CN110291288B - 稳定涡轮模式中的液压机器的旋转速度的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于稳定具有S特性且包括分配器(9)的液压机器的旋转速度的该方法适于变更水流，使得机器可耦合到电网。方法包括如下步骤：计算分配器(9)的定向；以及根据计算的定向来使分配器定向。方法还包括向机器提供电转矩以便达到目标速度的步骤。

Description

稳定涡轮模式中的液压机器的旋转速度的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于稳定带有S特性的液压机器的旋转速度的方法。带有S特性的典型液压机器为具有在涡轮操作区域中显示出S形特性的泵-涡轮的水电设备。本发明还涉及一种用于将液压能转换成电能的装置或设备，其中可实现该方法。
背景技术
在处于涡轮模式中的泵-涡轮的启动期间，必须稳定机器的旋转速度，使得机器可耦合到电网。耦合典型地通过闭合主电路断路器来实现。理想地，机器的旋转速度与电网频率同步。此外，引导泵-涡轮以便作用在空载操作点处，在该空载操作点处由水流对转轮施加的液压转矩为零。
因为“S区”的存在，可难以达到旋转速度稳定。“S区”为表示对于若干等开度(例如，水力涡轮的引导静叶的位置)的机器的相对于单位旋转速度的单位转矩的图中的区。在该类图上，可看到的是，关于单位旋转速度绘制的单位转矩的等开度曲线可为“S形”，由此指示空载操作点是不稳定的。“S区”限定为曲线的斜率反向处的所有操作点。这意味着机器的旋转速度相对于标称速度操作点的略微变化导致对泵-涡轮的转轮施加的转矩的显著增加。这显著地增加或降低机器的旋转速度。在这些情况下，不可能利用常规的比例积分微分(PID)回路来稳定液压机器的旋转速度。
普遍认为，S区是由于机器的液压部分的形状造成的。相应地，提出了完全重新设计机器的液压部分，诸如转轮或引导静叶。特别地，机器的液压部分重新设计成避免在处于涡轮模式中的泵-涡轮的操作范围内存在S区。机器的操作范围对应于将并入机器的装置的最小总水头与最大总水头之间的间隔。然而，该解决方案实施非常昂贵且可降低泵-涡轮的性能。
另一种解决方案在于，使泵-涡轮配备有不同步的引导静叶。这意味着一些引导静叶可独立于其它引导静叶定向。结果，在机器启动时，引导静叶中的一些比其它开放得更多，这暂时地变更(modify)机器特性。这避免在将机器耦合到电网之前在机器的操作范围内存在S区。不过，该解决方案生成不需要的振动，振动具有对机器的行为的负面影响。
公开号为EP 2 818 692 A1的欧洲专利申请公开了一种其中将泵-涡轮的旋转速度与可选的旋转速度比较的系统。该系统布置成使引导静叶定向，使得实际旋转速度变更成对应于最佳旋转速度。然而，EP 2 818 692 A1的系统不能够将定子绕组直接地连接到电网以便在发电模式中向电网提供功率或在泵模式中从电网存储功率。
在现有技术中描述了用于稳定液压机器的旋转速度的另外的方法。方法包括使用具有引导静叶控制器的控制回路反馈系统，该引导静叶控制器根据液压机器的旋转速度与目标旋转速度之间的速度差来调节引导静叶的定向。此类方法使用迭代方法来用于连续生成调节参数，以稳定旋转速度。可参照WO 2016/087458，其公开了此类方法。
还可参照WO 2016/016149，其中引导静叶的开度通过取决于目标旋转速度与实际旋转速度之间的速度差计算对于引导静叶的设定点开度来调整。计算还取决于净水头条件(通过计算目标净水头与实际净水头之间的高度差)。
WO 2016/087458和WO 2016/016149中公开的方法允许减小由于S特性造成的速度振荡的幅度。
发明内容
因此，本发明意在通过提出一种方法和设备来解决与现有技术相关联的问题，以在机器的整个运行范围内稳定机器的旋转速度。本发明布置成一旦实现稳定就将机器连接到电网。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于稳定带有S特性的液压机器的旋转速度的方法。方法优选地适合于将机器耦合到电网。机器优选地包括适于变更水流的分配器。方法优选地包括如下步骤：计算分配器的定向和/或根据计算的定向来使分配器定向。
根据本发明的一个特征，方法还可包括向机器提供电转矩以便达到速度目标的步骤。
相应地，由于本发明，可向机器提供正或负的电转矩(即，马达转矩或制动转矩)，以便增加或减小机器的旋转速度，以达到速度目标。
根据本发明的另一个特征，电转矩优选地使用具有控制回路的控制回路反馈系统来提供，该控制回路包括电功率源和优选的控制器，该控制器用于控制电功率源，以便减小机器的测量的旋转速度与目标旋转速度之间的速度差。
在一个优选实施例中，电功率可使用连接到电网和交流发电机的可变频率的驱动器来提供。可变频率的驱动器可为静态频率转换器。静态频率转换器可为电压源逆变器或电流源逆变器。
在本发明的一个实施例中，电功率可使用连接到交流发电机的电池来提供。优选地，电功率可通过功率转换DC/AC单元来提供。
另外，电功率可使用可变频率的驱动器来提供，该驱动器连接到电网(其可为上文提及的相同电网或不同电网)且可连接到交流发电机和连接到交流发电机的电池。
根据本发明的另一个优选特征，控制回路反馈系统提供其中通过使引导静叶定向来减小速度差的粗调节以及其中通过向机器提供电转矩来减小速度差的精细调节。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于将液压能转换成电能的装置。装置优选地包括液压机器，其带有接收液压能且适于变更水流的分配器。机器优选地包括转子，其意在通过液压能在操作中旋转，且还可包括控制回路反馈系统，其包括用于计算分配器的定向和用于根据计算的定向来使分配器定向的控制器。装置还可包括用于向转子提供电转矩以便达到目标速度的器件。
在一个实施例中，控制回路反馈系统可包括控制回路，其具有电功率源的和控制器，该控制器用于控制电功率源，以便减小机器的测量的旋转速度与目标旋转速度之间的所述速度差。
电功率源可包括可变频率的驱动器，其意在连接到电网和包括所述转子的交流发电机。
在一个优选实施例中，所述电功率源可包括电池，其意在连接到包括所述转子的交流发电机。
在一个实施例中，电功率源可包括可变频率的驱动器，其意在连接到电网，且优选地连接到包括所述转子的交流发电机和意在连接到交流发电机的电池。
根据本发明的另一个方面，提供了一种稳定液压机器的旋转速度的方法。优选地，机器在涡轮模式中，且机器可具有S特性。机器可包括适于变更水流的分配器。方法可包括如下步骤中的一个或多个：(i)计算液压机器的旋转速度与目标旋转速度之间的速度差；(ii)根据定向来使分配器定向；以及(iii)对应于速度差，向机器施加电转矩。有利地，电转矩稳定液压机器的旋转速度，使得它可耦合到电网。
优选地，将液压机器耦合到电网的步骤可包括断开电转矩电路断路器，该电转矩电路断路器可位于电转矩的源与机器之间。将液压机器耦合到电网的步骤可包括闭合电网电路断路器，该电网电路断路器可位于机器与电网之间。
可处理速度差，以计算分配器的定向。
方法可包括处理速度差以及输出可对应于速度差的定向控制设定点。优选地，定向控制设定点可由促动器接收，以使分配器定向。
速度差可由控制设备处理，该控制设备可包括电转矩控制器。电转矩可由电功率源提供，以减小速度差。电功率源可由电网供能和/或连接到电网，电网可为机器可耦合到的相同电网或备选电网。
电转矩的源可为可变频率的驱动器。电转矩可由电池提供，该电池可与可变频率的驱动器和或电功率源组合。
根据定向来使分配器定向的步骤可提供其中部分地实现稳定的粗调节。优选地，向机器施加电转矩可提供其中完成稳定的精细调节。这样，粗调节可实现稳定的较大部分，且精细调节可完成稳定。
根据本发明的另外的方面，提供了一种用于将液压能转换成电能的系统。系统优选地包括以下中的一个或多个：(i)液压机器，其优选地包括适于变更水流的分配器，且优选地包括在使用中通过液压能旋转的转子；(ii)第一控制回路，其优选地布置成计算分配器的定向，且可根据计算的定向来使分配器定向；以及(iii)第二控制回路，其用于向转子提供电转矩，以便达到目标旋转速度。
系统还可包括控制设备，其布置成输出定向设定点。控制设备可布置成处理液压机器的旋转速度与目标旋转速度之间的速度差。
第一控制回路优选地包括促动器，其布置成使分配器定向。促动器优选地布置成根据对应于分配器的最佳定向的定向来使分配器定向。
优选地，第二控制回路可包括电功率源，其布置成向机器提供电转矩，以减小速度差。系统优选地包括可位于电功率源与机器之间的电源电路断路器。
系统可包括可位于机器与电网之间的电网电路断路器。
优选地，电功率源包括可变频率的驱动器，且可连接到电网。电功率源可包括电池。
优选地，控制设备可布置成输出电转矩设定点。电转矩设定点可具有在设定点阈值之上的值。这具有耦合点(即，在该处机器稳定且可耦合到电网的点)在“S区”外的优点。
控制设备可包括一个或多个控制器。例如，控制设备可包括单个控制器，以处理液压机器的旋转速度与目标旋转速度之间的速度差；输出定向设定点；和/或电转矩设定点。
备选地，这些功能可由第一控制器和第二控制器执行。第一控制器或定向设定点控制器优选地布置成输出定向设定点。第一控制回路可包括第一控制器，使得它可形成第一控制回路的部分。第二控制器或电转矩设定点控制器可布置成输出电转矩设定点。第二控制回路可包括第二控制器，使得它可形成第二控制回路的部分。
要了解的是，如对技术人员将容易显而易见的，可容易组合本发明的上文的方面或实施例中的任一个的方面、实施例和特征中的一个或多个。此外，前述优点可涉及多于本发明的方面。
附图说明
考虑到以下附图，根据以下描述(其仅作为示例给出)，其它特征和优点将变得显而易见，在附图中：
-图1是包括泵-涡轮的用于将液压能转换成电能的装置的示意性截面；
-图2是表示图1的装置的泵-涡轮在涡轮模式中的特性的图；
-图3是表示在图1的装置的泵-涡轮的涡轮模式中关于时间绘制的机器的旋转速度的图；
-图4是示出根据本发明的方法的控制方案，其意在稳定属于图1的装置的泵-涡轮的旋转速度；
-图5是示出可变频率的驱动器单元以及存在于它、电网与泵-涡轮之间的功率连接的示意图；以及
-图6是示出包括电池、DC/AC功率转换单元以及存在于它们、电网与泵-涡轮之间的连接的本发明的另一个实施例的示意图。
具体实施方式
首先参照图1，其表示用于将液压能转换成电能的装置1。装置1包括服从S特性的液压机器。在本文中描述的示例中，液压机器为泵-涡轮2，其在涡轮模式中使用液压能来使轴3处于旋转中。轴3耦合到具有交流发电机的发生器的转子，该交流发电机将旋转转子的机械能转换成电能。
下文描述泵-涡轮2在涡轮模式中的运行。泵-涡轮2包括由混凝土块5、6支承的蜗壳4。例如，未表示的压力管在未表示的上游储器与蜗壳4之间延伸。该压力管生成强制水流F来向机器2供能。
机器2包括耦合到轴3的转轮7，其由蜗壳4包绕，且包括叶片8，水在操作条件下在叶片8之间流动。结果，转轮7围绕轴3的轴线X-X'旋转。
分配器围绕转轮7布置。它包括围绕转轮7均匀分配的多个可移动的引导静叶9。预分配器设置在分配器的上游且围绕分配器设置。预分配器由围绕转轮7的旋转轴线X-X'均匀分配的多个固定静叶10形成。
抽吸管道11设置在转轮7下方，且适于在下游排空水。
分配器的引导静叶9各自具有围绕平行于转轮7的旋转轴线X-X'的轴线的可调整的节距。因此，引导静叶9可回转以调节水流率。引导静叶9全都以相对于闭合位置的相同角度定向。
现在参照图2和图3，其示出了表示关于参数N11绘制的参数T11(图2)和关于时间绘制的旋转速度N(图3)的曲线，参数T11对应于向转轮7施加的液压转矩，参数N11对应于机器2在引导静叶9的给定开度下的旋转速度。
参照图2，关于参数N11(参数N11取决于旋转速度)绘制的参数T11(参数T11取决于液压转矩)的等开度曲线显示出S部分，其中曲线具有正斜率，对于该正斜率，参数N11的略微增加导致参数T11的显著增加。
换句话说，旋转速度的略微变化导致向机器2施加的转矩的显著增加。如将了解的，机器旋转速度的稳定难以在这些条件下实现(图3)。
如图4中示出的，根据本发明的用于稳定液压机器的旋转速度的方法借助于控制回路反馈系统20来实现。控制回路反馈系统20包括第一控制回路22，其包括引导静叶控制器23，引导静叶控制器23将液压机器的旋转速度N与目标旋转速度N_sp之间的速度差ε作为输入。第一控制回路22还包括引导静叶促动器24。
第一控制器23处理速度差ε且将定向控制设定点γ_sp输出到引导静叶促动器24。定向控制设定点γ_sp对应于稳定液压机器的最佳引导静叶定向γ。引导静叶促动器24根据最佳定向γ来使引导静叶定向。
例如，涡轮2的旋转速度可通过测量耦合到轴3的发生器的频率来确定。
例如，引导静叶控制器23可为比例积分微分控制器(PID)。
另外，控制回路反馈系统20包括第二控制回路25，其包括电转矩控制器26，电转矩控制器26将液压机器的旋转速度N与目标旋转速度N_sp之间的速度差ε作为输入来输出电转矩设定点Telec_sp。控制回路反馈系统20还包括电功率源27，其相应地影响向转子提供的电转矩Telec。
在本发明的另外的实施例中，单个主控制器配置成执行引导静叶控制器23和电转矩控制器26中的一个或两个的功能。
电转矩设定点由控制器26计算，以加速或减速机器旋转速度来减小或消除速度差ε。
在一个实施例中，第二控制器26为可变频率的驱动器控制器，例如静态频率转换器(SFC)控制器。
因此，第二控制回路25包括可变频率的驱动器，例如静态频率转换器。静态频率转换器可为电压源逆变器或电流源逆变器。可变频率的驱动器连接到配电网且由可变频率的驱动器控制器26控制，以向发生器提供正或负的电转矩。
如先前指示的，可变频率的驱动器可包括静态频率转换器(SFC)，且包括连接到电网以产生直流的整流器级和用于电压和频率转换的逆变器级。
图5示出了本发明的实施例，其中可变频率的驱动器27向泵-涡轮机器2提供电转矩。电路断路器28将可变频率的驱动器27与机器2联结。当电路断路器28在闭合位置中时，可变频率的驱动器27向机器2提供电转矩。同时，位于机器2与电网34之间的主电路断路器30在断开位置中。可变频率的驱动器(VFD)27经由AC变压器33和VFD电缆32由电网34供能。
一旦机器2的旋转速度稳定，主电路断路器30的每侧上的频率均衡。一旦实现了均衡，机器2到电网34的连接通过闭合主电路断路器30和断开电路断路器28来执行。然后，在发电操作中，功率通过电网线31直接地向电网34提供。
可变频率的驱动器27可包括使用二极管的开关单元和作用为开关的晶体管或晶闸管，其可由VFD控制器26控制，以产生期望的电转矩。
图6示出了向机器2提供电转矩的备选方式。图6中找到的相同特征保留图5的参考标号。
在该备选实施例中，使用电池35来代替可变频率的驱动器27。DC/AC转换单元36经由电路断路器28向机器2提供电池35的电功率。当电池35向机器2提供电池35的电功率时，电路断路器28在闭合位置中且主电路断路器30在断开位置中。
一旦泵-涡轮2的速度稳定，主电路断路器30的每侧上的频率相等。这使机器2能够连接到电网34，该连接通过闭合主电路断路器30和断开电路断路器28来实现。然后，在发电操作中，功率通过电网线31和AC变压器33直接地向电网34提供。
根据本发明的另一个实施例，电功率源包括连接到机器2的发生器的电池35，其中电池35布置成由电网34充电。
例如，电池35可包括内部控制级，其连接到控制器26，以便向机器2的发生器提供正或负的电转矩，以将机器2的旋转速度调整到目标速度值。
根据本发明的另一个实施例，第二控制回路25包括由VFD控制器调节的可变频率的驱动器和由电池控制器调节的电池。电池和电池控制器并联连接到可变频率的驱动器，以向机器2的发生器提供电转矩来调整机器2的旋转速度。
应了解的是，本发明可提供其中通过第一控制回路来减小速度差的第一粗调节以及其中通过第二控制回路25来减小速度差ε的精细调节，本发明包括控制回路反馈系统，其包括(i)：第一回路，在一些实施例中，带有涡轮速度负载调节器(TSLG)控制器，该控制器用来输出开度值以影响引导静叶；以及(ii)第二控制回路，其具有电功率源，该电功率源向机器的发生器提供电转矩。
例如，第一控制回路可用来将机器2的旋转速度调节到期望值左右，且第二回路用来动态地补偿速度误差。
例如，100%的功率可由液压转矩提供，而对应于误差范围的10%的功率可由额外的电转矩源提供。
根据本发明的另外的实施例，控制器26提供电设定点Telec_sp，其保持在设定点阈值Telec_threshold之上。这导致向机器2施加的电反转矩超过设定的反转矩阈值。
为抵消设定点阈值Telec_threshold，通过引导静叶促动器24向涡轮7提供正的液压转矩。为了使速度差ε变得可忽略且使速度的稳定发生，控制器23可为经典的PID，其经由引导静叶促动器24来使引导静叶9定向。相应地，控制器23提供对应的命令γ_sp来稳定机器的速度。
通过向机器2施加设定点阈值Telec_threshold之上的电设定点Telec_sp和对应的反转矩，耦合操作点位于涡轮特性的“S区”外的液压涡轮7的自然稳定区中。
如在图2中可看到的，T11/N11曲线的斜率在T11的某一阈值之上变为正的。选择阈值Telec_threshold以便将液压点移动到“S区”外。
前述实施例不意在相对于所附权利要求书的范围进行限制。此外，上文实施例中的一个或多个的特征可容易与另一个实施例的一个或多个特征组合。发明人还设想到，在不脱离如由权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可对本发明作出各种替换、改变和变更。

Claims (20)

1.一种用于稳定处于涡轮模式中的液压机器(2)的旋转速度的方法，所述方法用于将所述液压机器(2)耦合到电网，所述液压机器(2)包括适于变更水流的分配器，其中所述方法包括如下步骤：
计算所述液压机器(2)的旋转速度(N)与目标旋转速度(N_sp)之间的速度差(ε)；
处理所述速度差(ε)来计算所述分配器的定向(γ)，以及根据所述定向(γ)来使所述分配器定向；以及
由电转矩控制器(26)来处理所述速度差(ε)以输出电转矩(Telec)，且向所述液压机器(2)施加所述电转矩(Telec)；以及
将所述液压机器(2)耦合到所述电网(34)，包括断开在向所述液压机器(2)提供电转矩的电转矩源与所述液压机器(2)之间的电路断路器(28)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述液压机器(2)耦合到所述电网(34)的步骤包括闭合在所述液压机器(2)与所述电网(34)之间的电网电路断路器(30)。
3.根据权利要求1或权利要求2中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括处理所述速度差(ε)以及输出定向控制设定点(γ_sp)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述定向控制设定点(γ_sp)由促动器(24)接收，以使所述分配器定向。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电转矩(Telec)由电功率源提供，以减小所述速度差(ε)。
6.根据权利要求1或权利要求2中任一项所述的方法，其中所述电转矩(Telec)由连接的可变频率的驱动器来提供。
7.根据权利要求1或权利要求2中任一项所述的方法，其中所述电转矩(Telec)由电池提供。
8.根据权利要求5所述的方法，其中电功率源连接到电网。
9.根据权利要求1或权利要求2中任一项所述的方法，其特征在于，根据定向(γ)来使所述分配器定向提供其中部分地实现稳定的粗调节，且向所述液压机器(2)施加电转矩提供其中完成稳定的精细调节。
10.一种用于将液压能转换成电能的系统，所述系统包括：
液压机器(2)，其包括适于变更水流的分配器以及意在通过所述液压能在操作中旋转的转子；
第一控制回路(22)，其布置成计算所述分配器的定向且根据计算的定向来使所述分配器定向；以及
第二控制回路(25)，其用于向所述转子提供电转矩，以便达到目标旋转速度(N_sp)；以及
控制设备，其布置成处理所述液压机器(2)的旋转速度(N)与所述目标旋转速度(N_sp)之间的速度差(ε)，以输出定向设定点(γ_sp)，所述第二控制回路(25)包括电功率源，其布置成向所述液压机器(2)提供电转矩(Telec)，以减小所述速度差(ε)，电路断路器(28)包括在所述电功率源与所述液压机器(2)之间。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一控制回路(22)包括促动器(24)，其布置成使所述分配器定向。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统包括在所述液压机器(2)与电网(34)之间的电网电路断路器(30)。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述电功率源包括可变频率的驱动器。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述电功率源连接到电网(34)。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述电功率源包括电池。
16.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制设备包括电转矩控制器，以输出所述电转矩设定点(Telec_sp)。
17.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，电转矩控制器形成所述第二控制回路的部分。
18.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述电转矩设定点(Telec_sp)具有在设定点阈值(Telec_threshold)之上的值。
19.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制设备包括定向设定点控制器(23)，其布置成输出所述定向设定点(γ_sp)。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述定向设定点控制器形成所述第一控制回路(22)的部分。
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