CN107110104B - 用于稳定具有s特性的液压机的旋转速度的方法以及用于将液压能转换成电能的设备 - Google Patents

用于稳定具有s特性的液压机的旋转速度的方法以及用于将液压能转换成电能的设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种允许稳定具有S特性的液压机(20)的旋转速度的方法。通过具有用于计算机器的导叶(206)受影响的定向(Yi)的控制器(C(s))的控制回路反馈系统(1)实施该方法。该方法包括每次迭代的以下步骤：计算与机器的操作点相关的一组内部状态(N11、Q11、C11、H、Q)；根据该组内部状态建立线性化转换函数；根据所建立的转换函数计算控制器的特征参数(Kp、Ti、Td)，以使控制回路反馈系统稳定；测量液压机的旋转速度(N)；比较测量旋转速度(N)与目标旋转速度(Nc)；以及由此调整导叶受影响的定向。

Description

用于稳定具有S特性的液压机的旋转速度的方法以及用于将 液压能转换成电能的设备
技术领域
本发明涉及一种用于稳定具有S特性的液压机的旋转速度的方法。具有S特性的典型的液压机是以涡轮机模式作用的泵涡轮机 (pump-turbine)或设计用于高净水头状态的弗朗西斯式涡轮机。本发明还涉及一种用于将液压能转换成电能的设备，上述方法可以基于该设备实施。
背景技术
在涡轮机模式中的泵涡轮机起动期间，其转轮的旋转速度必须稳定并且与电网频率同步，使得机器能够与电网联接。此外，通常当泵涡轮机处于无载荷操作点时执行联接操作，在无载荷操作点处水流不在转轮上施加任何力矩。该特定操作点是联接点。
在低跌水状态下，由于存在“S区域”，因此可能难以实现旋转速度稳定。“S区域”是不稳定区域，其中机器对干扰敏感。因此，相对于联接点的轻微旋转速度变化导致通过水流施加在转轮上的力矩的显著增大，由此相当大地增大或减小机器的旋转速度。在这些条件下，不可能利用传统PID回路稳定机器旋转速度。
为了解决该问题，已知完全重新设计了机器的液压零件，比如转轮或导叶。具体地，机器的液压零件被重新设计以避免处于涡轮机模式的泵涡轮机的操作范围中存在S区域。机器的操作范围对应于机器所承受的下部总水头和上部总水头之间的间隔。然而，该方案实施起来非常昂贵并且降低了泵涡轮机的性能。
另一个解决方案在于利用不同步导叶装备泵涡轮机。这意味着一些导叶能够独立地定向。因此，在机器起动时，导叶中的一些比其他进一步地打开，这临时改变了机器特性。这允许在起动期间避免存在 S区域。然而，该方案产生影响机器的寿命的非意愿的振动。
最后，专利申请US-A-2004/0115048以不同的方式应对S区域中的旋转速度稳定的问题。事实上，本公开提供一种用于在非常靠近S 特性部分的点处稳定涡轮机设备的旋转速度而不存在进入该不稳定部分中的风险的方法。S特性部分可被定义为在图1A上施加的具有正斜率的曲线部分，曲线部分为NR曲线以下的部分。NR曲线是无力矩通过水流施加在涡轮叶轮上的曲线。该方法在于利用直接作用在机器的旋转速度上的PID控制器。该PID控制器的特殊之处在于其特征参数可以根据机器的旋转速度而改变。更确切地，当机器旋转速度从0增大至预定速度时，高增益受到PID控制器的比例和综合要素系数的影响。然而，当旋转速度超过预定速度时，低增益受到PID控制器的比例和综合要素系数的影响。
在所说明的例子中，预定速度设置为目标旋转速度的80％。因此，当机器操作点变得靠近联接点时，朝向联接点收敛的速度降低至以便避免激励系统以及进入不稳定的S特性部分内。利用一对开关在两个值之间选择PID控制器的特征参数。
该方法的主要缺点是当联接点精确地定位在S特性部分内时其不允许稳定机器的旋转速度。
发明内容
本发明旨在通过提出一种用于允许稳定S特性部分中的旋转速度的稳定液压机的旋转速度的方法来解决上述缺点。
至此，本发明涉及一种如第一技术方案中所限定的用于稳定具有 S特性的液压机的旋转速度的方法。
第一技术方案所限定的方法通过具有控制器C(s)的控制回路反馈系统实施，所述控制器用于计算影响液压机导叶的定向Y；所述方法包括每次迭代的以下步骤：
a)计算与所述液压机的操作点相关的一组内部状态N11、Q11、 C11、H、Q；
b)根据在步骤a)中计算的所述一组内部状态，建立线性化转换函数Σlin(s)，所述线性化转换函数表示所述液压机的旋转速度为所述导叶定向的函数；
c)根据在步骤b)中建立的线性化转换函数的特征参数A0、A1、 B0、B1、B2计算所述控制器的特征参数Kp、Ti、Td，使得所述控制回路反馈系统稳定；
d)测量所述液压机的旋转速度N；
e)比较测量旋转速度N与目标旋转速度Nc；以及
f)通过所述控制器C(s)调整所述导叶受影响的定向Y，以便减小所述测量旋转速度N与所述目标旋转速度Nc之间的速度差ΔN。由于本发明，控制器的特征参数以每次迭代改变用于确保控制回路反馈系统的稳定性。该控制回路反馈系统则对联接点是否位于S特性部分中的事实不敏感。因此，即使当联接点位于S特性部分中时机器也可以与电网同步。
在如下基于第一技术方案进一步限定的第二技术方案至第六技术方案中确定了有利而非强制的方法的进一步的方面。
第二技术方案根据第一技术方案所述的方法进一步如下限定为：与所述操作点相关的所述一组内部状态包括所述操作点的坐标(N11、 Q11、C11)、所述液压机所承受的净水头H、穿过所述液压机的水的流速Q以及与液压机操作点的坐标相关的偏导数。
第三技术方案根据第一技术方案或第二技术方案所述的方法进一步如下限定为：在步骤c)，根据极点补偿方法和/或极点配置方法计算所述控制器的所述特征参数Kp、Ti、Td。
第四技术方案根据第一至第三技术方案中任一技术方案所述的方法进一步如下限定为：所述控制器C(s)是比例积分微分控制器。
第五技术方案根据第一至第四技术方案中任一技术方案所述的方法进一步如下限定为：所述液压机是包括装备有活动叶片的毂盘的双调节涡轮机，步骤d)还包括调整所述双调节涡轮机的所述活动叶片受影响的定向，以减小所述双调节涡轮机的所述测量旋转速度N与所述目标旋转速度Nc之间的速度差ΔN。
第六技术方案根据第一至第五技术方案中任一技术方案所述的方法进一步如下限定为：所述线性化转换函数Σlin(s)和所述控制器 C(s)以拉普拉斯域建模。
本发明还涉及一种如第七技术方案所限定的用于将液压能转换成电能的设备。
第七技术方案所限定的所述设备包括具有可调导叶的液压机，所述设备还包括：
-控制回路反馈系统，所述控制回路反馈系统具有用于计算影响所述导叶的定向Y的控制器C(s)；
-计算与所述液压机的操作点相关的一组内部状态N11、Q11、 C11、H、Q的装置；
-根据所述一组内部状态，建立线性化转换函数Σlin(s)的装置，所述线性化转换函数表示所述液压机的旋转速度为所述导叶定向的函数；
-根据所建立的线性化转换函数的特征参数A0、A1、B0、B1、 B2计算所述控制器的特征参数Kp、Ti、Td以使所述控制回路反馈系统稳定的装置；
-测量所述液压机的旋转速度N的装置；
-比较所述测量旋转速度N与目标旋转速度Nc的装置；以及
-控制器C(s)，所述控制器调整所述导叶受影响的定向，以便减小所述测量旋转速度N与所述目标旋转速度Nc之间的速度差ΔN。在如下基于第七技术方案进一步限定的第八技术方案至第十技术方案中确定了设备的有利而非强制的进一步的方面。
第八技术方案根据第七技术方案所述的设备进一步如下限定为：所述液压机是在涡轮机模式中具有S特性的泵涡轮机。
第九技术方案根据第七技术方案所述的设备进一步如下限定为：所述液压机是设计用于高净水头状态的法式涡轮机。
第十技术方案根据第七技术方案所述的设备进一步如下限定为：所述液压机是包括装备有活动叶片的毂盘的双调节涡轮机，所述设备还包括调整所述液压机的活动叶片受影响的定向的装置，以便减小所述液压机的所述测量旋转速度N与所述目标旋转速度Nc之间的速度差ΔN。
附图说明
现在将根据附图并且作为说明性示例而非限制本发明目的地说明本发明。在附图中：
图1是根据本发明的包括泵涡轮机的用于往复地将液压能转换成电能的设备的示意剖面图，
图2是表示图1的设备的泵涡轮机在涡轮机模式中的特性的曲线图，以及
图3是说明根据本发明的方法的控制原理图，其目的在于稳定属于图1的设备的泵涡轮机的旋转速度。
具体实施方式
图1表示用于将液压能转换成电能的设备2。设备2包括液压机。在例子中，该液压机是以涡轮机模式利用液压能以围绕轴线Z201旋转地设定轴201的泵涡轮机20。轴201联接至未表示出的发电机以产生电力。
在此以下，除非另作说明，泵涡轮机20以涡轮机模式运行。泵涡轮机20包括由混凝土块22和24支承的蜗壳200。未表示的压力水管在未表示的上游蓄水池与蜗壳200之间延伸。该压力水管产生迫压水流F以便为机器20提供动力。机器20包括由蜗壳200包围并且包括叶片208的转轮202，在操作条件下水在叶片之间流动。因此，转轮202围绕轴线Z202旋转，轴线与轴201的旋转轴线Z201重叠。转轮202紧固至轴201。
分配器围绕转轮202布置。其包括围绕转轮202均匀分布的多个活动导叶206。预分配器布置在分配器的上游并且围绕分配器布置。预分配器由围绕转轮202的旋转轴线Z202均匀分布的多个固定叶片 204形成。
抽吸管26布置转轮202以下并且适于排空机器20下游的水。
分配器的导叶206围绕与转轮202的旋转轴线Z202平行的轴线 Z206各自具有可调节节距。因此，其可以回转以调节进入机器20的水的流速。导叶206全部以相对于关闭位置的同一角度定向。换句话说，他们是同步的。
液压机的特性曲线图是各自由四组值N11、C11、Q11、Y限定的操作点集合，其中，Y是导叶206受影响的定向，N11是取决于机器的旋转速度的参数，C11是取决于由水流F施加在机器转轮上的力矩的参数，以及Q11是取决于流经液压机的水的流速的参数。在给定导叶定向Y下，可以从特性曲线图中提取等开度(iso-opening)曲线。
作为说明性示例，图2表示各自对应于不同的导叶定向Y1、Y2、Y3、Y4和Y5的五个等开度曲线。这些等开度曲线绘制在具有作为横轴的N11轴和作为纵轴的C11轴的图形上。图形的右上四分之一，即其中N11和C11两者均为正的四分之一，对应于涡轮机模式。在涡轮机模式中，泵涡轮机20的操作范围对应于机器可以承受的下总压力头Hmin与上总压力头Hmax之间的间隔。在给定的净水头H下，机器20的联接点I是已知的。该联接点I对应于泵涡轮机20可以在涡轮机模式中联接至电网的点。其为没有力矩施加于转轮202上并且机器旋转速度与电网频率同步的无载荷操作点。在所选择的例子中，该联接点I定位在与导叶开口Y2相关的等开度曲线上。如图2所示，液压机20在低跌水状态下具有S特性。更确切地说，对应于导叶开口Y1和Y2的等开度曲线包括S部分，该导叶开口允许在低跌水状态下达到机器联接点。
在当前文件中，等开度曲线的S特性部分对应于具有正斜率的曲线部分。换句话说，其为参数N11的增大意味着参数C11的增大的曲线部分。为了说明的明确性，考虑到与导叶开口Y2相关的等开度曲线的例子，S特性部分界定在点K与J之间。
S特性部分被认为是不稳定的。这意味着液压机20对该特定部分中的干扰是敏感的。因此，相对于联接点I的旋转速度的轻微速度变化意味着当水流F在泵涡轮机20的转轮202上流动时所施加的力矩显著增大，由此相当大地增大或减小机器旋转速度。于是，机器旋转速度的稳定可能难以实现。
在下文中，根据图3说明用于自动地稳定具有S特性的液压机的旋转速度的方法。具体地，该方法适于当联接点位于S特性部分中(比如点I)时稳定机器旋转速度。
如图3所示，该方法通过具有控制器C(s)的控制回路反馈系统 1实施，控制器在该例子中为比例积分微分控制器。控制器C(s)将液压机的旋转速度N与目标旋转速度Nc之间的速度差ΔN作为输入。然后，控制器C(s)输出定向Yi以影响导叶206。在拉普拉斯域中，给出如下的控制器的转换函数：
Figure GDA0001966968860000071
其中Kp、Ti和Td是控制器的调节参数。
控制回路反馈系统1直接作用在由图3中的块实数Σ表示的真机特性上。实数Σ对应于液压机20的真实转换函数。
该方法是迭代的。于是其包括连续地生成C(s)的调节参数以将旋转速度稳定在目标旋转速度。目标旋转速度Nc对应于与电网同步的速度。在该方法开始时，导叶206定向在标称定向处。
该方法的第一步在于计算与机器20的操作点相关的一组内部状态。该组内部状态包括操作点的坐标N11、Q11、C11、液压机20所承受的净水头H、穿过机器20的水的流速Q以及与机器操作点的坐标相关的一些偏导数。这些偏导数对于四组操作点值是固有的。
与操作点相关的该组内部状态可以基于特性曲线图认知和直接测量值来计算。与控制回路反馈系统1集成的计算器102允许执行该任务。
转换函数Σ实数是高度非线性的，并且不能直接用于稳定机器旋转速度。
然后，该方法的第二步在于建立线性化转换函数Σlin(s)，线性化转换函数可被用于导致机器旋转速度N的稳定的计算过程。其表示作为导叶受影响的定向的函数的机器旋转速度。该转换函数Σlin(s) 可被视为最接近事实的线性化模型。在拉普拉斯域中，转换函数Σlin (s)可以由以下等式给出：
Figure GDA0001966968860000081
其中A0、A1、B0、B1和B2是取决于机器操作点的特征参数，s 是拉普拉斯变量。在该例子中，我们采用二阶转换函数。为了更加精确的模型，可以采用更高阶。
根据在第一步中计算的一组内部状态，计算线性化转换函数Σlin (s)的特征参数A0、A1、B0、B1和B2，使得转换函数Σlin(s) 尽可能逼真。该操作在计算器103中完成。换句话说，计算线性化转换函数特征参数，以使根据该线性化函数计算的旋转速度与给定导叶定向上的真实旋转速度大致相同。
该方法的第三步是计算控制器的调节参数Kp、Ti和Td，使得控制回路反馈系统1稳定。为了该目的，设计用于执行该任务的计算器 100与控制系统1集成，通过线性化转换函数Σlin(s)逼近真实转换函数实数Σ。计算调节参数，使得控制回路反馈系统1的近似闭合回路转换函数
Figure GDA0001966968860000091
具有稳定极点。
在此提醒，表达式的极点是表达式的分母为零时拉普拉斯变量s 的值。
存在确保F(s)的稳定性的各种不同的方法。例如，在此提供极点补偿法。还可以使用但不提供极点配置法。转换函数Σlin(s)的分母的极点被认为不稳定。控制器C(s)的分子则被调整以补偿或防止该不稳定的特性。更确切地说，控制器C(s)的分子被选择为具有与转换函数Σlin(s)的分母相同的极点。该被称作极点补偿并且产生以下等式：
Figure GDA0001966968860000092
考虑到以上两个等式，控制回路反馈系统1的闭合回路转换函数 F(s)可以如下表达：
Figure GDA0001966968860000093
为了确保控制回路反馈系统1的稳定性，大致控制回路转换函数 F(s)的分母的极点必须各自具有负实数部分。为了实现该目标，可以使用极点配置方法。该极点配置方法包括调整表达式的参数以获得一个或更多个所需的极点。在当前例子中，可以选择极点等于
Figure GDA0001966968860000094
其中TBF对应于控制器的特性时间周期。因此，大致闭合的回路转换函数F(s)的分母可以如下表示：
Figure GDA0001966968860000095
其中
Figure GDA0001966968860000101
控制器的第三特征参数Kp则可以基于上述等式如下所述地进行提取：
Figure GDA0001966968860000102
该方法的第四步是测量机器的旋转速度N。
进一步的步骤在于比较测量旋转速度N与目标旋转速度Nc，目标旋转速度Nc对应于与电网同步的速度。
最后一步在于通过控制器自动地调整导叶206受影响的定向，以便减小测量旋转速度N与目标旋转速度Nc之间的速度差ΔN。出于该目的，控制器输出目标开口Yi+1以影响导叶206。该目标开口Yi+1用作用于由线性化转换函数Σlin(s)表示的真实系统的导叶206的指令。
确实地，如上所述地，该方法是迭代的，这意味着在系统处于起动模式时迭代如上所述的步骤。
因此，以方法的每次迭代计算线性化转换函数Σlin(s)的特征参数，以尽可能地逼真地拟合。因此，以每个增量，即以方法的每次迭代，计算控制器的调节参数Kp、Ti和Td，以便获得稳定的控制回路反馈系统。
在本发明的未表示的可替代实施例中，可以实施相似的方法以稳定比如为卡普兰涡轮机或灯泡式涡轮机的双调节涡轮机的旋转速度。双调节涡轮机包括装备有活动叶片的毂盘。围绕毂盘循环的水的流速还依靠一系列导叶进行调节。在这种情况下，活动叶片定向成减小基于转换函数Σlin(s)计算的旋转速度N与目标旋转速度Nc之间的速度差ΔN。
在本发明的未表示的可替代实施例中，可以实施相似的方法以稳定设计用于高净水头状态的法式涡轮机的旋转速度。
在本发明的另一个未表示的可替代实施例中，可以使用另一种类型的控制器，而非PID控制器。例如，控制器C(s)可以是超前-滞后补偿器或双导数调节器。以上说明的本发明的不同实施例和可替代实施例的技术特征可以组合在一起以产生本发明的新的实施例。

Claims (9)

1.一种用于稳定具有S特性的液压机(20)的旋转速度(N)的方法，其特征在于，所述方法通过具有控制器(C(s))的控制回路反馈系统(1)实施，所述控制器用于计算影响液压机导叶(206)的定向(Y)，所述方法包括每次迭代的以下步骤：
a)计算与所述液压机的操作点相关的一组内部状态(N11、Q11、C11、H、Q)，与所述操作点相关的所述一组内部状态包括所述操作点的坐标(N11、Q11、C11)、所述液压机(20)所承受的净水头(H)、穿过所述液压机(20)的水的流速(Q)以及与液压机操作点的坐标相关的偏导数，
b)根据在步骤a)中计算的所述一组内部状态，建立线性化转换函数Σlin(s)，所述线性化转换函数表示所述液压机的旋转速度为所述导叶定向的函数，
c)根据在步骤b)中建立的线性化转换函数的特征参数(A0、A1、B0、B1、B2)计算所述控制器的特征参数(Kp、Ti、Td)，使得所述控制回路反馈系统稳定，其中所述线性化转换函数的特征参数(A0、A1、B0、B1、B2)是取决于所述操作点的特征参数，其中所述控制器的特征参数(Kp、Ti、Td)是所述控制器的调节参数，
d)测量所述液压机的旋转速度(N)，
e)比较测量旋转速度(N)与目标旋转速度(Nc)，以及
f)通过所述控制器(C(s))调整所述导叶受影响的定向(Y)，以便减小所述测量旋转速度(N)与所述目标旋转速度(Nc)之间的速度差(ΔN)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c)，根据极点补偿方法和/或极点配置方法计算所述控制器的所述特征参数(Kp、Ti、Td)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制器(C(s))是比例积分微分控制器。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液压机(20)是包括装备有活动叶片的毂盘的双调节涡轮机，步骤d)还包括调整所述双调节涡轮机的所述活动叶片受影响的定向，以减小所述双调节涡轮机的所述测量旋转速度(N)与所述目标旋转速度(Nc)之间的速度差(ΔN)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线性化转换函数Σlin(s)和所述控制器(C(s))以拉普拉斯域建模。
6.一种用于将液压能转换成电能的设备(2)，所述设备包括具有可调导叶(206)的液压机(20)，其特征在于，所述设备还包括：
-控制回路反馈系统(1)，所述控制回路反馈系统(1)具有用于计算影响所述导叶(206)的定向(Y)的控制器(C(s))，
-计算与所述液压机的操作点相关的一组内部状态(N11、Q11、C11、H、Q)的装置(102)，与所述操作点相关的所述一组内部状态包括所述操作点的坐标(N11、Q11、C11)、所述液压机(20)所承受的净水头(H)、穿过所述液压机(20)的水的流速(Q)以及与液压机操作点的坐标相关的偏导数，
-根据计算得的所述一组内部状态，建立线性化转换函数Σlin(s)的装置(103)，所述线性化转换函数表示所述液压机的旋转速度为所述导叶定向的函数，
-根据所建立的线性化转换函数的特征参数(A0、A1、B0、B1、B2)计算所述控制器的特征参数(Kp、Ti、Td)以使所述控制回路反馈系统稳定的装置(100)，其中所述线性化转换函数的特征参数(A0、A1、B0、B1、B2)是取决于所述操作点的特征参数，其中所述控制器的特征参数(Kp、Ti、Td)是所述控制器的调节参数，
-测量所述液压机的旋转速度(N)的装置，
-比较测量得的所述旋转速度(N)与目标旋转速度(Nc)的装置，以及
-控制器(C(s))，所述控制器调整所述导叶受影响的定向，以便减小所述测量旋转速度(N)与所述目标旋转速度(Nc)之间的速度差(ΔN)。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述液压机(20)是在涡轮机模式中具有S特性的泵涡轮机。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述液压机(20)是设计用于高净水头状态的弗拉西斯式涡轮机。
9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述液压机(20)是包括装备有活动叶片的毂盘的双调节涡轮机，所述设备还包括调整所述双调节涡轮机的活动叶片受影响的定向的装置，以便减小所述双调节涡轮机的所述测量旋转速度(N)与所述目标旋转速度(Nc)之间的速度差(ΔN)。
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