CN110418888A - 在电网断开期间对水力机械的改进 - Google Patents

Abstract

用于将水力能转换成电能的设备，设有定速水力机械，该定速水力机械包括通过轴联结到发电机(20)的泵‑涡轮(2)。该设备还包括：电转矩致动器(34)，以与发电机(20)建立电路；电转矩致动器连接装置(35)，用于将发电机(20)连接到电转矩致动器；以及命令装置(29)，用于检测发电机(20)与电网的断开，并用于命令电转矩致动器连接装置(35)以将发电机(20)连接到电转矩致动器(34)。

Description

在电网断开期间对水力机械的改进

技术领域

本发明涉及一种水力机械的命令(command)的方法，并且更特别地涉及一种具有S特性的可逆水力机械的命令的方法。具有S特性的典型水力机械是具有可逆泵-涡轮的各种水力发电设备，其在涡轮操作区域中呈现S形特征。本发明还涉及一种用于将水力能转换成电能的设备，在其中可实现该方法。

背景技术

首先参看图1，其表示用于将水力能转换成电能的具有S特性的设备1，包括水力机械。在该实例中，该水力机械是泵-涡轮2，其在涡轮模式中使用水力能来使轴3处于旋转。轴3联接到具有交流发电机的发电机的转子，该交流发电机将旋转转子的机械能转换成电能。

在下文中，在涡轮模式中描述了泵-涡轮2的机能。泵-涡轮2包括由混凝土块5和6支承的蜗壳4。例如，未示出的压力水管在未示出的上游水库和蜗壳4之间延伸。该压力水管产生强制水流F以给机器2供能，所述水流释放到未示出的下游水库。

机器2包括联接到轴3的流道(runner)7，流道7由蜗壳4包围，并且包括叶片8，水在操作条件下在叶片8之间流动。结果，流道7围绕轴的轴线x-x'旋转。

分配器布置在流道7周围。其包括多个可动的导叶9，其均匀地分布在流道7周围。预分配器设置在分配器的上游和周围。预分配器由围绕流道7的旋转轴线x-x'均匀分布的多个固定导叶10形成。

抽吸管11设置在流道7下方，并适于排出下游的水。

分配器的可动导叶9各自具有围绕平行于流道7的旋转轴线x-x'的轴线的可调节节距。因此，它们可回转以调节水流速。在未示出的变型中，附加的水流调节装置可位于上游压力水管和蜗壳的入口的接合部处，或位于抽吸管11中。

在正常操作期间，通过叶片8的水流在流道7中，并且在通过轴3联结到流道的发电机的转子中产生旋转运动。发电机和交流发电机产生电能且联接到电网。

一旦其频率与电网的频率匹配，发电机中产生的电能可注入电网中。应注意，频率仅取决于转子的转速。

一旦产生的电能注入到电网中，则与叶片的旋转相反的转矩就会产生到转子中，作为与注入到电网中的电能相关的电动力的表达。该转矩实际上是制动转矩。

在将水力单元的操作模式转换成涡轮模式之后，水力单元达到稳定状态，在该稳定状态期间达到水力和电动力之间的平衡，意味着转子的稳定转速。

在水力单元与电网断开的情况下，连接发电机和电网的电路断开，即通过断路器或跳闸电气保护。然后电动力消失，导致失去平衡和转子速度增加，直到可动导叶9和/或水流调节装置关闭。同时，增加的转子速度导致涡轮上游的增加的压力和涡轮下游的降低的压力，后者可能导致真空形成。

水力单元的部分可尺寸化以缓解这种超速、过压和压降。然而，这种缓解导致单元的尺寸和成本增加。

日本专利公开第JP 2013 223324 A号公开了一种包括全馈送变速泵-涡轮的系统。在正常发电模式下操作的全馈送变速泵-涡轮产生交流电，该交流电通过AC到DC转换器转换成直流电。然后通过DC到AC转换器将直流电转换成交流电，并且将交流电馈送到电网中。该文献中描述的系统不能减少常规定速机器的超速，因为常规的定速机器在发电模式下没有连接到任何转换器级。

欧洲专利申请公开第EP 2 187 046 A2号公开了一种缓解风轮机中的超速的系统。该系统不适合与水轮机一起使用，因为其不导致水力回路中的过压或压降的必要降低。此外，典型的水力单元产生的功率超过风力单元的功率的百倍。

需要减小由于单元跳闸引起的超速、过压和压降，以降低水力单元和设备的成本和尺寸。

发明内容

因此，本发明提出了一种用于限制水力机械上的转速的方法。水力机械优选为定速水力机械。该方法可在操作模式的转换期间执行，优选在水力机械与电网断开之后执行。水力机械可包括联结的泵-涡轮；和优选地可通过轴联结到泵-涡轮的发电机。该机器可包括分配器，该分配器具有馈送(feeding)泵-涡轮的多个可动导叶。

该方法可包括以下步骤：

a)检测发电机与电网的断开；和/或

b)通过将电转矩致动器连接装置切换到导通状态将发电机连接到电转矩致动器。

为了检测发电机与电网的断开，可检测发电机的端子处的电压降。电压降可指示发电机与电网的断开，并且可通过电压传感器或与电流传感器串联连接的电阻器来测量。备选地或组合地，可接收信号，该信号与在发电机和电网之间的连接中的默认装置相关。该信号可指示发电机与电网的断开。

为了检测发电机与电网的断开，可从差动保护装置或从人工操作的开关接收控制信号。如果控制信号匹配预定值，则可确定发电机与电网的断开。

电转矩致动器可为变频驱动器或静态频率转换器，其可连接到发电机。

电转矩致动器可为连接到发电机的电池。

电转矩致动器可包括变频驱动器和电池，其中静态频率转换器和电池都连接到发电机。

该方法可包括从机器移除能量的步骤。能量可为可由冷却设备吸收的热量的形式。冷却设备是冷却的电阻器，并且可使用诸如水的传热流体来冷却电转矩致动器。备选地，或与冷却设备组合，过量的电能可重新吸收到电网能量中或存储在电池中。这些特征克服了EP 2 187 046 A2中公开的系统的至少一些不适合性。

本发明的另一方面是一种用于将水力能转换成电能的设备。该设备可包括定速水力机械，该定速水力机械包括通过轴联结到发电机的泵-涡轮。

该设备还可包括电转矩致动器以与发电机建立电路；和/或电转矩致动器连接装置，用于将发电机连接到电转矩致动器；和/或命令装置，用于检测发电机与电网的断开，以及用于命令电转矩致动器连接装置以将发电机连接到电转矩致动器。

电转矩致动器可包括连接到发电机的变频驱动器和/或可包括连接到发电机的电池。在电转矩致动器可包括变频驱动器和电池的实施例中，静态频率转换器和电池都可连接到发电机。

该设备可包括冷却设备，该冷却设备布置成从电转矩致动器吸收热量。优选地，传热流体(例如水)用于冷却电转矩致动器。

有利地，在发电机与电网断开的情况下，本发明降低了涡轮的速度，并且能量返回到电网或可存储在电池中。

附图说明

鉴于以下附图，其它特征和优点将从以下描述(仅通过举例的方式给出)中变得显而易见，在附图中：

- 图1是用于将水力能转换成电能的设备的示意横截面，其包括泵-涡轮；且

- 图2是用于限制包括在其中的水力机械的转速的水力设备的示意图。

具体实施方式

如图1所示的泵-涡轮2布置成在没有任何外部装置的情况下以涡轮模式启动。水力流F提供电动机转矩，该电动机转矩使得在没有外部动力的情况下泵-涡轮2的速度能够达到与电网30的频率匹配所需的同步速度，如图2中所示。在泵模式中，流不能提供该电动机转矩，并且变频驱动器用于为泵-涡轮2供能，并且将其速度斜升到同步速度。然后，电网30可直接地连接到泵-涡轮。

本发明布置成恢复转子中的电制动转矩，以便限制在操作模式转换期间的超速，如在从电网30断开期间，以及在导叶9和/或水流调节装置关闭之前。转子速度的限制直接影响泵-涡轮2上游的过压和下游的压降。

如上所述，发电机与电网30的断开导致开路，其中没有电流流动并且不存在电压降穿过发电机。恢复电制动转矩需要恢复与泵-涡轮2联结的发电机的定子中的电压降和电流。这通过建立具有电转矩致动器的电路来实现，该电转矩致动器能够承受通过连接到作为定速涡轮或任何定速水轮机操作的所述水力机械2产生的电流和电压降。断路器打开和/或闭合，以在紧急模式下在与电网30的常规连接和与电转矩致动器的连接之间切换。

在第一实施例中，电转矩致动器是用于以泵模式启动泵-涡轮2的变频驱动器。变频驱动器用于以泵模式启动水力机械，并且联结到若干发电机以允许连接到其上的水力机械的顺序启动并且降低设备的总体成本。因此，变频驱动器已经存在于泵-涡轮发电设备中并且已经连接到发电机。使用变频驱动器是有利的，因为不需要另外的部分或构件。其还可在电网仍然可用的情况下打开由抽水蓄能电站(PSPP)产生的电能的通往电网的二级路径，即便泵-涡轮的电网断开。

在第二实施例中，电转矩致动器可为电池或足够大小的电阻，例如电阻器。备选地，或与电阻组合，在电转矩致动器的操作期间产生的热可由冷却设备吸收。冷却设备可使用传热流体(如水)来冷却电转矩致动器。

现在参看图2，其示出了水力设备1，水力设备1包括用于限制包括在其中的水力机械2的转速的装置。

为简洁起见，图2不包括与水流有关的任何图。然而，本领域技术人员为了与水流及其控制有关的事项将参考图1和相关说明书。图1和图2之间的共同部分具有相同的参考标记。

设备1包括控制装置29，用于通过控制回路22控制泵-涡轮2，用于确定发电机20和电网30之间的连接状态并用于控制电网连接装置31。

控制回路22包括导叶控制器23，其将泵-涡轮的转速N_sp与目标转速Nc之间的速度差ε作为输入。控制回路22还包括导叶致动器24。导叶控制器23将定向控制信号γ_sp输出到导叶致动器24以相应地影响导叶9的定向γ。控制回路22还可命令另外的水流调节装置。

导叶控制器23例如可为比例积分微分控制器(PID)。

控制回路22布置成命令导叶9的打开，使得泵-涡轮2的转速N与目标转速Nc匹配。

联结到泵-涡轮2的发电机20通过电网连接装置31连接到电网30。

电阻器32和电流传感器33并联连接到发电机20，用于确定发电机20的端子处的电压降。备选地，电阻器32和电流传感器33可由电压传感器代替。

发电机20通过电转矩致动器连接装置35连接到电转矩致动器34。

电转矩致动器34通过一个端子连接到电转矩致动器连接装置35，第二端子连接在电网连接装置31和发电机20之间。

取决于从控制装置29接收的命令信号，电网连接装置31和电转矩致动器连接装置35可在导通状态和非导通状态之间切换。

控制装置29能够根据以下方法控制设备，以限制水力机械的转速。

用于限制水力机械2的转速的方法包括以下步骤。

在第一步骤，命令装置29通过测量发电机20的端子处的电压降来确定发电机20是否与电网30断开。如图2上所示，电压测量可直接通过电压传感器或与电流传感器33串联连接的电阻器32实现。备选地，命令装置29可接收与在发电机20和电网30之间的连接中的默认装置相关的信号，例如来自跳闸的差动保护装置的信号。

一旦已经确定发电机20与电网30断开，则该方法在第二步骤继续，在第二步骤期间电转矩致动器连接装置35切换到导通状态，闭合包括电转矩致动器34和发电机20的电路。这允许在发电机的端子处恢复电压降并且恢复发电机20中的电动制动力，以减慢泵-涡轮2。可选地，电网连接装置31切换到非导通状态，使电转矩致动器34和发电机20与电网30安全地绝缘。

本方法和设备适用于任何水力机械，包括具有S特性的水力机械。

前述的实施例并不意在关于所附权利要求书的范围进行限制。此外，一个或多个上述实施例的特征可容易地与另一个实施例的一个或多个特征组合。本发明人还预期，在不脱离由权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可对本发明进行各种替换、改变和修改。

Claims (12)

1.一种用于在水力机械与电网断开之后限制包括发电机的定速水力机械的转速的方法，所述方法包括以下步骤：

a)检测所述发电机(20)与所述电网(30)的断开；以及

b)通过将电转矩致动器连接装置(35)切换到导通状态，将所述发电机(20)连接到电转矩致动器(34)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发电机(20)的端子处的电压降指示所述发电机与所述电网(30)的断开。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电压降由电压传感器或与电流传感器串联连接的电阻器检测。

4.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，与在所述发电机(20)和所述电网(30)之间的连接中的默认装置相关的信号指示所述发电机(20)的断开。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，为了检测所述发电机(20)与所述电网(30)的断开，从差动保护装置或从人工操作的开关接收控制信号，并且如果所述控制信号与预定值匹配，则确定所述发电机(20)与所述电网(30)断开。

6.根据任一前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述电转矩致动器(25)包括连接到所述发电机的变频驱动器或静态频率转换器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电转矩致动器包括连接到所述发电机的电池。

8.根据从属于权利要求6的权利要求7所述的方法，其特征在于，所述静态频率转换器(25)和所述电池都连接到所述发电机。

9.一种用于将水力能转换成电能的设备，设有定速水力机械，所述水力机械包括通过轴联结到发电机(20)的泵-涡轮(2)，所述设备包括：

电转矩致动器(34)，以与所述发电机建立电路；

电转矩致动器连接装置(35)，用于将所述发电机(20)连接到所述电转矩致动器(34)；以及

命令装置(29)，用于检测所述发电机(20)与所述电网的断开，并用于命令所述电转矩致动器连接装置(35)以将所述发电机(20)连接到所述电转矩致动器(34)。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述电转矩致动器包括连接到所述发电机的静态频率转换器(25)。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的设备，其特征在于，所述电转矩致动器包括连接到所述发电机的电池。

12.根据从属于权利要求10的权利要求11所述的设备，其特征在于，所述静态频率转换器(25)和所述电池都连接到所述发电机(20)。