CN108700019B - 用于操作水轮机的方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于操作水轮机的方法(100，300)、系统(900)和装置(100)。获取针对水轮机的速度调节量和流量的相应变化(110，310)。基于速度调节量来调节水轮机的转速。基于速度调节量和流量的相应变化来确定流量相对于速度调节量的变化率(120，320)。基于所确定的流量变化率来确定进一步调节转速的调节方式(130，330)。这使得水轮机能够以低成本来实时地跟踪在给定的功率命令和水头下的最大效率操作点。

Description

用于操作水轮机的方法、系统和装置

技术领域

本公开的非限制性和示例性实施例总体上涉及水利发电领域，并且更具体地涉及一种用于操作水轮机的方法、系统和装置。

背景技术

本部分介绍可以有助于更好地理解本公开的各方面。因此，本部分的陈述应当从这个角度来阅读，并且不应当被理解为对什么是现有技术或什么不是现有技术的承认。

水轮机和同步发电机是在传统的水力发电厂中常用的设备。水轮机被设计为在额定水头和功率下以由电力频率指定的速度运行以驱动同步发电机。通常对同步发电机进行操作以匹配集成的交流(AC)电网的额定电力频率，例如50Hz或60Hz。这意味着水力发电厂的设计和控制应当受到严格约束。即使水头或功率命令的微小偏差也会导致效率下降。已经发现的是，如果能够对水轮机的转速进行调节，则水力发电的效率将大大提高。除了显著的节能效果之外，水轮机的变速运行还可能增加水轮机的使用寿命，使得应用水头的范围更广，并且放宽了对水轮机设计的参数要求。

目前，主要有三种解决方案来实现水轮机的变速操作。在第一种解决方案中，使用以变速和恒定频率模式运行的双馈电机来实现水轮机的变速操作。在第二种解决方案中，使用全功率脉宽调制(PWM)转换器来允许水轮机的变速操作。在第三种解决方案中，使用高压直流系统中的换流站来实现水轮机的变速操作。在所有这三种解决方案中，水轮发电机都连接到AC系统，AC系统由AC电网系统或一个变流器或多个变流器的AC端子构成。

此外，还提出了最大功率效率跟踪(MPET)算法，该算法基于水轮机的特性曲线(Hill Chart)。水轮机的特性曲线是描述流量、转速和效率之间关系的图表。在该解决方案中，根据特性曲线曲线基于功率命令P_ord和水头H的输入来确定期望的水轮机转速n(以获得最大效率)，从而使得水轮机可以跟踪最大功率效率。该解决方案实质上是一种查找表方法，并且从特性曲线获取的查找表的数据是从缩小比例的水轮机模型而测得的。因此，查找表方法的计算准确度高度地取决于真实水轮机的特性与相应水轮机模型的接近程度。然而，由于制造误差，真实水轮机的特性通常偏离相应的原型机。

发明内容

本公开的各个实施例主要旨在提供一种用于操作水轮机的解决方案，以解决或至少部分减轻现有技术中的至少一部分问题。当结合附图阅读具体实施例的以下描述时，本公开的实施例的其他特征和优点也将被理解，附图通过示例示出了本公开的实施例的原理。

在本公开的一个方面中，提供了一种操作水轮机的方法。在该方法中，获取针对水轮机的速度调节量和流量的相应变化，其中水轮机的转速基于速度调节量来调节。基于速度调节量和流量的相应变化来进一步确定流量相对于速度调节量的变化率。然后，基于所确定的变化率来确定进一步调节转速的调节方式。

在本公开的一个实施例中，获取流量的相应变化可以包括获取水轮机的导向叶片的开度角的变化，并且确定流量的变化率可以包括确定导向叶片的开度角相对于速度调节量的变化率。

在本公开的另一实施例中，确定调节方式还可以包括以下任何一项或多项：响应于变化率具有正值，将调节方式确定为减小水轮机的转速；以及响应于变化率具有负值，将调节方式确定为增加水轮机的转速。

在本公开的另外的实施例中，该方法还可以包括：将水轮机的命令功率与绝对最大效率点处的功率进行比较；其中确定调节方式进一步基于比较的结果。

在本公开的又一实施例中，确定调节方式可以包括以下任何一项或多项：响应于变化率具有正值并且结果表明命令功率低于或等于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为减小水轮机的转速；响应于变化率具有负值并且结果表明命令功率低于或等于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为增加水轮机的转速；响应于变化率具有正值并且结果表明命令功率高于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为增加水轮机的转速；以及响应于变化率具有负值并且结果表明命令功率高于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为减小水轮机的转速。

在本公开的另一实施例中，该方法可以包括：确定流量的变化率是否落入具有上限和下限的预定区域内；以及如果流量的变化率落入预定区域内，则终止转速的调节。

在本公开的另一实施例中，该方法还可以包括：基于变化率来改变速度调节量的值。

在本公开的又一实施例中，该方法还可以包括：基于水轮机的命令功率、水头和查找表来确定水轮机的初始转速，该查找表表征水轮机转速、水流量、水头和水轮机效率之间的关系。对水轮机的转速的调节最初从该初始转速开始执行。

根据本公开的第二方面，提供了一种操作水轮机的系统。该系统可以包括一个或多个处理器；耦合到至少一个处理器的存储器；以及存储在存储器中的一组程序指令。程序指令可由至少一个处理器执行以致使系统：获取针对水轮机的速度调节量和流量的相应变化，其中水轮机的转速基于速度调节量来调节；基于速度调节量和流量的相应变化来确定流量相对于速度调节量的变化率；以及基于变化率来确定进一步调节转速的调节方式。

根据本公开的第三方面，提供了一种用于操作水轮机的装置。该装置可以包括：信息获取模块、变化率确定模块和调节确定模块。信息获取模块可以被配置为获取针对水轮机的速度调节量和流量的相应变化，其中水轮机的转速基于速度调节量来调节。变化率确定模块可以被配置为基于速度调节量和流量的相应变化来确定流量相对于速度调节量的变化率。调节确定模块可以被配置为基于所确定的变化率来确定进一步调节转速的调节方式。

在本公开的实施例中，基于速度调节量来调节水轮机的转速，监测流量相对于速度调节量的变化率，并且基于所确定的变化率来确定用于随后调节的调节方式。通过调节和监测并且基于变化率进一步调节，这使得水轮机能够以低成本来实时地跟踪在给定的功率命令和水头下的最大效率操作点。

附图说明

通过参考附图在说明书中描述的实施例的详细说明，本公开的以上和其他特征将变得更加明显，整个附图中的相同的附图标记表示相同或相似的组件，并且在附图中：

图1示意性地示出了根据本公开的实施例的操作水轮机的方法的流程图；

图2示意性地示出了根据本公开的实施例的示例特性曲线；

图3示意性地示出了根据本公开的另一实施例的操作水轮机的方法的流程图；

图4示意性地示出了根据本公开的实施例的确定针对水轮机的调节方式的流程图；

图5示意性地示出了根据本公开的另一实施例的确定针对水轮机的调节方式的流程图；

图6示意性地示出了利用根据本公开的实施例的操作解决方案的水力发电系统的框图；

图7示意性地示出了根据本公开的实施例的基于扰动和观测(P&O)的转速确定模块的框图；

图8A和8B示意性地示出了针对根据本公开的实施例的水力发电系统执行的仿真的结果的图表；

图9示意性地示出了根据本公开的实施例的用于操作水轮机的系统的框图；以及

图10示意性地示出了根据本公开的实施例的用于操作水轮机的装置的框图。

具体实施方式

在下文中，将参考说明性实施例来描述本公开的原理和精神。应当理解，所有这些实施例仅仅是为了本领域技术人员更好地理解和进一步实现本公开而给出的，而不是为了限制本公开的范围。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以得到又一实施例。为了清楚起见，本说明书中并未描述实际实现的所有特征。

说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是并非每个实施例都必然包括该特定的特征、结构或特性。而且，这样的短语并非必然指代相同的实施例。此外，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，可以认为结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性是在本领域技术人员的知识范围内，而无论这些其他实施例是否明确描述。

应当理解，尽管本文中可以使用术语“第一”和“第二”等来描述各种元素，但是这些元素不应当被这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元素和另一元素。例如，在不脱离示例实施例的范围的情况下，第一元素可以被称为第二元素，并且类似地，第二元素可以被称为第一元素。如本文中使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列术语的任何和所有组合。

本文中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的，并非旨在限制示例实施例。如本文中使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在也包括复数形式。还应当理解，当在本文中使用时，术语“包括”、“包含”、“具有(has)”、“具备”、“含有”和/或“具有”指明所陈述的特征、元素和/或组件等的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、元素、组件和/或其组合。还应当理解，除非有明确的相反说明，否则当在本文中使用时，术语“连接(connect(s))”、“联接”、“相连”等仅表示在两个元素之间存在电连接，并且它们可以直接或间接连接。

在以下描述和权利要求书中，除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。例如，术语“水轮机”是指水力涡轮机，其是一种将水的动能和势能转换成机械功的旋转机器。

如上所述，在现有的解决方案中，操作点是基于查找表方法确定的，并且其计算准确度高度地依赖于水轮机原型的准确性，然而水轮机原型通常偏离相应的真实水轮机的特性。因此，在本公开的实施例中，提供了一种基于扰动和观测(P&O)的用于水轮机操作的解决方案。在本公开的实施例中，向水轮机施加速度调节量并且检测效率变化的情况。基于效率变化的情况，进一步确定用于随后速度调节的速度调节方式。通过反复监测和调节，可以使得水轮机能够以低成本来实时地跟踪在给定的功率命令和水头下的最高效率操作点。在下文中，将参考图1至10描述本公开的具体实施例。

首先参考图1，图1示出了根据本公开的实施例的操作水轮机的方法100的流程图。如图1所示，方法100从步骤110开始，在步骤110中，获取针对水轮机的速度调节量和流量的相应变化。本文中使用的术语“速度调节量”表示调节(增加或减少)水轮机的转速的速度值，并且其也可以称为速度调节步长。

在本公开中，水轮机的转速自始至终都不是固定的，并且它并未被设置为通过搜索查找表而确定的速度值；相反，它基于所监测的调节效果来反复地调节，以接近最大效率操作点。特别地，在本公开的实施例中，水轮机的转速基于速度调节量来调节。应当注意，用于水轮机的变速操作的解决方案可以采用任何现有的变速操作解决方案，例如在“背景技术”中描述的那些。

首先，可以将转速指令或者将速度调节指令发送到水轮机调节器以命令调节器将水轮机的转速调节到期望速度。水轮机调节器是用于水轮机的控制系统，其控制水轮机以期望的功率和转速进行运转。转速指令可以指示水轮机的期望转速。速度调节指令可以指示水轮机的转速被改变的速度调节量。因此，借助于到水轮机调节器的这样的转速指令或速度调节指令，可以将水轮机的转速调节到期望速度。速度调节量可以是固定值，并且因此可以直接得到。速度调节量也可以是可以通过操作而改变的值，或者是可以在速度调节期间而改变的值，并且在这种情况下，其可以从用于速度调节量的存储元件来获取。另外，其可以从发送转速指令或速度调节指令的设备或者从接收速度调节指令或命令的水轮机调节器来获取。作为另一种选择，它也可以通过监测水轮机的转速变化来获取。

在调节水轮机的转速之后，可以监测流量的相应变化。换言之，将获取转速调节对流量变化的影响。出于说明的目的，图2示意性地示出了根据本公开的实施例的特性曲线的示例。

图2中的特性曲线示出了水轮机转速、流量、水头和水轮机效率之间的关系。在图2中，横轴表示单位流量，并且纵轴表示单位转速。本文中，“单位流量”表示基于水文相似性理论而被归一化的流量值，类似地，术语“单位转速”也表示基于水文相似性理论而被归一化的速度值。图2中的术语“单位流量”和“单位转速”在下文中缩写为流量和转速，除非另外说明。

在图2中，山丘的等高线表示效率曲线。每条等高线表示具有预定效率的曲线。在等高线上的每个点处，它可以获取相同的效率，但具有不同的转速和流量。仅出于说明目的，图2示出了效率值从74％到90％的等高线。在图2中，进一步示出了横向穿过这些等高线的虚线，这些虚线指示效率峰值曲线f₀，并且在曲线f₀的每个点处，可以获取给定操作条件的最大效率。竖直穿过等高线的斜线指示水轮机的导向叶片(闸门)的开度角α的线，并且在图2中示出了范围从9.0mm到27.0mm的角度。

从图2中可以看出，在效率峰值曲线f₀与效率等高线曲线之间的交点处，可以实现最大效率。在这些交点中的每个处，单位流量Q'相对于单位转速n'的导数为零，即dQ′₁/dn′₁＝0，如在点P₁和点P₂所示。这表示当流量相对于转速变化的变化率为零时，可以获取最大效率。因此，监测流量相对于转速变化的变化率将是有益的。

再次参考图1中的步骤110，可以例如通过很多装置(例如，流量计)来监测流量。因此，流量变化可以直接从流量计或者从存储来自流量计的流量测量值的数据库或储存库中获取。另外，在使用流量计的情况下，水轮机调节器也可以具有关于流量测量值的信息，并且因此也可以从水轮机调节器获取该信息。

另外，流量也可以通过诸如水轮机的导向叶片的开度角等其他因素来反映，这是因为流量与导向叶片的开度角具有预定关系。在图2中，从特性曲线曲线可以看出，导向叶片的开度角α与单位流量具有预定关系，其可以表示为：

a₀＝f₃(Q′₁) (1)

其中Q′₁表示单位流量；a₀是导向叶片(闸门)开度角，并且函数曲线或关系式f₃()可以从水轮机特性曲线获取。因此，可以进一步得到以下等式：

其中Q′₁表示单位流量；a₀是导向叶片(闸门)开度角，并且函数曲线或关系式f₃ ^-1()是f₃()的逆函数。

进一步从图2中可以清楚的是，液压流量随着闸门开度角的增加而增加，并且因此，

因此，可以得到以下等式：

其中因子k是正系数。从等式(4)中可以清楚地看出，最大效率标准dQ′₁/dn′₁＝0等同于da₀/dn′₁＝0。这意味着，da₀/dn′₁可以作为标准dQ′₁/dn′₁的替代选项而用于最大效率跟踪。

因此，可以监测导向叶片的开度角的变化以了解流量的变化。导向叶片的开度角由水轮机调节器来确定，并且因此导向叶片的开度角可从水轮机调节器来获取。

因此，可以获取用于水轮机的速度调节量和流量的相应变化两者。

再次参考图1，在步骤120中，可以基于速度调节量和流量的相应变化来确定流量相对于速度调节量的变化率。例如，变化率可以被确定为dQ′₁/dn′₁，通过将流量的变化除以速度调节量而获取的值。换言之，确定了流量相对于水轮机的转速变化的变化。

接下来在步骤130中，可以基于变化率来确定进一步调节转速的调节方式。在本公开的实施例中，调节方式的确定可以包括响应于变化率具有正值而将调节方式确定为减小水轮机的转速；以及响应于变化率具有负值而将调节方式确定为增加水轮机的转速。因此，可以以所确定的调节方式来进一步调节水轮机的转速。

仍然参考图2，可以看出的是，在左侧所示的最大效率点P₁附近，当位于效率峰值曲线f₀上方时，流量对转速的导数dQ′₁/dn′₁大于零，当位于效率峰值曲线f₀下方时，它小于零。这意味着，当效率曲线位于效率峰值曲线f₀上方时，效率曲线在最大效率点P₁附近上升。在这种情况下，水轮机的流量随着水轮机转速的增加而增加，并且需要更大的流量来实现相同的效率，这表示在一定的功率命令下效率较低并且是不希望的。因此，可以减小水轮机的转速。

另一方面，当效率曲线位于效率峰值曲线f₀下方时，效率曲线下降。在这种情况下，水轮机的流量随着水轮机的转速的减小而增加，并且需要更大的流量来实现相同的效率，这意味着在一定的功率命令下的效率较低并且也是不希望的。因此，可以增加水轮机的转速。

因此，如果使用上述调节方式，则水轮机将接近左侧所示的最大效率点P₁。换言之，通过反复监测和调节，最终将在左侧所示的最大效率点P₁处附近运行。

进一步在图2中，在由虚线示出的效率峰值曲线f₀上，存在绝对最大效率点，其由P₀表示，并且其是山丘的峰值点。如果水轮机在该点P₀处运行，则其可以实现绝对最大效率，并且此时，水轮机将以相应的功率P_peak运行，即以在绝对最大效率点处的功率运行。对于左侧所示的最大效率点P₀，相应的功率小于功率P_peak，而对于右侧所示的最大效率点P₁，相应的功率大于功率P_peak。通常，水轮机将以低于或等于功率P_peak的功率运行。因此，如果使用上述调节方式并且它最终导致水轮机在最大效率点P₁处附近运行，则这是可行的，因为它通常不需要水轮机以比P_peak更高的功率来工作。

然而，在某些情况下，可以允许水轮机以比P_peak更高的功率工作。在这种情况下，它可以进一步考虑例如由操作员来命令的功率。如果命令功率P_ord低于或等于功率P_peak，则可以执行如上所述的调节方式的确定。也就是说，如果预期水轮机在功率P_peak以下运行，则如果变化率为正值，dQ′₁/dn′₁>0，则可以将调节方式确定为减小水轮机的转速，如果变化率为负值，dQ′₁/dn′₁<0，则可以将调节方式确定为增加水轮机的转速。

相反，如果命令功率P_ord高于功率P_peak，则可以以不同的方式执行调节方式的确定。也就是说，如果预期水轮机在功率P_peak以上运行，则如果变化率为正值，dQ′₁/dn′₁>0，则可以将调节方式确定为增加水轮机的转速；如果变化率为负值，dQ′₁/dn′₁<0，则可以将调节方式确定为减小水轮机的转速。

从图2中可以清楚地看出，在右侧所示的最大效率点P₂附近，当位于效率峰值曲线f₀上方时，流量与转速的导数dQ′₁/dn′₁小于零，当低于效率峰值曲线f₀时，它大于零，这与最大效率点P₁完全不同。这表示，当效率曲线高于效率峰值曲线f₀时，效率曲线在最大效率点P₂附近下降。在这种情况下，水轮机的流量随着水轮机的转速的减小而增加。因此，如果期望水轮机以比P_peak更高的功率运行，则水轮机的转速可以减小，使得其可以接近最大效率点P₂。

另一方面，当位于效率曲线低于效率峰值曲线f₀下方时，效率曲线上升。在这种情况下，水轮机的流量随着水轮机的转速的增加而增加。因此，如果期望水轮机以比P_peak更高的功率运行，则水轮机的转速可以增加。在这种情况下，水轮机将接近右侧所示的最大效率点P₂。换言之，通过多次调节，它最终将在右侧所示的最大效率点P₂处附近运行。

因此，通过重复监测和调节，水轮机将以低成本来实时地跟踪在给定的功率命令和水头下的最大效率操作点。

另外，图3示意性地示出了根据本公开的另一实施例的操作水轮机的方法300的流程图。如图3所示，在步骤305中，可以首先确定水轮机的初始转速。可以理解，调节将总是从某一转速开始，并且优选地，它可以从预定速度开始，尽管可以从零速开始。

预定速度可以是用于任何操作条件的默认速度，或者它可以对于不同的操作条件是不同的，并且基于经验来确定。此外，它还可以基于表征水轮机转速、流量、水头和水轮机效率之间的关系的查找表(描述特性曲线)来获取。也就是说，在执行转速调节之前，可以通过搜索与用于水轮机的命令功率P_ord和水头Hy相对应的转速来找到粗略操作点。然后，可以从所找到的粗略转速开始执行水轮机的转速的调节。由于该粗略转速是最大效率工作点附近的转速，并且因此如果将粗略转速用作调节的起点，则调节过程可能会大大缩短。

然后，在步骤310和320中，与步骤110和120一样，可以获取用于水轮机的速度调节量和流量的相应变化，并且可以基于所获取的速度调节量和流量的相应变化来确定流量相对于速度调节量的变化率。关于步骤310和320的详细操作，可以参考参考图1的相关描述。

另外，在步骤325中，可以进一步将水轮机的命令功率与绝对最大效率点处的功率进行比较。如上所述，在允许水轮机以高于P_peak的功率运行的情况下，可以进一步考虑用于水轮机的命令功率。但是，可以理解，这个步骤是可选的，这取决于应用需求。

在步骤330中，在考虑命令功率的情况下，可以基于所确定的流量变化率和比较结果来确定用于随后的转速调节的调节方式。在本公开的一个实施例中，可以响应于变化率具有正值并且结果表明命令功率低于或等于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为减小水轮机的转速。在本公开的另一实施例中，可以响应于变化率具有负值并且结果表明命令功率低于或等于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为增加水轮机的转速。在本公开的另外的实施例中，可以响应于变化率具有正值并且结果表明命令功率高于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为增加水轮机的转速。在本公开的又一实施例中，可以响应于变化率具有负值并且结果表明命令功率高于绝对最大效率点处的功率而将调节方式确定为减小水轮机的转速。以这种方式来执行对速度调节方式的确定的原因已经参考图2进行了详细描述，并且因此本文中不再详述。

此外，在步骤340中，还可以确定流量的变化率是否落入具有上限和下限的预定区域内，并且在步骤350中，如果变化率落入该预定区域内，则终止对转速的调节。本文中的术语“预定区域”可以被称为死区，其包括变化率的上限和下限。一旦操作进入该死区，表示进一步的调节操作不能实质性地提高水轮机的运行效率，并且因此可以终止调节。然而，可以理解，步骤340和350是可选操作，而且在实际应用中，也可以保持方法运行，并且在这种情况下，如果操作条件改变，它仍然可以跟踪最大效率操作点。

此外，也可以在步骤360中基于变化率来改变或调节速度调节量。例如，如果监测到变化率在零附近振动，则可以减小速度调节量。另一方面，如果确定相同的调节方式已达预定次数，则可以增加速度调节量。或者，也可以监测变化率的变化，如果变化低于预定值，则可以增加速度调节量。这样，可以大大简化调节过程，并且显著提高调节效率。

可以理解，尽管图3描述了其中步骤305、325、步骤340和350以及步骤360中的全部与图1的解决方案相结合的实施例，但是本公开不限于上述实施例。实际上，步骤305、325、步骤340和350以及步骤360中的任何一个可以分别地或以任何组合与图1的解决方案相结合。

还可以理解，在图3中，步骤被示出为以特定顺序执行，但是本公开不限于特定顺序。事实上，一些步骤可以以相反的顺序执行或同时执行。例如，步骤325可以在步骤330之前的任何步骤中执行；步骤330、步骤340和350以及步骤360可以以任何不同的顺序执行。

在下文中，将参考图4和5来描述确定本公开中的针对水轮机的调节方式的两个可能的具体示例。

图4示意性地示出了根据本公开的实施例的确定针对水轮机的调节方式的流程图。如图4所示，方法400从步骤410开始，获取初始转速n₀、速度调节量Δn和流量Q。在步骤420中，可以将新的转速n₀确定为n₀+Δn，并且向例如水轮机调节器发送转速指令。可以理解，也可以向水轮机调节器发送包含速度调节量的速度调节命令或指令。

然后，监测新的流量并且确定新的流量Q_{_new}与旧的流量Q_{_old}之间的变化。在步骤430中，可以确定流量相对于速度调节量的变化率，例如流量变化量与速度调节量的比率，即ΔQ/Δn。在步骤430中，可以进一步确定变化率ΔQ/Δn是否小于零。

如果在步骤430中变化率ΔQ/Δn具有负值，则在步骤440中，可以进一步确定在功率命令中所指示的功率P_ord是否低于或等于功率P_peak。如上所述，功率P_peak指示绝对最大效率点处的功率。如果在步骤440中功率P_ord<＝功率P_peak，则该方法返回到步骤420，并且继续增加转速。如果在步骤440中，功率P_ord>功率P_peak，则在步骤460中可以将调节方式确定为通过改变速度调节量的符号来减小转速，并且该方法进入步骤420以减小转速。

如果在步骤430中变化率ΔQ/Δn具有零值或正值，则在步骤450中可以进一步确定在功率命令中所指示的功率P_ord是否大于功率P_peak。如果功率P_ord>功率P_peak，则该方法直接返回步骤420，并且继续增加转速。如果在步骤450中，功率P_ord<＝功率P_peak，则在步骤460中可以将调节方式确定为通过改变速度调节量的符号来减小转速，并且该方法进入步骤420以减小转速。

图5示意性地示出了根据本公开的另一实施例的确定针对水轮机的调节方式的流程图。与图4不同的是，在图5中，使用水轮机的导向叶片的开度角a₀来代替流量Q。因此，在步骤510中，获取导向叶片的开度角a₀、初始转速n₀和速度调节量Δn。在步骤520中，将导向叶片的开度角的变化量Δa₀设置为a_{0_new}-a_{0_old}。在步骤530中，确定导向叶片的开度角相对于速度调节量的变化率Δa₀/Δn，并且将其与零进行比较。随后的步骤540、550和560与步骤440、450和460相似，并且因此为了简化的目的而将在此处中不再详述。

应当注意，步骤420或520中的操作表示转速的减小还是增加取决于速度调节量Δn的符号。还可以理解，如图4和5所示，如步骤420所指示的初始或默认调节方式表示增加水轮机的转速，并且事实上，它也可以初始地指示减小水轮机的转速。也就是说，速度调节量的初始值也可以是负值，并且在这种情况下，在步骤460或560中所指示的调节方式的改变可以在步骤440或540以及步骤450或550中的“是”回答之后而不是在他们中的“否”回答之后执行。另外，可以理解，也可以将n₀确定为n₀-Δn，并且Δn也可以具有正的初始值或负的初始值。然而，在这些情况下，本领域技术人员可以根据本文中提供的教导，对如图4和图5所示的流程图进行修改以获取类似的效果。

图6示意性地示出了具有根据本公开的实施例的解决方案的水力发电系统的框图。如图6所示，初始输入包括由功率命令P_ord指示的命令功率和水头Hy。基于两个输入，粗略(或初始)速度确定模块610可以通过在表征水轮机转速、流量、水头和水轮机效率之间的关系的查找表中搜索相应的转速，而基于功率命令P_ord和水头Hy来确定水轮机的初始转速n₀'。因此，初始转速n₀'可以被提供给转速确定模块620，转速确定模块620将基于如本文中描述的操作水轮机的解决方案来执行用于转速调节的转速确定。转速确定模块620的示例将参考图7描述，并且因此在此处将被简化。所确定的转速可以被提供给水轮机和调节器630，调节器将控制水轮机基于从同步电机640馈送的转子角速度wm和电功率值Pe以角速度wref(角速度wref由乘法器670根据n_ref和表示角速度参考值w_ref与水轮机的转速之间的比例关系的因子k1来确定)、命令功率P_ord(作为参考功率)进行操作。水轮机还驱动同步机以功率Pm和电压V_ref进行操作。参考电压V_ref从角速度w_ref和另一乘法器680的另一因子k2来获取，该另一因子k2表示电压与角速度参考值w_ref之间的比例关系。同步电机还向AC电网系统650生成电力，并且将转子角速度wm和电功率值Pe反馈给水轮机和调节器630。应当注意，用于水轮机的变速操作的解决方案可以采用任何现有的变速运行解决方案，例如在“背景技术”中描述的任何一种。

在下文中，为了说明的目的，将参考图7，图7示意性地示出了根据本公开的实施例的转速确定模块620的框图。如图7所示，转速确定模块620主要包括调节量确定模块622、加法器624和扰动方向确定模块626。调节量确定模块622被配置为基于输入dn*和来自扰动方向确定模块626的输入dir向加法器624输出速度调节量d_nref。调节量确定模块622还被配置为向扰动方向确定模块626反馈转速的变化量d_n。加法器624被配置为将转速n₀与速度调节量d_nref相加以获取发给水轮机调节器的旋转参考n_ref。扰动方向确定模块626被配置为基于a_{0_new}和a_{0_old}确定开度角的变化量Δa₀，并且进一步确定导向叶片的开度角相对于速度调节量dn的变化率。扰动方向确定模块626还被配置为基于变化率来确定扰动方向或速度调节方向，如已经参考图1至6中的任何一个所述。

对于如图6所示的系统，建立仿真模型并且分别在图8A和8B中示出具有不同设置的情况1和情况2的仿真结果，其中η表示水轮机效率。对于情况1和情况2，VSC的实际功率作为常量被设置为0.5每单位(pu)(由具有常量P和Q的动态负载模块来仿真)。水轮机转速最初设置为1pu。初始扰动方向被设置以增加转速。n_ref的斜率被设置为0.02％pu/秒。为了避免在扰动期间的水锤作用，扰动的步长Tn被设置为小于观测斜坡时间Ta。对于如图8A所示的情况1，Tn＝25s，Ta＝50s并且扰动步长为Δn＝0.005；对于情况2，Tn＝0.05s，Ta＝50s并且扰动步长为Δn＝1e-5。

从图8A和图8B中可以看出，较小的Δn实现了最大效率的平滑近似；然而，Tn、Ta和Δn的确定是个案问题，其与水轮机、压力管道以及发电机参数高度相关。还可以观察到，在操作开始时，速度参考值n_ref正在增加。由于扰动方向错误，闸门开口a₀增加，这表示相同的电力负载需要更多的水量，即效率较低。在一个观测采样时间之后，这个错误的扰动方向被纠正。在大约t＝700s时，达到最大效率点，并且水轮机转速n在最大效率点附近徘徊。

因此，可以看出，如本文中描述的解决方案可以实时地跟踪在给定的功率命令和水头下的最大效率操作点，并且因此运行期间的水轮机的效率增加，并且可以以低成本获取附加的益处。

图9进一步示意性地示出了根据本公开的实施例的用于操作水轮机的系统900。如图9所示，系统900可以包括一个或多个处理器901、耦合到至少一个处理器901的存储器902和存储在存储器902中的一组程序指令903。程序指令903可以由至少一个处理器可执行以致使该系统：获取针对水轮机的速度调节量和流量的相应变化，其中水轮机的转速基于速度调节量来调节；基于速度调节量和流量的相应变化来确定流量相对于速度调节量的变化率；以及基于变化率来确定进一步调节转速的调节方式。

在本公开的一个实施例中，获取流量的相应变化可以包括获取水轮机的导向叶片的开度角的变化，并且其中确定流量相对于速度调节量的变化率包括：确定导向叶片的开度角相对于速度调节量的变化率。

在本公开的另一实施例中，确定调节方式还可以包括以下任何一项或多项：响应于变化率具有正值，将调节方式确定为减小水轮机的转速；以及响应于变化率具有负值，将调节方式确定为增加水轮机的转速。

在本公开的另一实施例中，系统1000可以被进一步致使将水轮机的命令功率与绝对最大效率点处的功率进行比较。在这种情况下，确定调节方式还可以基于比较的结果。

在本公开的实施例中，确定调节方式可以包括以下任何一项或多项：响应于变化率具有正值并且结果表明命令功率低于或等于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为减小水轮机的转速；响应于变化率具有负值并且结果表明命令功率低于或等于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为增加水轮机的转速；响应于变化率具有正值并且结果表明命令功率高于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为增加水轮机的转速；以及响应于变化率具有负值并且结果表明命令功率高于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为减小水轮机的转速。

在本公开的另一实施例中，系统900还可以被致使：确定变化率是否落入具有上限和下限的预定区域内；以及如果变化率落入该预定区域内，则终止对转速的调节。

在本公开的另一实施例中，系统900还可以被致使：基于变化率来改变速度调节量的值。

在本公开的另一实施例中，系统900还可以被致使：基于水轮机的命令功率、水头以及查找表来确定水轮机的初始转速，所述查找表表征水轮机转速、流量、水头和水轮机效率之间的关系；其中调节水轮机的转速最初从初始转速开始执行。

图10示意性地示出了根据本公开的实施例的用于操作水轮机的装置1000的框图。如图10所示，装置1000可以包括信息获取模块1001、变化率确定模块1002和调节确定模块1003。信息获取模块1001可以被配置为获取针对水轮机的速度调节量和流量的相应变化，其中水轮机的转速基于速度调节量来调节。变化率确定模块1002可以被配置为基于速度调节量和流量的相应变化来确定流量相对于速度调节量的变化率。调节确定模块1003可以被配置为基于变化率来确定进一步调节转速的调节方式。

在本发明的一个实施例中，信息获取模块1001还可以被配置为获取水轮机的导向叶片的开度角的变化，变化率确定模块还被配置为：确定导向叶片的开度角相对于速度调节量的变化率。

在本公开的另一实施例中，调节确定模块1003还可以被配置为：响应于变化率具有正值，将调节方式确定为减小水轮机的转速；以及响应于变化率具有负值，将调节方式确定为增加水轮机的转速。

在本公开的另外的实施例中，装置1000还可以包括功率比较模块1004，功率比较模块1004可以被配置为将水轮机的命令功率与绝对最大效率点处的功率进行比较。调节确定模块1003还被配置为基于比较的结果来确定调节方式。

在本公开的又一实施例中，调节确定模块1003还被配置为通过以下任何一项或多项确定调节方式：响应于变化率具有正值并且结果表明命令功率低于或等于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为减小水轮机的转速；响应于变化率具有负值并且结果表明命令功率低于或等于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为增加水轮机的转速；响应于变化率具有正值并且结果表明命令功率高于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为增加水轮机的转速；以及将调节方式确定为响应于变化率具有负值并且结果表明命令功率高于绝对最大效率点处的功率，将调节方式确定为减小水轮机的转速。

在本公开的另一实施例中，系统1000还可以包括变化率监测模块1005，其被配置为确定变化率是否落入具有上限和下限的预定区域内，以及调节终止确定模块1006被配置为在变化率落入预定区域内的情况下终止转速的调节。

在本公开的又一实施例中，装置1000还可以包括速度调节量改变模块1007，其被配置为基于变化率来改变速度调节量的值。

在本公开的又一实施例中，装置1000还可以包括初始速度确定模块1008。初始速度确定模块1008可以被配置为基于水轮机的命令功率、水头以及查找表来确定水轮机的初始转速，查找表表征水轮机转速、流量、水头和水轮机效率之间的关系。在这种情况下，水轮机的转速的调节能够从初始转速开始执行。

在本发明的又一实施例中，该装置还可以包括速度调节模块1009，其被配置为以所确定的调节方式调节水轮机的转速。

应当理解，参考附图描述了本公开的具体实施例；然而，它们仅是出于说明的目的而给出的，并且本公开不限于此。例如，虽然解决方案可以由与水轮机调节器不同的单独处理器来执行，但也可以将单独的处理器的功能组合到水轮机调节器内以控制水轮机的操作。

本领域的技术人员还可以理解，本文中提供的解决方案可以采取硬件实施例，软件实施例(包括固件，常驻软件，微代码等)的形式或者组合软件和硬件的实施例方面。也就是说，调节量和流量变化获取、相对变化率确定以及调节方式确定可以通过电子元件或设备，存储在存储设备中的软件或电子设备和软件的组合来实现，例如通过微处理器，数字信号处理器，简单的芯片机，以及合适的程序等。

以上，参考附图通过实施例详细描述了本公开的实施例。应当理解，虽然本说明书包含很多具体的实现细节，但这些细节不应当被解释为对任何发明或可能要求保护的内容的范围的限制，而是作为对可能特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管上文可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此要求保护，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可以从该组合中删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变化。

当结合附图阅读时，鉴于前面的描述，对于本公开的前述示例性实施例的各种修改、调节对于相关领域的技术人员来说可以变得很清楚。任何和所有修改仍将落入本公开的非限制性和示例性实施例的范围内。此外，对于受益于前述说明书和相关附图中呈现的教导的本公开的这些实施例所属领域的技术人员而言，本文中阐述的公开内容的其他实施例将变得很清楚。

因此，应当理解，本公开的实施例不限于所公开的具体实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。虽然本文中使用特定的术语，但它们仅用于一般和描述性的意义，而不是为了限制的目的。

Claims (22)

1.一种在给定的命令功率和水头下跟踪水轮机的最大效率操作点的方法(100，300)，包括：

获取(110，310)针对所述水轮机的速度调节量和流量的相应变化，其中所述水轮机的转速基于所述速度调节量来调节；

基于所述速度调节量和所述流量的相应变化来确定(120，320)所述流量相对于所述速度调节量的变化率；以及

基于所述变化率来确定(130，330)进一步调节所述转速的调节方式，其中响应于所述变化率具有正值，将所述调节方式确定为减小所述水轮机的转速，并且响应于所述变化率具有负值，将所述调节方式确定为增加所述水轮机的转速。

2.根据权利要求1所述的方法(100，300)，

其中获取流量的相应变化包括：获取所述水轮机的导向叶片的开度角的变化，以及

其中确定流量相对于所述速度调节量的变化率包括：确定(530)所述导向叶片的开度角相对于所述速度调节量的变化率。

3.根据权利要求1或2所述的方法(100，300)，进一步包括：

将所述水轮机的命令功率与在绝对最大效率点处的功率进行比较(325)；

其中确定调节方式进一步基于所述比较的结果(330)。

4.根据权利要求3所述的方法(100，300)，其中确定调节方式包括以下任何一项或多项：

响应于所述变化率具有正值并且所述结果表明所述命令功率低于或等于在所述绝对最大效率点处的功率，将所述调节方式确定为减小所述水轮机的转速；以及

响应于所述变化率具有负值并且所述结果表明所述命令功率低于或等于在所述绝对最大效率点处的功率，将所述调节方式确定为增加所述水轮机的转速；

响应于所述变化率具有正值并且所述结果表明所述命令功率高于在所述绝对最大效率点处的功率，将所述调节方式确定为增加所述水轮机的转速；以及

响应于所述变化率具有负值并且所述结果表明所述命令功率高于在所述绝对最大效率点处的功率，将所述调节方式确定为减小所述水轮机的转速。

5.根据权利要求1或2或4所述的方法(100，300)，进一步包括：

确定(340)所述变化率是否落入具有上限和下限的预定区域内；以及

如果所述变化率落入所述预定区域内，则终止(350)对所述转速的调节。

6.根据权利要求1或2或4所述的方法(100，300)，进一步包括：

基于所述变化率来改变(360)所述速度调节量的值。

7.根据权利要求1或2或4所述的方法(100，300)，进一步包括：

基于针对所述水轮机的命令功率、水头以及查找表来确定(305)所述水轮机的初始转速，所述查找表表征水轮机转速、流量、水头和水轮机效率之间的关系；

其中所述调节所述水轮机的转速最初从所述初始转速开始执行。

8.根据权利要求1或2或4所述的方法(100，300)，进一步包括：

以确定的所述调节方式调节所述水轮机的转速。

9.一种在给定的命令功率和水头下跟踪水轮机的最大效率操作点的系统(900)，包括：

一个或多个处理器(901)；

耦合到所述处理器(901)中的至少一个处理器的存储器(902)；以及

一组程序指令(903)，所述一组程序指令被存储在所述存储器(902)中，并且可由所述处理器(901)中的至少一个处理器(901)执行以致使所述系统(900)进行以下操作：

获取针对所述水轮机的速度调节量和流量的相应变化，其中所述水轮机的转速基于所述速度调节量来调节；

基于所述速度调节量和所述流量的相应变化来确定所述流量相对于所述速度调节量的变化率；以及

基于所述变化率来确定进一步调节所述转速的调节方式，其中响应于所述变化率具有正值，将所述调节方式确定为减小所述水轮机的转速，并且响应于所述变化率具有负值，将所述调节方式确定为增加所述水轮机的转速。

10.根据权利要求9所述的系统(900)，其中获取流量的相应变化包括：获取所述水轮机的导向叶片的开度角的变化，以及

其中确定流量相对于所述速度调节量的变化率包括：确定所述导向叶片的开度角相对于所述速度调节量的变化率。

11.根据权利要求9或10所述的系统(900)，其中所述系统(900)进一步被致使：

将所述水轮机的命令功率与在绝对最大效率点处的功率进行比较；

其中确定调节方式进一步基于所述比较的结果。

12.根据权利要求11所述的系统(900)，其中确定调节方式包括以下任何一项或多项：

响应于所述变化率具有正值并且所述结果表明所述命令功率低于或等于所述绝对最大效率点处的功率，将所述调节方式确定为减小所述水轮机的转速；以及

响应于所述变化率具有负值并且所述结果表明所述命令功率低于或等于在所述绝对最大效率点处的功率，将所述调节方式确定为增加所述水轮机的转速；

响应于所述变化率具有正值并且所述结果表明所述命令功率高于在所述绝对最大效率点处的功率，将所述调节方式确定为增加所述水轮机的转速；以及

响应于所述变化率具有负值并且所述结果表明所述命令功率高于所述绝对最大效率点处的功率，将所述调节方式确定为减小所述水轮机的转速。

13.根据权利要求9或10或12所述的系统(900)，其中所述系统(900)进一步被致使：

确定所述变化率是否落入具有上限和下限的预定区域内；以及

如果所述变化率落入所述预定区域内，则终止对所述转速的调节。

14.根据权利要求9或10或12所述的系统(900)，其中所述系统(900)进一步被致使：

基于所述变化率来改变所述速度调节量的值。

15.根据权利要求9或10或12所述的系统(900)，其中所述系统(900)进一步被致使：

基于针对所述水轮机的命令功率、水头以及查找表来确定所述水轮机的初始转速，所述查找表表征水轮机转速、流量、水头和水轮机效率之间的关系；

其中所述调节所述水轮机的转速最初从所述初始转速开始执行。

16.根据权利要求9或10或12所述的系统(900)，其中所述系统(900)进一步被配置为以确定的所述调节方式调节所述水轮机的转速。

17.一种在给定的命令功率和水头下跟踪水轮机的最大效率操作点的装置(1000)，包括：

信息获取模块(1001)，被配置为获取针对所述水轮机的速度调节量和流量的相应变化，其中所述水轮机的转速基于所述速度调节量来调节；

变化率确定模块(1002)，被配置为基于所述速度调节量和所述流量的相应变化来确定所述流量相对于所述速度调节量的变化率；以及

调节确定模块(1003)，被配置为基于所述变化率来确定进一步调节所述转速的调节方式，其中响应于所述变化率具有正值，将所述调节方式确定为减小所述水轮机的转速，并且响应于所述变化率具有负值，将所述调节方式确定为增加所述水轮机的转速。

18.根据权利要求17所述的装置(1000)，其中所述信息获取模块(1001)能够进一步被配置为获取所述水轮机的导向叶片的开度角的变化，以及

其中所述变化率确定模块(1002)进一步被配置为：确定导向叶片的开度角相对于所述速度调节量的变化率。

19.根据权利要求17或18所述的装置(1000)，进一步包括：

功率比较模块(1004)，被配置为将所述水轮机的命令功率与在绝对最大效率点处的功率进行比较；

其中所述调节确定模块(1003)进一步被配置为基于所述比较的结果来确定所述调节方式。

20.根据权利要求17或18所述的装置(1000)，进一步包括：

速度调节量改变模块(1007)，被配置为基于所述变化率来改变所述速度调节量的值。

21.根据权利要求17或18所述的装置(1000)，进一步包括：

初始速度确定模块(1008)，被配置为基于针对所述水轮机的命令功率、水头以及查找表来确定所述水轮机的初始转速，所述查找表表征水轮机转速、流量、水头和水轮机效率之间的关系；

其中所述调节所述水轮机的转速最初从所述初始转速开始执行。

22.根据权利要求17或18所述的装置(1000)，进一步包括：

速度调节模块(1009)，被配置为以确定的所述调节方式调节所述水轮机的转速。