目前开度下，该第一速度尖峰依赖于水泵水轮机的S特性的开始点(N1)。N1的变化几乎不受导向叶片开度的影响。

接下来，如果所述校正控制效果太小，那么负荷衰减之后的第一排量减少变得太大，并且允许水反向流动。通过实验，本发明的发明人已经知道，第一排量减少应该是大约2/3的第一速度减少(ΔN)或者更少。

也就是说，所述校正控制应该设置为标准值，以致第一速度减少量可以是额定的旋转速度(或者控制器的正常目标速度)加上大约1/3的ΔN。

校正控制只使一种速度从减少变化到增加是优选的，从而把全负荷衰减之后的旋转速度调整为由控制器预定的值上(或者控制器的正常目标速度)。但是，在一些情况下，由于转子的惯性作用所储存的能量逐渐释放出来，因此所述校正控制最好使后续速度反复变化。

在本发明中，所述控制器应该包括一个根据排量调节器的开度限制关闭排量控制装置的速度的关闭速度限制器。如果当排量调节器的开度是第一预定值或者高于第一预定值时，关闭速度限制器设计成把排量控制装置的关闭速度限制到相对较高的第二预定值上或者小于该第二预定值，或者，当排量调节器的开度是第一预定值或者低于第一预定值时，把排量调节器的关闭速度限制到相对较小的第三预定值上或者小于第三预定值，换句话说，如果所述速度限制器具有弯曲功能的话，即使所述校正控制失败了，但因该弯曲功能产生的保护仍可得到保证。在这个意义上，在所述排量控制装置的开度超过了所述第一预定值时，控制器输出的校正控制应该是不起作用的。

在负荷衰减之后，通过校正控制，旋转速度首先减少，并在一点处(第一底部速度值)转变成增加，然后在另一点(第二尖峰速度值)转变成减少。所述校正控制应该调整成使所述第二尖峰低于所述尖峰值(或者第一尖峰值)，并且逐渐地释放储存在转子的惯性作用中的能量。

接下来，在第二尖峰值之后，旋转速度减少，然后逐渐停止减少，并且在一点处(第二底部速度值)转变成增加。同样地，校正控制应该调整成使第二底部值小于第一底部值。

旋转速度的工况是最优选的，从而观察负荷衰减时的水泵水轮机的临时现象，尤其是S特性区域内的水泵水轮机的工况。它不仅反映了现象，而且显示了光滑、稳定和无噪声的曲线。因此，所述控制器输出校正控制装置应该是这样设置，以致于至少输入旋转速度信号，并且校正所述控制器的所述计算元件的输出，从而打开排量控制装置。

在发电机连接到发电系统上且速度变化非常小时，在水泵水轮机的正常工作中不需要所述校正控制。因此，只有当旋转速度是第四预定值或者更大时，信号才应该输入到所述控制器输出校正控制装置中。由于本发明的效果是为了逐渐减少负荷衰减之后的旋转速度，因此建议根据负荷衰减的情况为相应的负荷衰减选择速度减少模式(模式曲线)，并且与速度减少模式相比控制实际旋转速度。所述控制器输出校正控制装置的第二计算元件产生了这种速度减少模式(模式曲线)。通常，如果只根据实际旋转速度和速度减少模式之间的差形成所述校正控制，那么实际控制正时将延迟。为了防止这一缺陷，需要进行微分。为产生校正信号，进行不完全微分非常方便，因为稳定状态的不完全微分总是0。考虑到这些，可以设计出控制器输出信号校正控制装置。实际上，本发明的水泵水轮机的校正控制装置包括：一第一计算元件，只有在旋转速度超过第四预定值时，该计算元件允许旋转速度信号通过；一第二计算元件，该计算元件接受从第一计算元件输出的信号并且输出一信号(目标信号)，该信号(目标信号)在所接受到的信号正在增加时，以相对较快地响应所接受到的信号而增加很快，并且当接受到的信号开始减少时，以相对较慢地响应所接受到的信号慢慢减少；一比较器，该比较器比较目标信号和从第一计算元件中输出的信号，并且输出一结果(差值)；一个限制从比较器中输出来的信号的正成分的第一限制元件；一个对从第一限制元件中输出来的信号进行不完全地微分的微分元件；及一个阻塞从微分元件中输出的信号的负成分且以预定值限制信号的正成分的第二限制元件。

当控制器输出校正控制装置被设置成只工作在负荷衰减时，需要使所述第四预定值充分比产生于正常工作期间的最大值还高，同时所述发电机连接到电力系统中。

在从第一计算元件所输出的信号正在增加(因为需要沿着速度增加曲线进行快速移动)时，所述第二计算元件被形成来产生相对较短时间常数的第一级滞后响应，或者形成一相对较长的时间常数的响应，从而在旋转速度开始再一次减少之后，逐渐减少旋转速度。

请注意到，当所述控制器输出校正控制装置和所述控制器这两者同时工作时，会产生有害的干扰。为了防止这种干扰并且主要使具有控制器输出校正控制的控制器控制最小化，控制器输出校正控制装置的输出应该被控制成具有梯形波形，或者被控制成变化得如此慢以致于不能阻塞控制器工作。

当所述控制器输出校正控制装置工作主要用来增加旋转速度时，在一些情况下，校正控制的工作与控制器的旋转速度的恢复相反。综合考虑的结果是，有时会发生旋转速度不会到达预定值。为了防止这个，应该限制被校正控制过的旋转速度。这就是为什么只有当旋转速度处于比稳定状态时的目标值更高的第五预定值时或者更大时，使所述控制器输出校正控制装置工作的原因。

在紧急情况下在发电模式时突然停止水泵水轮机运转，需要打开电路开关来保护电装置如发电机。但是，所述排出控制装置一定不能很快关闭，而要用控制器控制。如果所述排量控制装置很快关闭，那么使得本发明的S特性控制没有用处，从而失去了本发明的极好效果。因此，需要保持控制器和所述校正控制装置两者工作在紧急停止过程的早期阶段，该早期阶段至少伴随着速度升高并且需要工作在S特性区域内，以便抑制S特性的影响、执行正常紧急工作(即充分关闭所述排量控制装置)并停止水泵水轮机的运转。

控制电路图

图12是水泵水轮机的控制器的示意性方块图。这种方块图具有：一速度探测器1，它用来探测水泵水轮机100的旋转速度N；一速度探测信号Xn；一速度控制装置2，它用来设置标准旋转速度；一个来自速度控制装置2的设定值X0；一加法器3；一个来自速度控制速度设定元件的恢复信号Xσ，一个从加法器3中输出的信号Xε；一个来自校正控制电路200的校正控制信号X200。通过用校正控制信号X200来校正Xε所得到的信号X20A供给刚好在该信号下方的PID工作电路中。一比例元件4a(P元件)用在正常发电模式中，在该模式中发电机连接到较大的动力系统中。一比例元件4b(P元件)用于负荷衰减之后的无负荷工作中。该比例元件4a的放大系数KPa比比例元件4b的放大系数KPb大。

一积分元件5a(I元件)用在正常的发电模式中。一积分元件5b(I元件)用于负荷衰减之后的无负荷工作中。该积分元件5a的放大系数Kia比积分元件5b的放大系数Kib大。接触点19a和19b直接或者间接地探测发电机的电路开关的关/开状态(发电机不能在图12看到)。当电路开关打开时，接触点19a和19b同时摆动从而打开下部接触点和关闭上部接触点。在每侧19a或者19b上的两个接触点要求使P和I元件同时切换。

微分元件6(D元件)输出一信号Zd。接触点19b输出来自比例元件的一信号Zp和来自积分元件的一信号Zi。

加法器7加入这些信号。信号Z是比例元件的输出Zp、积分元件的输出Zi和微分元件的输出Zp的总和。信号Z是叶片开度命令信号。实际叶片开度用信号Y来表示。加法器8、限制器9和油压伺服马达10构成了一种油压放大器。它构成了作为输送功能的、具有限制器的第一级滞后元件，并且把叶片开度信号Z放大到叶片开度Y中，该叶片开度Y具有一行程和一个足够强大的工作力，从而直接使作为排量控制装置工作的导向叶片进行工作。信号Yε1表示叶片开度命令信号Z和实际叶片开度Y之间的差值。限制器9含有：θR，而θR把叶片开度比限制到θR·Cy；把叶片关闭速度限制到θ1.Cy的θL。考虑到所述叶片开度和关闭速度限制，信号Yε2通过限制差值信号Yε1来得到。理想的叶片开度设置Ya从输出控制装置13输出到加法器11中。如果实际叶片开度Y比Ya小(或者Y＜Ya)，那么打开信号σ(Ya-Y)连续地供给到PID工作元件中，直到差值Ya-Y变成0为止。最后，实际叶片开度Y等于叶片开度设置信号Ya，并且打开信号σ(Ya-Y)停止。速度控制速率设置块12设定上述系数σ。换句话说，系数σ是放大系数，该放大系数决定叶片开度Y的变化与速度探测信号Xn的变化之比值。总之，根据动力系统的相关设备的作用或者分担的负荷比例来确定它。一旦它被确定，那么它永远不改变。水泵水轮机的控制器还包括具有输水管系统的水轮机14的元件。相关设备的负荷电力L供给到发电机中，而该发电机直接连接到水轮机的轴上。从电力系统中供给负荷电力RL。信号Pg是负荷电力L和RL的结合或者发电机的负荷。从电力系统中给出负荷特性17b。水轮机100的自控制能力块17a是机械损失总和的特性块，这些机械损失根据速度的增加、效率的减少等等而增加。相应地，信号RT表示了由于自控能力伴随着旋转速度的改变而引起的水轮机输出损失。因此，当从水轮机看去时，RT和Pg可以被认为是一种负荷。换句话说，它们的总和可以被假设是消耗水轮机的输出Pt的负荷L∑＝Pg+RT的总和。信号(Pt-L∑)被供给到转子的惯性作用部分16上，并且转子的惯性作用部分16的输出变成旋转速度N。在负荷衰减之后，信号P变得等于信号L。

接下来，参照图13和图14来解释速度控制装置2、输出控制装置13和速度控制速率设置块12的作用，假设无负荷叶片开度是0.2(pu)。实线向着图13的右边向下延伸，该实线表示刚好在动力设备连接到电力系统之前的导向叶片开度。换句话说，这种实线和额定速度N(同步速度)线的交点表示导向叶片的开度。目前无负荷叶片开度是0.2。在水轮机开始之前，该实线设置得较低，例如，该线设置在图13的虚线上。如在该图中所看到的一样，在图13的实线下方，速度控制装置2平行地上下移动实线。当交点(无负荷叶片开度02)上下垂直移动时，出现了名称“速度控制装置”。接下来参照图14解释在动力设备连接到电力系统之后的交点的情况。最初，实线和额定速度线的交点是Y＝1.0。这表明了“运转在100％的负荷”，该线在图13中用虚线表示。在这种方法中，借助于平行地向左或者向右移动实线，输出控制装置13控制导向叶片的开度。当动力设备连接到无限制电力系统中，旋转速度基本上定位在1.0处。当线N＝1.0上的交点根据实线的水平移动而左右移动时，得出了名称“速度控制装置”。在稳定状态时，水泵水轮机工作在点(N＝0.1，Y＝1.0)上，如图14的实线所示一样。假设动力系统的频率增加3％，并且额定速度N移动到1.03处。叶片开度Y到达0.2处。同样地，假设动力系统的频率增加1.5％，那么叶片开度Y设置成0.6。在这种方法中，速度控制速率设置块12在频率变化宽度和叶片开度宽度之间成正比关系。当速度控制速率设置块12的放大系数增加时，图14的实线向着右边更加急剧减少。与频率变化宽度相一致的叶片开度的放大系数减少了。因此，如果产生了负荷衰减，同时水泵水轮机运转在额定速度(N＝1.0)和全负荷(100％)(在图14的实线上)，那么控制器进行工作从而最后把旋转速度N设置成1.03(通过所控制的速度增加量使之比额定值高)。

图15是表示水泵水轮机的叶片关闭速度范围的典型例子。

传统地，水泵水轮机的旋转速度被限制，因此，如果叶片开度Y比叶片开度Ya大，该线的斜率就不比θ1a大，或者如果叶片开度Y比叶片开度Ya小，该线的斜率就不比θ1b(θ1b比θ1a小)大。换句话说，图24所示元件9的θL设置成正切(θ1a)/Cy，如果叶片开度Y比叶片开度Ya大，那么该正切tan(θ1a)/Cy相对较大，或者如果叶片开度Y比叶片开度Ya小，该正切tan(θ1a)/Cy相对较小。另一方面，如在叶片关闭工作一样，当叶片开度工作不受S特性影响时，元件9的θL设置成θ2，该θ2满足|θ1a|＞|θ2|＞|θ1b|，而与叶片开度无关。

图17表示本发明控制器的校正控制电路200的示意性方块图。校正控制电路接受Xn速度探测信号并输出X200。校正控制电路200具有加法器209和积分器210。在负荷衰减开始时，积分器210具有初始值1.0，该初始值1.0等于额定旋转速度。加法器209的输出X209是Xn的不完全微分。可以通过X209来区别dN/dt是正的(增加速度)还是负的(减少速度)。

当X209是正的时开关电路211输出1.0，当X209是负的时输出0。电路201用作一个只通过比该值Xc1大的Xn的被动元件。值Xc1应该比等于额定速度的Xn＝0.1大，并且在发电机连接到电力系统中的正常工作中不能得到该值，而只有在衰减负荷时可以得到该值。例如，所设置的值Xc1是1.04到1.05。当开关211的输出X211是正的时，继电器元件203输出来自加法器202的信号X202，当开关211的输出X211是负的时，输出为0。积分器204接受从继电器元件203中输出的信号X203。就这些而言，信号X204对信号X201的响应是时间常数1/Kc1(放大系数1)的第一级滞后响应，同时旋转速度增加，或者在该值上保持不变(它刚好在速度开始减少之前)，同时速度减少。时间常数1/KC1比时间常数1/Kc3小得多(后面将作解释)。加法器205从信号204中去掉信号207(后面将作解释)，并且产生信号X205。当开关211的输出211是负的时，断电器元件206输出来自加法器205中的信号X206，或者当开关211的输出211是正的时，输出为0。积分器207接受来自断电器元件206中的信号X206。

就这些而言，信号X205对信号X204的响应是不完全微分，该不完全微分按指数律地慢慢减少信号X204，同时速度减少。它的时间常数是1/KC3，并且放大系数是1。另一方面，当信号X204的值增加时，同时速度增加并且刚好在速度开始增加之前信号X207保持为一个值，信号205的值增加。换句话说，当速度增加时，信号X205的值增加，并且当速度开始减少时，它按指数律地慢慢减少。这等效于负荷衰减时的速度变化模式曲线。

参照附图，下面将解释校正控制电路200的工作。在图18中，曲线X201表示通过使速度探测信号Xn通过被动元件(1.04到1.05)所得到的信号X201的情况。放大系数Kc4与信号201的第一级滞后信号(1/Kc1的时间常数)的积作为校正信号X200而输出。相应地，校正信号X200的变化接近与信号X201相同，直到时间点X201为止。因此，实际转数Xn增加，直到时间点201A为止，并且校正控制信号X200以第一级时间滞后的方式而增加。

然后，实际转数Xn减少到时间点X202A。在这个时期内，信号X204保持借助于继电器元件203(虚线部分)所设置的时间点X201A的值。含有积分器207的不完全微分电路接受信号X204、产生相对较长的时间常数(1/KC3的时间常数)的不完全微分响应和产生是信号X204的减少信号的信号X207。该信号作为校正控制信号X200输出。换句话说，逐渐从时间点X201A的值减少的值作为时间点X201A和X202A之间的校正控制信号X200而输出。

接下来，参照图12、图19和图21来解释考虑到具有校正控制信号X200的叶片开度信号Z的情况。来自加法器3的信号Xε和校正控制信号X200加到输入信号X20A(或者X20B)中。对这种输入信号X20A进行PID处理(或者对输入信号X20B进行PI处理)，并且其结果作为叶片开度指令Z输出。

图21是图12的实施例的改进后的控制电路的示意性方块图。微分元件6(D元件)输入Xε。PI工作电路的输入X20B通过校正具有校正控制信号X200的信号Xε来得到。即，校正控制电路只对比例元件(P元件)和积分元件(I元件)直接具有影响。其它电路结构与图12的一样。这里省去它们的细节。

图22表示水泵水轮机的时间响应，该水泵水轮机在负荷衰减时采用了图21和图17所示的上述实施例。图22表示水轮机的叶片开度Y、旋转速度N、排量Q、进水压力Hp和负荷衰减时水轮机的出水压力Hp的过渡时期。

当校正控制工作在导向叶片上进行从而打开它们时，同时旋转速度减少时，在第一次速度减少阶段不会发生旋转速度垂直降到由控制器所预定的值上(额定速度加上速度控制速度)。同样地，水排量也向着无负荷排量平滑减少，而没有暂时的反流(水泵运转流动)。图23表示在负荷衰减时水泵水轮机的运转点如何工作在N1-VS-Q1完整特性上。从这种移动(轨迹)来看，容易理解专门由S特性所引起的振动(它使排量在无负荷运转前后摆动)被大大地抑制了。与图17的曲线图相比，其效果更加显而易见。图18和图19表示图17的叶片校正控制电路的每个元件的情况，图17分离出图22和图23的响应曲线。图20表示处于这种状态时的PID控制器的每个工作元件的输出。

就这而言，最后的叶片开度指令的情况用图19的曲线图Z来表示。无需说明，本发明可以应用到采用了传统同步机器的泵送动力系统中。

但是，应当清楚地明白，上面实施例只是起着易于理解的作用而不是用来限制本发明的范围。

从上面的描述可知本发明的效果是显而易见的。即如图22所示一样，在负荷衰减时排量可以光滑地集中到无负荷排量上，而不会有任何过度排量波动。为此，上游侧水压增加量、尤其是第二尖峰Hpy形成得很小或者在极端情况下几乎消除了。尽管存在传统控制的局限性：在任何条件下，第一尖峰Hpx一定得比第二尖峰Hpy小，但是这种效果可以大大地减少第一尖峰Hpx。其结果是，可以大大地减少上游侧输水管和水泵水轮机本身内的设计水压。同样地，可以大大地减少由于S特性所引起的下游侧输水管的水压降范围。尤其地，可以消除由水泵水轮机的相互干扰所引起的不正常尖峰脉冲，而这些不正常尖峰脉冲共同作用于下游侧输水管中。就这个而言，水泵水轮机可以安装得比下部容器的上述高度还高，从而减少了要挖的土量(在地下动力站的情况下)。

此外，本发明的效果可以大大地减少由于S特性所引起的反常排量波动的范围。这可以大大地减少作用在水泵水轮机上的暂时水推力波动，这可以导致止推轴的合理化设计。传统地，为了抑制共同作用在上游侧输水管或者下游侧输水管内的、水泵水轮机的反常锤击干扰，因此限制水泵水轮机的工作。本发明的效果可以使水泵水轮机摆脱这些局限性，并且允许水泵水轮机在没有限制的情况下进行运转。

此外，在负荷衰减时，本发明的效果可以抑制不良的排量波动，而这可以减少振动和噪声，并且进一步提高水泵水轮机的使用寿命。上述的所有效果有利于泵送动力设备的结构费用的减少，这是显而易见的。此外，只是通过把校正控制电路加入到水泵水轮机的控制器中来实现本发明。尤其地，对于可以从外部装载运转程序的微型计算机型的控制器而言，只是通过修改运转程序来实现本发明。

在负荷衰减时，本发明可以减少上游侧水压的升高，这减少了上游侧输水管和水泵水轮机内的设计水压，因此减少了气密设计的费用。此外，在负荷衰减时，本发明的效果可以减少下游侧水压降的大小时，水泵水轮机可以安装在较浅的位置上，这可以减少要挖的土量(在地下动力站的情况下)并减少由此而产生的结构费用。

此外，本发明的效果可以抑制共同作用在上游侧或者下游侧输水管中的、水泵水轮机之中的不良相互水锤干扰。因此，消除了水泵水轮机的传统工作局限性。

在负荷衰减时，本发明的效果可以抑制排量波动，这使得止推金属的设计合理，而该止推金属可以消除在瞬态时水推力。

在负荷衰减时，本发明的效果使得水泵水轮机的工作稳定。参照附图，下面将解释本发明的第三实施例。图24是本发明第三实施例的水泵水轮机的控制器的示意性方块图。这个方块图具有：速度探测器1，它用来探测水泵水轮机100的旋转速度N；速度探测信号Xn；速度控制装置302，它用来设置标准旋转速度；来自速度控制装置302的设定值X0；加法器303；来自速度控制速度设置元件的恢复信号Xσ；从加法器303中输出的信号Xε；和来自校正控制电路500的校正控制信号X500。这种校正控制信号校正了控制器的PID工作电路的输出Z1，并且最后变成控制器的输出。比例元件304a(P元件)用在正常的发电模式中，在该模式中，发电机连接到较大的动力系统中。比例元件304b(P元件)用于负荷衰减之后的无负荷工作中。比例元件304a的放大系数KPa比比例元件304b的放大系数KPb的大。积分元件305a(I元件)用于正常的发电模式中。积分元件305b(I元件)用在负荷衰减之后的无负荷工作中。积分元件305a放大系数Kia比积分元件305b的放大系数Kib大。接触点319a和319b直接或者间接地探测发电机的电路开关的开/关状态(它在图24中不能看见)。当电路开关打开时，接触点319a和319b同时摆动，从而打开下部接触点并且关闭上部接触点。需要每侧319a或者319b上的两个接触点同时拨动P和I元件。

微分元件6(D元件)输出信号Zd。接触点319b输出来自比例元件的信号Zp和来自积分元件的信号Zi。这些信号通过加法器7输入。在校正控制和比例元件的输出Zp、积分元件的输出Zi和微分元件的输出Zd的总和之前，信号Z1是叶片开度命令信号。在校正控制用信号Y来表示之后，实际的叶片开度通过放大叶片开度命令信号Z2来得到。

加法器308、限制器309和油压伺服马达310构成了一种油压放大器。它包括作为转移功能元件的、具有限制器的第一级滞后元件，并且把叶片开度信号Z2放大到叶片开度Y中，而该叶片开度Y具有一个冲程，并且工作力足够强大从而可以直接使作为排量控制装置而工作的导向叶片工作。信号Yε1表示了叶片开度命令信号Z2和实际叶片开度Y之间的差值。限制器309具有θR和θL，该θR把叶片打开速度限制到θR.Cy，而θL把叶片关闭速度限制到θL.Cy。通过限制考虑了所述叶片打开和关闭速度限制的差值信号Yε1来得到信号Yε2。

理想的叶片开度设置信号Ya从输出控制装置13输出到加法器11中。如果实际叶片开度Y比Ya小(即Y＜Ya)，那么打开信号σ(Ya-Y)连续地供给到PID工作元件中，直到差值Ya-Y变成0为止。最后，实际叶片开度Y等于叶片开度设置信号Ya，并且开度信号σ(Ya-Y)停止。速度控制速率设置块312设置上述系数σ。换句话说，系数σ是决定叶片开度Y的变化和速度探测信号Xn的变化的比的放大系数。总之，考虑到动力系统上的相关设备的作用或者共有负荷比来决定它。一旦它被决定，那么它将永不改变。水泵水轮机的控制器还包括具有输水管系统的水轮机314的一些元件。相关设备的负荷电力L供给到发动机马达上，而该发电机直接连接到水轮机的轴上。从电力系统中供给负荷电力RL。信号Pg是负荷电力L和RL的结合或者是发电机的负荷。从电力系统中产生负荷特性317b。水轮机14的自控能力块317a是总计根据速度增加、效率减少等等而增加的机器损失的特性块。相应地，信号RT表示由于伴随有旋转速度变化的自控能力而引起的水轮机输出损失。因此，当从水轮机看去时，RT和Pg可以被认为是一种负荷。换句话说，它们的总和可以被假设成消耗水轮机的输出Pt的负荷总和L∑＝Pg+RT。信号(Pt-L∑)被供给到转子的惯性作用部分316中，而转子的惯性作用部分316的输出变成了旋转速度N。在负荷衰减之后，信号P变成与信号L相等了。

接下来，这里省略了速度控制装置302、输出控制装置312和速度控制速率设置块312的作用，因为它们与图13和图14的第一实施例的这些相同。同样地，这里将不解释水泵水轮机的叶片关闭速度和叶片打开速度的局限性，因为它们与图15和图16的第一实施例的这些相同。

图25表示图24的控制器中的校正控制装置500的实施例的示意性方块图。

校正控制电路接受Xn速度探测信号和输出Y500。校正控制电路500具有加法器509和积分器510。在负荷衰减开始时，积分器510具有等于额定旋转速度的1.0的初始值。加法器509的输出X509是Xn的不完全微分。通过X509可以知道dN/dt是正的(增加速度)还是负的(减少速度)。

当X509是正的时，开关电路511输出1.0，当X509是负的时，输出0。电路501作为只通过Xn的被动元件而工作，而该Xn比预定值Xc1大。值Xc1应该比等于额定速度的Xn＝0.1大并且不会在正常工作中得到，而在正常工作时发电机连接到电力系统中，值Xc1只有在负荷衰减时可以得到。例如，要设置的值Xc1是1.04到1.05。加法器502把信号X504加入到信号X501中。当开关511的输出X511是正的时，继电器元件503输出来自加法器502的信号X502，或者当开关511的输出X511是负的时，输出是0。积分器504接受从继电器元件503中输出的信号X503。就这些而言，信号X504对信号X501的响应是时间常数1/KC1(和放大系数1)的第一级滞后响应，同时旋转速度增加或者保持在一个值(该值刚好处于速度开始减少之前)上不变，同时速度减少。

电路205是加法器。当开关511的输出X511是负的时，继电器元件506输出来自加法器505的信号X505，当开关511的输出X511是正的时，输出0。积分器507接受来自继电器元件506的信号X506。就这些而言，信号X505对信号X504的响应是不完全微分，而该不完全微分按指数律地慢慢减少了信号X504，同时速度减少。它的时间常数是1/KC3，并且放大系数是1。另一方面，当信号X504的值增加时，同时速度增加并且信号X507保持在刚好位于速度开始增加之前的一个值时，信号505的值增加。换句话说，当速度增加时，信号X505的值增加，当速度开始减少时，信号X505按指数律地慢慢减少。这等于负荷衰减时的速度变化模式曲线。

比较器508比较信号X505(模式曲线)和信号X501(实际速度曲线)。如果信号I小于-Kc5并且超过+Kc4，那么饱和元件512使信号X508饱和。加法器513、比例元件514和积分元件515构成了时间常数1/(KC6、KC7)和放大系数KC6的不完全微分电路。换句话说，如果负荷衰减时的速度变化模式曲线和实际速度曲线之间的差值超过了预定值，那么就产生了信号X514。第一级滞后元件516接受这个信号X514，截去它的顶端，并且把它作为信号X516来输出。饱和元件517接受第一级滞后元件516的输出X516，并且在信号X516的值小于0时，使信号X516停止，或者在信号X516的值是KC10或者更大时，把信号限制在KX10上。形成“在信号X516的值小于0时使信号X516停止”，是因为负荷衰减时的叶片开度校正只在信号的正侧上有效。实验表明，本发明的发明人已经知道，正侧上的叶片开度校正应该尽可能的最小化，并且应该尽可能多地使用控制器的正常控制来避免不良干扰。

因此，饱和元件还使信号的正侧饱和。当值Xn比值XC2大时(Xn＞Xc2)，开关电路518输出1，或者当值Xn比值XC2小(Xn＜Xc2)时，开关电路518输出0。电路519是一种继电器，只有当开关518的输出是1(Xn＞Xc2)时，该继电器提取信号X517并且校正叶片开度，当Xn＜Xc2时，提取0并且停止叶片开度的校正。叶片开度校正控制进行工作只是打开导向叶片。但是，在一些情况下，控制器关闭叶片被延迟，因此，延迟了速度减少。设置开关518和继电器519来防止这种延迟。

图33表示采用了图24和图25的控制器的水泵水轮机的时间响应。图33中的符号Y、N、Q、Hp和Hd以那种顺序分别表示叶片开度、旋转速度、排量、水轮机进水压和水轮机的出水压。在速度减少期间，导向叶片被校正控制成打开。即使在负荷衰减之后的第一次速度减少时，旋转速度不会直接下降到由控制器所设定的速度值(即额定速度和速度控制速度的总和)。同时，该排量向着无负荷排量光滑地减少，而没有暂时反流(水泵运转流)。图34表示水泵水轮机的运转点如何工作在负荷衰减时的N1-VS-Q1全特性上。从这种移动(轨迹)中容易理解，大大地抑制了S特性所特有的振动(该振动使得排量在无负荷工作前后摆动)。图26到图31表示图25的叶片校正控制电路的每个元件的情况，而图25分出相应的图33和图34。图32表示在这种状态时PID控制器的每个工作元件的输出。换句话说，最后的叶片开度命令信号是图31的每个工作元件的输出和校正控制信号Y500的总和。

在紧急停止的情况下，由于速度充分升高而引起的在S特性区域内的工作收敛之后，控制器很快地关闭具有无条件地设置成-θL或者更小的Yε1的导向叶片，而这个在图24中不能看出来。

“由于速度充分升高而引起的在S特性区域内的工作之后”基本上被认为旋转速度小于预定值或者叶片开度小于预定值。

在每个上述实施例中，调整导向叶片从而光滑地打开快速关闭的导向叶片是优选的，从而借助于由于速度升高和叶片开度效果所引起的水压增加效果来减少上游侧输水管水压(该水压在紧接负荷衰减之后的快速叶片关闭期间升高)，因此把速度保持在接近相同的速度值上。这种方法可以是一个减少上游侧输水管水压的最合理的方法。

有两种方法使导向叶片(这些导向叶片在负荷衰减之后的速度升高期间处于关闭状态)停止关闭并且在最佳时间开始打开：一种方法是增加控制器的目标旋转速度，另一种方法是减少PID工作块的积分或者比例放大系数。每个上述实施例可以单独使用这些方法或者结合使用这些方法。

Claims (51)

1.一种水泵水轮机，具有一个连接到发电机上的转子，通过切换所述转子的旋转方向，该水泵水轮机能够在泵取模式和发电模式下工作，该水泵水轮机包括：一个调整通过所述转子的水量的水排量控制装置；及一个控制器，该控制器探测所述转子的旋转速度，并且控制所述水排量控制装置，从而得到所述转子的预定旋转速度；其特征在于，所述控制器设有校正控制，在处于发电模式中紧接在负荷衰减之后，进行所述校正控制，并且在速度增加过程的后期步骤或者在速度减少过程的前期步骤中，发出一些开度偏置信号或用于所述水排量控制器的信号。

2.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，在关闭电力系统的发电机的负荷衰减时，控制所述控制器，从而使所述转子的目标速度值比负荷衰减前的目标值大。

3.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，在关闭电力系统的所述发电机的负荷衰减时，控制所述控制器，从而只使紧接负荷衰减后的瞬态时的所述转子的目标速度值比稳定状态时的目标值大。

4.如权利要求3所述的水泵水轮机，其特征在于，控制所述控制器，从而在紧接负荷衰减之后速度增加时，增加所述控制器的目标速度。

5.如权利要求4所述的水泵水轮机，其特征在于，在沿着速度增加曲线稍下方增加目标速度值，同时紧接在负荷衰减之后使速度增加。

6.如权利要求3所述的水泵水轮机，其特征在于，所述水泵水轮机包括一用于执行所述校正控制的校正控制装置，使所述控制器进行校正控制，在紧接负荷衰减之后速度增加时，基本上增加目标速度值，在该速度变成减少之后逐渐取消所述校正控制，并且当速度处于稳定状态时基本上完全取消所述校正控制。

7.如权利要求6所述的水泵水轮机，其特征在于，根据所述水排量控制装置的开度，所述控制器限制所述水排量控制装置的关闭速度，把所述水排量控制装置的所述关闭速度限制到相对较大的第二预定值或者更小，同时所述水排量控制装置的所述开度处于第一预定值或者大于第一预定值，并且在所述水排量控制装置的所述开度小于所述第一预定值之后，把所述关闭速度限制到相对较小的第三预定值或者更小，其中所述校正控制不会妨碍所述控制器的正常作用，从而至少关闭所述排量控制装置，直到所述排量控制装置的开度到达所述第一预定值或者小于第一预定值为止。

8.如权利要求7所述的水泵水轮机，其特征在于，在负荷衰减之后的所述排量控制装置关闭到所述第一预定值或者小于第一预定值之后，所述校正控制装置暂时打开所述排量控制装置，并且所述排量控制装置的速度变成了所述第三预定值或者小于第三预定值。

9.如权利要求8所述的水泵水轮机，其特征在于，调整用于所述校正控制的信号，因此，排量控制装置的暂时打开可以开始得比停止紧接在负荷衰减之后的旋转速度增加要早。

10.如权利要求3所述的水泵水轮机，其特征在于，包括：探测旋转速度的装置；设置目标旋转速度的装置；计算装置，该计算装置输入来自目标旋转速度设置装置的目标速度命令信号和来自旋转速度探测装置的实际速度信号之间的差值的信号，该信号称为速度差值信号，并且把打开命令信号输出到所述排量控制装置中；放大装置，根据所述计算装置的输出，该放大装置使所述排量控制装置进行工作；及校正控制装置，该校正控制装置输入一速度信号和输出一信号，从而基本上校正所述目标速度命令信号。

11.如权利要求10所述的水泵水轮机，其特征在于，还包括：一个当旋转速度超过预定值时通过/发生一旋转速度信号的第一计算元件；一个第二计算元件，该第二计算元件接受从所述第一计算元件中输出的信号并且输出一信号，在所接受到的信号以相对较快地响应所接受到的信号而增加时，该信号增加，并且当所接受到的信号以相对较慢地响应所接受到的信号而开始减少时，该信号慢慢减少；所述校正控制装置根据所述第二计算元件的输出，校正所述目标速度命令信号。

12.如权利要求11所述的水泵水轮机，其特征在于，所述预定速度值设置得比最大速度值大，该最大速度值产生于所述水泵水轮机的正常工作中，而在该水泵水轮机中，所述发电机连接到电力系统中。

13.如权利要求11所述的水泵水轮机，其特征在于，在从第一计算元件所输出的信号正在增加时，所述第二计算元件产生相对较短时间常数的第一级滞后响应，或者在从第一计算元件所输出的信号正在减少时产生相对较长时间常数的第一级滞后响应。

14.如权利要求11所述的水泵水轮机，其特征在于，在从第一计算元件所输出的信号正在增加时，所述第二计算元件产生相对较短时间常数的第一级滞后响应，或者在速度开始减少之后，产生一响应，相对于该速度开始减少之前的输出，该响应沿着相对较长时间常数的衰减曲线减少。

15.如权利要求10所述的水泵水轮机，其特征在于，在所有的P、I和D工作之前，PID计算型的所述控制器加入所述校正信号，其中，P表示比例、I表示积分和D表面微分。

16.如权利要求10所述的水泵水轮机，其特征在于，PID计算型的所述控制器加入所述校正信号从而只在P和I工作时产生作用，其中，P表示比例、I表示积分和D表示微分。

17.如权利要求3所述的水泵水轮机，其特征在于，所述校正控制在速度增加过程的后期步骤或者在速度减少过程的前期步骤中发出打开偏置信号，以暂时提高所述转子的目标速度值。

18.如权利要求2所述的水泵水轮机，其特征在于，所述控制器包括：一第一控制器，该控制器探测处于发电模式中的所述转子的旋转速度，并且控制排量控制装置，从而把转子的旋转速度设置成稳定状态条件下的目标速度；及一第二控制器，在关闭电力系统的发电机的负荷衰减时，该第二控制器取代所述第一控制器控制排量控制装置，其中，至少刚好在负荷衰减之后，所述第二控制器的目标旋转速度大大高于瞬态时所述第一控制器的目标旋转速度。

19.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，在负荷衰减时的速度增加过程中，所述校正控制使所述控制器的目标旋转速度相当快地跟随实际旋转速度增大，相应地，在速度减少过程中，使所述控制器的目标旋转速度由实际旋转速度跟随，相当慢地减少。

20.如权利要求19述的水泵水轮机，其特征在于，控制所述控制器，从而在关闭电力系统的发电机的负荷衰减时，所述旋转速度减少率缓和时，使所述转子的旋转速度变为设定得比实际旋转速度大。

21.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，控制通过所述转子的水量，从而在关闭电力系统的发电机的负荷衰减时，不会发生逆行水。

22.如权利要求21所述的水泵水轮机，其特征在于，控制通过所述转子的水量，因此，在负荷衰减之后或者类似情况下，在负荷衰减时，所述旋转速度不会在这么短的时间内下降到所述预定的值，从而使旋转速度增加到第一尖峰值。

23.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，所述校正控制打开所述排量控制器，同时在发电模式时，紧接在负荷衰减之后，所述速度减少到尖峰的上方，所述排量控制装置通过所述控制器控制关闭。

24.如权利要求23所述的水泵水轮机，其特征在于，当速度变成增加时，所述校正控制装置的打开工作停止，并且所述控制器恢复基本上控制所述排量控制装置。

25.如权利要求24所述的水泵水轮机，其特征在于，在全负荷衰减之后的旋转速度到达由控制器所预设的值之前，所述校正控制重复旋转速度的减少、停止和增加的设置许多次。

26.如权利要求25所述的水泵水轮机，其特征在于，所述校正控制装置在负荷衰减时、在旋转速度的第一尖峰之后、在第一减速阶段使旋转速度的第一次减速减慢并停止在第一底部处，并使速度转而增加；使速度减速并停止在第二峰值处，并使速度转而减少；其中校正控制进行调整从而使所述第二尖峰值小于所述第一尖峰值。

27.如权利要求23所述的水泵水轮机，其特征在于，包括：探测旋转速度的装置；设置目标旋转速度的装置；计算装置，该计算装置输入来自所述目标旋转速度设置装置的目标速度命令信号和来自所述旋转速度探测装置的实际速度信号之间的差值的信号，并且把开度命令信号输出到所述排量控制装置中；及放大装置，根据所述计算装置的输出，该放大装置使所述排量控制装置进行工作，其中所述校正控制至少输入一速度信号并根据所述计算装置的所述输出执行校正控制以便打开。

28.如权利要求27所述的水泵水轮机，其特征在于，设有一个用于执行所述校正控制的校正控制装置，所述校正控制装置包括：一第一计算元件，只有当旋转速度超过预定值时，该第一计算元件输出旋转速度信号；第二计算元件，该第二计算元件接受从第一计算元件输出的信号，并且输出一个作为目标信号的信号，在所接受到的信号增加的同时，该目标信号以相对较快地响应所接受到的信号快速增加，并且当接受到的信号开始减小时，该目标信号以相对较慢地响应所接受到的信号慢慢减小；一个比较目标信号和从第一计算元件中输出的信号且输出一结果的比较器，所述结果为差值；一个限制从该比较器中所输出的信号的正成分的第一限制元件；一个不完全微分从第一限制元件所输出来的信号的微分元件；及一个阻止从微分元件所输出的信号的负成分且以预定值限制信号的正成分的第二限制元件。

29.如权利要求27所述的水泵水轮机，其特征在于，在速度增加过程的后期步骤，或在速度减少过程的前期步骤，该校正控制装置暂时向所述控制器发出一些开度偏置信号。

30.如权利要求28所述的水泵水轮机，其特征在于，所述预定速度值设置得比最大速度大，而该最大速度产生在所述发电机连接到电力系统中的所述水泵水轮机的正常工作中。

31.如权利要求28所述的水泵水轮机，其特征在于，在从所述第一计算元件所输出的信号正在增加时，所述第二计算元件产生相对较短时间常数的第一级滞后响应，或者在速度开始减少之后，产生一响应，相对于速度开始减少之前的输出，该响应沿着相对较长时间常数的减少曲线而减少。

32.如权利要求28所述的水泵水轮机，其特征在于，在开始和重新设置之间的单个工作循环中，所述第二计算元件的输出接近常数。

33.如权利要求23所述的水泵水轮机，其特征在于，在负荷衰减之后，当旋转速度变成减少时，暂时打开排量控制装置的所述校正控制启动，且持续到旋转速度曲线从凸形曲线变化到凹形曲线的点或弯曲点。

34.如权利要求23所述的水泵水轮机，其特征在于，在负荷衰减之后，刚好在旋转速度变成减少之前，暂时打开排量控制装置的所述校正控制启动，且持续到旋转速度曲线从凸形曲线变化到凹形曲线的弯曲点。

35.如权利要求23所述的水泵水轮机，其特征在于，在额定旋转速度上方的至少额定旋转速度和尖峰旋转速度之间的差值的1/3的上方的旋转速度点处，在全负荷衰减之后所述校正控制使第一速度减少停止，并且从此转变成使该旋转速度增加。

36.如权利要求23所述的水泵水轮机，其特征在于，所述控制器包括一关闭速率限制器，当所述排量控制装置的开度处于第一预定值时或者大于第一预定值时，该限制器根据所述排量控制装置的开度把关闭所述排量控制装置的速率限制到相对较高的第二预定值或者小于第二预定值，或者，在所述排量控制装置的开度处于第一预定值或者小于第一预定值时，该关闭速率限制器把关闭所述排量控制装置的速率限制到相对较小的第三预定值或者小于第三预定值；其中在所述排量控制装置的开度处于所述第一预定值或者大于第一预定值时，所述校正控制失去作用。

37.如权利要求23所述的水泵水轮机，其特征在于，所述校正控制进行调整，从而至少使负荷衰减之后正在减少的速度暂时转变成增加至少一次，故旋转速度不会从所述尖峰值直接减少到由所述控制器所预定的值。

38.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，在处于发电模式中紧急停机的情况下，至少所述控制器和所述校正控制两者保持工作在紧急停止的初始时，完全关闭所述排量控制装置，并且使水泵水轮机停止旋转。

39.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，在处于发电模式中紧急停机，所述发电电动机需要从电力系统立即脱开的情况下，不对所述水排量控制装置立即给出停止指令，而是延迟一段时间，以便在该段时间中，所述控制器和所述校正控制保持有效，以便至少在第一速度增加阶段的后期和/或随后的速度减小阶段的早期打开所述水排量控制装置，并且削弱来自S特性的不希望的影响。

40.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，在负荷衰减后，在一些连续的速度增加过程的每一个的后期阶段和/或在一些连续的速度减少过程的每一个的前期阶段，所述校正控制发出一个偏置信号，用以在开度方向操作所述控制器。

41.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，每次在所述排量控制装置的开度形成得比较小时，执行关闭和打开所述排量控制装置的一系列工作。

42.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，所述校正控制装备在所述控制器中，作为一个闭环控制，从而在负荷衰减之后减弱减少速度。

43.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，控制所述控制器，从而在关闭电力系统的所述发电机的负荷衰减时，至少当所述旋转速度达到第一尖峰或者尖峰附近时，使所述排量控制装置的开度运动为暂时打开而接近凸形曲线。

44.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，在负荷衰减时，至少在所述旋转速度的下凹曲线或者它附近上，调整所述校正控制以便所述排量控制器暂时打开，并且使所述排量减少速度减弱为较小。

45.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，控制所述控制器，从而通过在关闭电力系统的所述发电机的负荷衰减之后，速度减少量增加到第一尖峰之上之前或同时，至少暂时打开所述排量控制装置一次，在负荷衰减之后，抑制瞬时的反向流动。

46.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，控制所述控制器，从而通过在关闭电力系统的发电机的负荷衰减之后，速度减少量增加到第一尖峰之上之前或同时，至少暂时打开所述排量控制装置一次，在负荷衰减之后，使所述转子的速度减少量比速度升高量小。

47.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，控制所述控制器，从而通过在关闭电力系统的发电机的负荷衰减之后，速度减少量增加到第一尖峰之上之前或同时，至少暂时打开所述排量控制装置一次，消除产生于紧接在所述转子的旋转速度变成减少之后的第二上游水锤尖峰。

48.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，控制所述控制器，因此，通过在关闭电力系统的发电机的负荷衰减之后，速度减少量增加到第一尖峰之上之前或同时，至少暂时打开所述排量控制装置一次，使出现在第一速度尖峰附近的最大上游输水管压力被限制到接近常值。

49.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，所述校正控制输出用于校正从所述控制器中输出的信号的值，并且输出校正值，从而在负荷衰减之后使在速度减少过程中所述转子的速度减少量的梯度比在速度增加过程中所述转子的速度增加量的梯度小得多。

50.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，所述校正控制输出用于校正从所述控制器中输出的信号的值，并且输出校正值，从而在关闭电力系统的发电机的负荷衰减后，消除产生于紧接在所述转子的旋转速度变成减少之后的第二上游水锤尖峰。

51.如权利要求1所述的水泵水轮机，其特征在于，在速度增加过程的后期步骤，或在速度减少过程的前期步骤，该校正控制装置暂时向所述控制器发出一些开度偏置信号。

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