CN1261687C - 涡轮机和涡轮机用调速器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种即使在水轮启动时的同步控制阶段，运转点进入到了S形特性的第2部分那样的恶劣条件下，也能够进行调速器的旋转速度控制，能够使可以进行同步、并联的落差范围大幅度扩大到低落差侧的涡轮机。控制转子的旋转速度的调速器具有在进行规定落差以下的发电模式启动时，在使转子的旋转速度与系统频率同步的同步控制阶段，使上述旋转速度的控制系统中的微分运算元件的影响度与其他运算元件的影响度相比，处于支配地位的控制模式。

Description

涡轮机和涡轮机用调速器

技术领域

本发明涉及使用同一转子改变旋转方向地能够使泵、水轮双方运转的涡轮机。

背景技术

一般，使用同一转子切换方向地使泵和水轮运转的涡轮机的转子为了在泵运转时得到规定的升程，而设计得使离心泵的作用能够充分发挥。但是，该设计也给涡轮机的水轮运转带来了坏影响。被称为S形特性的特性表现得忽大忽小，并可以考虑难以完全回避它。特别在水轮运转启动时的同步控制阶段，为了将发电机平稳地并联到电力系统上，要在运转点不受S形特性的影响地启动水轮运转。

另外，本发明涉及在受S形特性的影响的运转点启动涡轮机的水轮运转，但是在现有技术中，还没有有关如上述那样，在不受S形特性的影响的运转点进行启动，同时在受到S形特性影响的运转点也启动水轮运转的涡流机的先行技术。

作为考虑了S形特性的涡轮机的水轮运转启动的技术，有本发明者提出的特愿2001-106613号“涡轮机”。

专利文献1：特愿2001-106613号。

如果要提高涡轮机的泵的性能，则要在S形特性的影响变大，且能够将发电机平稳地并联到电力系统的水轮运转启动时的运转点转移到高落差侧，则限制了能够启动涡轮机的落差。但是，即使要提高涡轮机的性能，也希望在S形特性的影响下运转点不被限制，另外，如果考虑运转的自由度，则希望在更低的落差侧能够稳定地启动涡轮机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在涡轮机的水轮启动时，在低落差下也不受S形特性的影响地使涡轮机的旋转数与系统频率数同步，能够将发电机平稳地并联到电力系统上的涡轮机。

另外，本发明的另一个目的在于提供一种通过解决因S形特性而不能使水轮运转侧同步的问题、不能并联的问题，而能够更加提高泵运转的性能的涡轮机。

为了达到上述目的，本发明使调速器具备在进行规定落差以下的发电模式启动时，在使转子的旋转速度与系统频率同步的同步控制阶段，使旋转速度的控制系统的微分演算元件的影响度与其他运算元件的影响度相比处于支配地位的控制模式。

另外，本发明使调速器具备在受S形特性影响的区域进行发电模式启动时，在使转子的旋转速度与系统频率同步的同步控制阶段，使旋转速度的控制系统的微分演算元件的影响度与其他运算元件的影响度相比处于支配地位的控制模式。

附图说明

图1是具有S特性的涡轮机的特性图。

图2是展示使用现有技术进行发电模式启动的情况下的涡轮机的动作解析例子的图。

图3是展示控制对象的水轮和发电机的线性化模拟模型的图。

图4是展示控制对象的水轮和发电机的线性化模拟模型的图。

图5是展示包含控制对象的旋转速度控制系统的线性化模拟模型的图。

图6是展示最新的IEC规格的水轮调速器的图。

图7是展示本发明的涡轮机的发电模式启动时的动作解析例子的图。

图8是展示本发明的涡轮机的发电模式启动时的动作解析例子的图。

图9是展示本发明的涡轮机的发电模式启动时的动作解析例子的图。

图10是展示本发明的涡轮机的发电模式启动时的动作解析例子的图。

图11是展示本发明的涡轮机的发电模式启动时的动作解析例子的图。

图12是调速器的结构图。

图13是具备本发明的调速器的涡轮机的框图。

图14是说明调速器的速度调整部件、输出调整部件、速度调整率设置部件的作用的图。

具体实施方式

在详细说明本发明的实施例之前，先说明也包含在现有技术的问题中的涡轮机的运转特性。

涡轮机的流量特性一般用将导叶散度作为参数的表示对应于单位落差的旋转数 $(N_1=N/\sqrt{H})$ 与对应于单位落差的流量 $(Q_1=Q/\sqrt{H})$ 的关系的一群特性曲线来表示。另一方面，涡轮机的转矩特性用将导叶散度作为参数的表示对应于单位落差的旋转数 $(N_1=N/\sqrt{H})$ 与对应于单位落差的转矩(T₁＝T/H)的关系的一群特性曲线来表示。另外，将这2种特性曲线统称为完全特性。

另外，上述流量特性曲线在水轮运转区域中，具有伴随着N₁的值的增加而Q₁的值减少的第1部分、伴随着N₁的值的减少而Q₁的值也减少的第2部分。但是，即使在上述第1部分中，也有伴随着N₁的值的增加而Q₁的值相对缓慢地减少的部分(将其称为第1部分的缓变部分)、伴随着N₁的值的增加而Q₁的值急剧减少的部分(将其称为第1部分的急变部分)。在本发明中，为了说明的简便，将上述第2部分和上述第1部分的急变部分统称为S形特性部分。在S形特性部分的水轮运转中，有对应于单位落差的转矩(T₁)和对应于单位落差的流量(Q₁)同样地伴随着对应于单位落差的旋转数(N₁)的增加而减少的第1部分、伴随着N₁的减少而减少的第2部分。

涡轮机的发电模式的通常运转在上述第1部分的缓变部分中进行。但是，即使在相同的有效落差下，即在相同的N₁下，水轮输出越变小，即导叶散度越变小，则该导叶散度的S形特性越接近通常运转的N₁范围。在启动涡轮机时，特别在将旋转速度提升到额定速度附近，进行与电力系统的同步化控制的时刻，导叶散度成为无负荷散度，因而，在通常运转下当然地成为了最小导叶散度，是S形特性部分最接近通常运转的N₁范围的时刻。在有效落差最低的情况下，由于H成为最小所以N₁成为最大，即使从运转点的方面看，向S形特性接近的条件也变得更恶劣了。其结果是，在将旋转速度提升到额定速度附近，进行与电力系统频率的同步化控制的阶段，也有很多运转点进入S形特性部分，位于上述第1部分的急变部分的情况。所以，在落差变动幅度非常宽，相对于基准有效落差的最低有效落差的比非常小的情况下，最低有效落差下的条件就更恶劣了。根据情况，在将旋转速度提升到额定旋转速度附近的阶段，运转点有可能落到S形特性的上述第2部分中。即使在落差变动幅度不那么宽的情况下，在水轮启动时，至少有必要从流量为0开始增加到无负荷相当流量，而无法避免水击的影响，运转点也有可能过渡性地深入到S形特性中。

图1(A)和图1(B)展示了在水轮运转区域中具有S形特性的涡轮机的特性。在图1(A)中展示了以导叶散度为参数，对应于单位落差的旋转数(N₁)与对应于单位落差的流量(Q₁)的关系的涡轮机的特性。而在图1(B)中展示了同样以导叶散度为参数，对应于单位落差的旋转数(N₁)与对应于单位落差的转矩(T₁)的关系的涡轮机的特性。在上述说明中，符号N、Q、H和T分别表示涡轮机的旋转数、流量、有效落差和转矩。

在规定的相对较大的导叶散度下能够得到特性曲线1和1`。在比其小的导叶散度下能够得到特性曲线2和2`。在比其更小的导叶散度下能够得到特性曲线3和3`。

在特性曲线1的第2部分，即a-d-h部分中，Q₁的值伴随着N₁的减少而减少。同样，曲线部分b-e-i是在特性曲线2的第2部分中的伴随着N₁的减少而Q₁减少的部分。进而，曲线部分c-f-j是在特性曲线3的第2部分中的同样伴随着N₁的减少而Q₁减少的部分。一看就能够明了地，特性曲线1的第2部分a-d-h比特性曲线2的第2部分b-e-i长，特性曲线2的第2部分b-e-i比特性曲线3的第2部分c-f-j长。这意味着如果导叶散度变小，则S形特性部分的Q₁轴方向的长度变短。

与图1(A)一样，在图1(B)中，曲线部分a`-d`-h`、b`-e`-i`和c`-f`-j`分别是特性曲线1`、2`和3`的第2部分。

图1(B)与图1(A)有紧密的关系。例如，满足图1(A)的曲线3上的Q₁＝Q_1X，N₁＝N_1X的点对应于图1(B)的曲线3`上的点x`。点x`是满足T<sub>1</sub>＝T<sub>1X</sub>`，N₁＝N_1X`(＝N<sub>1X</sub>)的点。同样，图1(A)中的点a、b、c、d、e、f、h、i和j分别与图1(B)中的点a`、b`、c`、d`、e`、f`、h`、i`和j`对应。

曲线NR是无负荷流量曲线。曲线1、2、3和曲线NR的交点α、β、γ分别对应于曲线1`、2`、3`与轴(T<sub>1</sub>＝0)的交点α`、β`、γ`。

如果考虑在发电模式下启动的时候，在发电机负荷≈0的情况下，有必要将旋转速度从0提升到额定的N₀，但，如果在上述的N₁-T₁特性的条件下进行考虑，则需要将运转点从停止的原点(N₁＝0、T₁＝0)在T₁轴上向左侧移动到 $N_1=N_0/\sqrt{H}.$ 例如，在将N提升到N₀的时刻，在T₁轴与在当时的H下求出的 $N_1=N_0/\sqrt{H}$ 的线的交点到了α点和β点之间的情况下，有必要使导叶散度扩展到1和2之间。而如果在N₁-Q₁特性角度下观察上述水轮启动，则运转点从起点(N₁＝0、Q₁＝0)移动到了NR线上的α点和β点的中间点。即，有必要使Q₁增大到α点的Q₁和β点的Q₁的中间值，同样将流量Q增大到相当量。

但是，在与水轮连接的发电机是同步发电机的情况下，用来与电力系统并联的旋转速度，即额定旋转速度N₀不变，但N₁随着落差而变大或变小。即，在最低落差的情况下，有必要在最大N₁下使旋转速度与电力系统频率同步，在这种情况下，运转点已经难以保留在流量特性曲线的第1部分的缓变部分中了，而位于第1部分的急变部分中。

另外，在使用同一转子切换旋转方向地进行泵运转和水轮运转的涡轮机的情况下，为了在泵运转时充分发挥离心泵作用，必须使转子形状成为扁平状。因此，在水轮运转中成为S形特性，即因离心力而使逆流特性向N₁低的方向移动，接近通常的运转范围。即，在涡轮机中，一般如果要提高泵的性能，则在水轮运转侧向S形特性的通常运转的N₁范围接近，结果就产生了发电模式启动时的旋转速度控制问题。

因此，根据情况，将旋转速度提升到额定值附近后会反复摆动，产生不能将发电机并联到电力系统上的问题。特别在并联到电力系统上之前的同步控制阶段，运转点成为S形特性的第2部分的情况下，在现有技术中不能控制旋转速度，因而不能进行并联。如果不能进行并联，则在该落差下不能作为发电设备使用，其损失很大。

图2展示了在同步控制阶段运转点进入到S形特性的第2部分的情况下，使用典型的现有技术进行发电模式启动的情况下的解析例子。其中，(A)展示了导叶散度Y、水轮流量Q、旋转速度N和水轮输出P的时间对应图，(B)展示了导叶散度Y、水轮流量Q和有效落差H的时间对应图，(C)展示了从启动开始到调速器的同步控制阶段为止的N₁-Q₁平面上的运转点的轨迹，(D)展示了对调速器的PID各运算部件的输出信号Z_p、Z_i、Z_d与旋转速度N的时间对应图。另外，图12是展示调速器的结构的图，其中G10表示目标旋转速度设置部件，G11表示确定N与目标旋转速度设置部件发出的目标旋转速度信号N₀的差的比较部件，G01表示符号变换部件，G02表示比例运算部件，G03表示积分运算部件，G04表示微分运算部件，G05表示加法运算部件，G06表示油压放大部件，G07表示将导叶伺服电动机散度转换为导叶散度的连接机构部件。另外，G09是对由G08的导叶散度控制装置设置的导叶散度上限限制Y₀和PID运算部件的综合信号∑Z进行比较，输出其中低的一个的LVG(低值过滤门)。另外，在导叶散度限制装置限制调速器运算部件输出的时候，使I运算元件的输出不随意超出导叶散度限制装置的设置值那样地进行关联限制。另外，在启动开始前，使目标旋转速度N₀处于额定旋转速度附近，使导叶散度限制的设置值Y₀具有能够得到水轮启动所必需的转矩的充分大小，并且不会产生过大的旋转速度的过载那样地设置各个散度(以下称为启动散度)。说明图2(A)，在启动开始前，如果开始提高作为0的导叶散度控制装置的设置值，则导叶随之相应展开，水轮流量也开始增加。很快，水轮产生的转矩超过静摩擦转矩，旋转速度开始上升。一旦旋转速度接近目标旋转速度，则开始调速器控制，但旋转速度会不稳定而上下反复摆动，导叶反复开闭，水轮输出反复增减。在该状态下，同步和并联都不行。当然，如图2所示，这时的流量也反复增减，伴随于此水击压也反复变动。其理由是如通过图2(C)所明了的那样，在旋转速度接近额定值的阶段，涡轮机的运转点进入S形特性的第2部分，然后S形特性开始在Q₁的上下方向来回移动。根据发明者的最新研究，该现象已经渐渐被详细明了。其详细将在后面详述。另外，图2(D)展示了这时的调速器的比例运算部件的输出Z_p、积分运算部件的输出Z_i、微分运算部件的输出Z_d的应答与旋转速度N的动向的对比。

根据本发明的上述分析，水轮启动时，特别在同步控制阶段的运转点进入了S形特性的第2部分那样的恶劣条件下，也能够进行调速器的旋转速度控制，是可以将能够进行同步、并联的落差范围大幅度地扩大到水轮运转侧的。另外，通过解决因该S形特性造成的水轮运转侧的不能同步的问题、不能并联的问题，能够进一步提高泵的运转性能。

下面，先说明通过发明者的最新研究得到的本发明的理论背景。旋转速度调速器的控制对象是涡轮机和发电机，但可以如下那样地近似模拟控制对象。另外，以将水轮上下流水通路作为刚体进行处理的刚性理论为基础。首先，考虑如下的基础式。

$Q=Q_0+\mathrm{\&Delta;Q}=Q_0+\frac{\&PartialD;Q}{\&PartialD;Y}\mathrm{\&Delta;Y}+\frac{\&PartialD;Q}{\&PartialD;N}\mathrm{\&Delta;N}+\frac{\&PartialD;Q}{\&PartialD;H}\mathrm{\&Delta;H}$ 式1

$\mathrm{\&Psi;}={\mathrm{\&Psi;}}_0+\mathrm{\&Delta;\&Psi;}={\mathrm{\&Psi;}}_0+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Psi;}}{\&PartialD;Y}\mathrm{\&Delta;Y}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Psi;}}{\&PartialD;N}\mathrm{\&Delta;N}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Psi;}}{\&PartialD;H}\mathrm{\&Delta;H}$ 式2

$\mathrm{\&Delta;H}=-\frac{L}{\mathrm{Ag}}\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}$ 式3

P_t＝P_t0+ΔP_t＝＝9.8ΨQH                            式4

$\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dt}}=\frac{{60}^2\&times;4\&times;102\mathrm{g\&Delta;}{P}_t}{4{\mathrm{\&pi;}}^2{N}_{0}G{D}^2}=\frac{365000\mathrm{\&Delta;}{P}_t}{N_{0}G{D}^2}$ 式5

另外，Q表示水轮流量(m³/s)，Q₀表示水轮流量的初始值，Y表示导叶散度(pu)，Y₀表示导叶散度的初始值，N表示旋转速度(rpm)，N₀表示旋转速度的初始值，H表示有效落差(m)，H₀表示表示有效落差的初始值，Ψ表示水轮效率，Ψ₀表示水轮效率的初始值，L表示水轮上下流水通路的全长(m)，A表示水轮上下流水通路的平均截面积(m²)，g表示重力加速度(m/s²)，t表示时间(s)，P_t表示水轮输出(KW)，P_t0表示水轮输出的初始值，有旋转平方力矩(kgf·m²)∶I＝(GD²/4g)的关系。

在此，在与额定输出相当的导叶Y_r、额定旋转速度N_r、基准落差H_r、额定流量Q_r、额定输出P_tr、额定输出和基准落差时的效率Ψ_r下，如下这样对各变量进行一次方化。

设y＝ΔY/Y_r，n＝ΔN/N_r，h＝ΔH/H_r，q＝ΔQ/Q_r，p_t＝ΔP_t/P_tr，η＝ΔΨ/Ψ_r，并且η₀＝ΔΨ₀/Ψ_r，q₀＝Q₀/Q_r，p_t0＝P_t0/P_tr，h₀＝H₀/H_r，y₀＝Y₀/Y_r，n₀＝N₀/N_r，则如果设想初始条件附近的微小变化，则可以如图3或图4那样地对控制对象进行线性模拟。另外，y是作为控制对象的输入的导叶散度(p.u.)，p_t是水轮输出(p.u.)，n是作为控制对象的输出的旋转速度(p.u.)。另外，T_m在水轮和发电机的惯性效果的时间常量(sec)下相当于(N_rN₀GD²)/(36500P_tr)。T_w在水轮上下流水通路的时间常量(sec)下相当于(L Q_r)/(A H_rg)。S是拉普拉斯算子，如下这样地分别定义系数C_ph、C_py、C_pn、C_qq、C_qy、C_qn。

$C_{\mathrm{ph}}={\mathrm{\&eta;}}_0{q}_0+\frac{\&PartialD;Q}{\&PartialD;H}\frac{H_0}{Q_r}{\mathrm{\&eta;}}_0+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Psi;}}{\&PartialD;H}\frac{H_0}{{\mathrm{\&Psi;}}_r}{q}_0$ 式6

$C_{\mathrm{py}}=(\frac{\&PartialD;Q}{\&PartialD;Y}\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0}{Q_r}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Psi;}}{\&PartialD;Y}\frac{q_0}{{\mathrm{\&Psi;}}_r})h_0{Y}_r$ 式7

$C_{\mathrm{pn}}=(\frac{\&PartialD;Q}{\&PartialD;N}\frac{{\mathrm{\&eta;}}_0}{Q_r}+\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Psi;}}{\&PartialD;N}\frac{q_0}{{\mathrm{\&Psi;}}_r})h_0{N}_r$ 式8

$C_{\mathrm{qq}}=\frac{Q_r}{\frac{\&PartialD;Q}{\&PartialD;H}{H}_r}$ 式9

$C_{\mathrm{qy}}=\frac{\frac{\&PartialD;Q}{\&PartialD;Y}{Y}_r}{\frac{\&PartialD;Q}{\&PartialD;H}{H}_r}$ 式10

$C_{\mathrm{qn}}=\frac{\frac{\&PartialD;Q}{\&PartialD;N}{N}_r}{\frac{\&PartialD;Q}{\&PartialD;H}{H}_r}$ 式11

另外，在运转点位于S形特性的第2部分中时，(Q₁/N₁)＞0，(T₁/N₁)＞0，因而在通常的运转区域正的C_qq成为负，被虚线包围的h→q→h的闭环电路成为正反馈电路，在通常的运转区域负的C_pn成为正，被虚线包围的p_t→n→p_t的闭环电路成为正反馈电路。进而，在通常的运转区域正的水轮输出P_t的常数项增益C_py成为负，如果导叶y打开，则P_t的常数项反而减少，通过现有技术的调速器是不可能进行稳定的旋转速度控制的。图5是组合了如上述那样地线性化了的控制对象的模型和线性化了的典型的PID型调速器的模型(用虚线围起来的部分)的旋转速度控制系统整体的框图。另外，G01表示符号变换部件，G02表示比例运算部件，G03表示积分运算部件，G04表示微分运算部件，G05表示加法运算部件，G06表示油压放大部件，G07表示将导叶伺服电动机散度转换为导叶散度的连接机构部件。另外，K_p表示比例增益，K_i表示积分增益，K_d表示微分增益，T_y表示油压放大部件的时间常数，K_GV＝y/y_sv。在此，调速器的设置值被设置为与现有技术的通常运转用的值相同，或与其相近的例如K_p＝2.3，K_i＝0.2，K_d＝2。根据本发明的最新研究，可以解释为适于水轮输出p_t的常数项增益C_py＞0的通常运转那样地调速器侧的常数项K_i也变得相对较大了。因此，如果调速器提高旋转速度n，则导叶散度y闭和，降低水轮输出，但在运转点位于S形特性的第2部分中的情况下，主要的C_py＞0，实际上起到了相反的作用。在此基础上，如上述那样在2处出现了正反馈电路，可以说是确实没有办法了。图2是为了更详细地观察这时的旋转速度控制状况，而用比图4、图5的线性化简略图更清楚的高精度的解析模型进行解析的结果。即，是水轮上下流水通路不用刚性理论而用弹性理论进行模拟，水轮特性使用实际的水轮特性(N₁-Q₁特性和N₁-T₁特性)，各种非线性元件也都尽量忠实于非线性地进行模拟的情况下的解析结果，可以考虑是几乎表示了实物的动作。另外，在这种情况下，即使使用图3、图4、图5的简化模型，也同样得到旋转速度控制系统的不稳定。

下面，依据上述理论背景说明本发明的作用。先说明本发明的基本思想。即，在图4中，由于C_py＞0，所以旋转速度控制被限制，所以代之以通常为负的水轮输出p_t的非常数项增益C_qyC_qh＞0成为正(C_qy＞0并且C_qh＞0)为着眼点，相反地设想通过由y→-h→p_t→n→调速器→y构成的闭环进行旋转速度控制。根据发明者的最新研究，通过使调速器的比例增益K_p和积分增益K_i比通常小，而使微分增益K_d比通常大，在通常的基础上明显地提高微分运算部件的输出Z_d占调速器运算部件的输出信号∑z的比例，就能够实现该目的。在微分运算强调形式下形成调速器的传递函数的理由是为了有效地得到通常是有害的水轮输出p_t的非常数项，即水击作用。更具体地说，现在假设n在因S形特性的第2部分造成的逆特性下向降低方向剧降，则导叶y打开，使流量降低并在该水击下降低h，由此，提高了p_t并防止了n的剧烈降低，而得到了模拟稳定状态。Y的变化幅度伴随着变化斜率而至少成为(水轮输出p_t的非常数项的变化幅度)＞(水轮输出p_t的常数项的变化幅度)。

在基准落差附近可以不用考虑运转点进入到S形特性的第2部分中那样的情况。另外，即使在同样的发电模式的启动时，在旋转速度低的发电启动模式的前半部分也可以不用考虑。这是由于 $N_1=N/\sqrt{H}$ 异常地高。结果，有可能发生问题的是在最低落差附近下提升到额定值附近的阶段。因此，也可以在该阶段采用上述微分运算强调控制模式。即，通常不需要上述微分运算强调控制模式，相反，由于有害的方面较大，所以要根据需要在可以使用的情况下再使用。

在发电模式的前半部分，没有必要从旋转速度低的阶段开始设置微分运算强调控制。这是因为在旋转速度低的阶段，运转点位于S形特性以外或S形特性的第1部分的缓变部分，没有成为(Q₁/N₁)＞0或与其接近的直立斜率，从上述理论也可以明了。如果在该阶段就设置为微分运算强调控制，则启动所要时间变得异常地长，因而反而有害方面大。即，到充分提高旋转速度为止，设置为通常的控制，此后再切换到微分运算强调控制。

但是，根据有关调速器的最新的国际规格IEC InternationalStandard 61362(Guide to Specification of Hydraulic Turbine ControlSystem)First Edition，PID型调速器被如图6那样地定义。在此，G11是加法运算部件，G12是比例运算部件，G13是微分运算部件，G14是微分运算部件，G15是加法运算部件，G16是通常用x的一次方程式对y进行赋值那样的复原电路，被称为速度调整率装置。另外，上述IEC规格的x相当于图5的n。另外，由于b_p在速度调整率下一般只对调速器的过渡现象起作用，并不大，所以在图5中忽略它。图6的调速器的K_p与图5的调速器的K_p相同，图5的调速器K_i相当于图6的调速器的K_i＝K_p/T_i，图5的调速器K_d相当于图6的调速器的K_d＝K_pT_v。另外，由于图6的T_1d充分小，所以在图5中忽略它。另一方面，在图6中，忽略图5的油压放大部件的时间常数T_y。这样，在发电模式启动时，在将旋转速度提升到额定值附近的阶段，将积分运算增益K_i与它以前相比大幅度地降低，而将微分运算增益K_d＝K_pT_v与它以前相比保持一样或其以上，由此将调速器的运算部件设置为适时地进行微分运算强调控制。

在发电模式启动时，如果在将旋转速度提升到额定值附近的阶段，不只是降低积分运算增益K_i，也同时降低比例增益K_p，则能够更有效地进行微分运算强调控制。

在将该机器与电力系统同步、并联后，迅速打开导叶，能够使运转点远离S形特性。在此，“迅速打开导叶”是指不落入因S形特性带来损害的电力的负侧那样地尽早将导叶打开规定散度以上。即，例如以同步并联后犹豫2～3秒为条件，但由于在其间电力从0落入负电力侧的可能性较高，所以不仅要尽早开始导叶的打开动作，还有必要以比通常速度高的打开速度进行打开，由此尽早避开S形特性的影响所及范围。因此，理想的是在使旋转速度与系统频率同步，将发电电动机与电力系统并联后，尽早进行控制，即不落入因S形特性带来损害的电力的负侧那样地尽早将导叶打开规定散度以上。如果不这样，在并联后运转点就有可能突然动作，对系统造成外来损害。特别在发电模式下突然开始抽水，就有可能在正输出时相反地送出负输出。在导叶散度小的情况下，在并联时刻的运转点N₁的Q₁成为3值，而如果导叶散度上升则迅速成为2值，如果再上升则成为1值，运转点确实地从S形特性离开，由此能够如此地尽早进行回避(参照图1)。

另外，根据上述最新的IEC调速器规格，比例增益K_p的调整范围是0.6～10，所以应该有必要在上述微分运算强调设置中比0.6明显低地设置K_p。另一方面，根据该IEC规格，微分增益T_v的调整范围是0～2，所以即使例如与上述本发明的发明者的研究结果相反地停留在调整范围下限的0.6，微分增益K_d＝K_pT_v的调整范围也只是0～1.2。但是，在实际的微分运算强调设置中，可以考虑至少有必要设置K_d＝K_pT_v为5以上。

在上述微分运算强调设置中，相对于50秒以下的比较短的周期的N的变动波，几乎都由微分运算元件所对应，其间积分运算元件几乎保持一定值，或只分担缓慢地对应相当于导叶散度应答波形的中间值。这是因为与微分元件相对于输入的-N的波形以超前90度的相位差输出应答波形相对，积分运算元件延迟90度地输出应答波形，因此如果积分运算元件的增益充分小，上述比较短的周期的应答也参与到积分运算元件中的话，则积分运算元件的输出会使对应的微分运算元件的输出衰减。如果进行上述的微分运算强调设置，则调速器的运算部件的输出几乎成为了相对于-N信号超前90度的波形输出，而相对于N信号输出延迟90度的波形。在油压放大部件中如果不能回避地产生若干相位延迟，则最终的导叶的应答波形成为相对于N波形延迟比90度稍大的波形。但是，如由上述理论所明了的那样，由于有必要在N低下时适时地打开导叶，通过水击压降低有效落差，结果提高水轮输出适时地使N回复，所以不允许最终的导叶的应答波形相对于N波形延迟到近180度。还是有必要保持在延迟120度左右。

以下，利用附图说明本发明的实施例。图13是具备本发明的一个实施例的调速器的涡轮机的框图。

131是检测水轮的旋转速度N的速度检测部件，X_N是从上述速度检测部件发出的速度检测信号，132是设置旋转速度的基准值的速度调整部件，X₀是从速度调整部件132发出的设置值。133是使速度调整部件的设置值X₀和上述速度检测信号X_n的差，即速度偏差信号X₀-X_n靠近从速度调整率设置部件发出的复原信号X_σ的加法器。其结果所得到的控制偏差信号X_ε被输入到构成旋转速度控制装置的主要部分的运算部件的PID运算电路。

在发电模式启动前半部分，即从停止开始到将旋转速度提升到第1指令值为止的之间，使用设置为比较高的增益的比例运算元件(P元件)4a，如果旋转速度超过第1指令值，则使用用来进行微分运算强调设置的设置为比较低的增益的比例运算元件(P元件)4b。在触点19a、19b进行该增益切换，它们是一种速度的切换触点。当然，前者的比例运算元件的增益K_pa远远大于后者的比例运算元件的增益K_pb。增益K_pa例如是2.3，则增益K_pb是例如0.1。同样，在从停止到将旋转速度提升到第1指令值为止的之间使用的积分运算元件(I元件)5a与在旋转速度超过第1指令值的条件下使用的积分运算元件(I元件)5b的切换也在触点19a、19b进行。另外，前者的积分增益K_ia远远大于后者的积分增益K_ib。增益K_ia例如是0.2，则增益K_ib是例如0.02。另外，触点19a、19b同时进行摇摆动作，打开下侧触点，关闭上侧触点。触点19a、19b各有2个的理由是要同时一起切换比例运算元件、积分运算元件。

另外，微分运算元件6(D元件)的增益为了在充分提升旋转速度并进行同步控制的阶段进行微分强调设置，而从最初开始就被设置为充分大的值。例如是12。从微分运算元件6(D元件)输出输出信号Z_d。另外，从触点19b输出比例运算元件的输出信号Z_p、微分运算元件的输出信号Z_i。

然后，这3个信号在加法运算部件7进行加法运算，其输出∑Z表示了旋转速度控制装置的主运算部件求出的导叶散度指令。23是低值通过门，即在低值选择电路，对2个输入∑Z和Y_u进行比较，将小的那一个信号作为最终的导叶散度指令Z进行输出。但是，22是被称为导叶散度控制装置或负荷控制装置的部件，所以Y_u是在同一装置中设置的导叶散度的上限限制值。即，由于无论从调速器的主运算部件输出如何大的导叶散度指令∑Z，22的LVG的输出都被限制在Y_u，所以才被赋予了上述那样的名称。另外，未图示，在使Y_u＜∑Z，∑Z被限制的时候，积分运算元件5a或5b中的任意一个正在被使用的积分运算元件的输出也被限制。

另一方面，用信号Y表示实际的导叶散度。

加法运算部件8、限制器9、油压伺服机构10构成了一种油压放大部件。即，加法运算部件8、限制器9、油压伺服机构10构成了带有限制器的一次延迟元件，是对最终的导叶散度指令Z进行放大，并转换为具有对作为水量控制装置的导叶进行直接操作所需要的充分的冲程和操作力的导叶散度Y的放大器。Y_ε1表示最终的导叶散度指令Z与实际的导叶散度Y的偏差。限制器9的θ_R是将导叶展开速度限制为θ_R/T_y，θ_L是将关闭速度限制为θ_L/T_y。Y_ε2是考虑了上述开闭速度限制而对偏差信号Y_ε1进行了限制的信号。用框图说明了上述Y_ε1、Y_ε2、限制器9，但在具体的制品中，也可以考虑为Y_ε1是被进行了位移限制的前控制阀柱塞的位移，Y_ε2是接受了位移限制的后控制阀柱塞的位移。

另外，向加法运算部件11输入了从输出调整部件13输出的与希望输出相当的导叶散度设置信号Y_a。另外，如果是在发电模式启动的时候，则Y_a成为无负荷散度相当信号。在实际的导叶散度Y＜Y_a的情况下，到其差成为0为止向PID运算部件持续发送开信号σ(Y-Y_a)，所以迅速地成为Y＝Y_a，而稳定在该阶段。速度调整率设置部件12是设置上述系数σ的部件。换一种说法，σ是决定导叶散度Y的变化相对于速度检测信号X_n的变化的比例的增益，一般考虑在电力系统中的该装置的作用，即负荷分担的比例进行一次设置后，就不能变更了。另外，14表示包含水路系统的水轮和发电机的总和的对象机。

在此，通过图14(A)、(B)说明速度调整部件2、输出调整部件13、速度调整率设置部件12的作用。另外，在此假设无负荷时的导叶散度为0.2(pu)。图14(A)的右下的实线表示该装置与电力系统连接之前的状态。即，额定值N(同步速度)线与该实线的交点表示导叶散度，正好成为无负荷散度0.2。另外，在启动水轮前，该实线被设置在比这低的位置。例如，设置在图14(A)的虚线的位置。这样，在图14(A)的实线下侧使该实线上下平行移动的是速度调整部件2。由于使该实线上下平行移动时在无负荷散度0.2线上的交点上下移动，所以被赋予了速度调整部件的名称。另一方面，通过图14(B)说明该装置与电力系统连接后的动作。在这种情况下，实线与额定速度的交点成为Y＝1.0。即，表示100％负荷运转中。图14(A)的并联时的实线位置在图14(B)中成为的虚线的位置。这样，使实线平行移动，调整导叶散度的是输出调整部件13。输出调整部件13使实线在水平方向平行移动，在与无限大电力系统连接的状态下，旋转速度事实上固定在1.0，因而由于伴随着实线的水平方向移动，N＝1.0线上的交点左右地移动，所以赋予该名称。在图14(B)实线的设置中，稳定时是在N＝1.0，Y＝1.0下运转的，但现在如果电力系统的频率上升3％而成为N＝1.03，则Y成为0.2。如果电力系统的上升幅度是1.5％，则Y被限制在Y＝0.6。这样对频率变化幅度和导叶限制幅度的之间赋予比例关系的是速度调整率设置部件12。如果使速度调整率设置部件12的增益增大，则图14(B)实线的斜率更加偏向右下，相对于频率变化的导叶散度应答幅度的增益下降。

另外，图13的涡轮机14的运转点在启动前位于N₁＝0，Q₁＝0，由于设想极低落差，所以在将旋转速度提升到额定旋转速度附近的阶段，N₁进入到S形特性的成为(Q₁/N₁)＞0的逆斜率区域。该情况下成为控制对象的涡轮机的管路时间常数T_w＝2.87(s)，旋转部件惯性的时间常数T_m＝16.2(s)。

下面，利用图7～图12所示的计算机模拟解析结果，说明图13的本发明的实施例的从启动到同步控制的动作。另外，该解析是与图2的现有技术解析相当的本发明的适用例子，是除了调速器的运算部件以外其他条件完全相同的解析。特别地只在启动过程中转移到微分运算强调设置这一点上不同。

图7的(1)是旋转速度N、导叶散度Y、水轮流量Q、水轮输出P_t的时间应答图。从10秒的时刻开始Y开始打开，伴随于此流量也增加，但到水轮产生的转矩＞静摩擦转矩的时刻(48秒)为止N保持为0。从58秒的时刻开始调速器开始控制。另外，这时的调速器运算部件的设置是K_p＝2.3，K_i＝0.2，K_d＝12。在约60秒的时刻以旋转速度成为规定值以上为条件，调速器运算部件的K_p从2.3切换到0.1，K_i从0.2切换到0.02，调速器转移到微分运算强调设置。另外，导叶不打开到由导叶散度限制装置赋予的启动散度以上，到此达到顶点。另外，由于从120秒的时刻开始将旋转速度导向同步速度，所以缓慢地降低旋转速度调整部件的设置值。如果将该图7的(1)的结果与图2(A)的现有技术的结果比较则可以明白，明显地提高了旋转速度的稳定性，在同步控制阶段也完全没有问题。图7的(2)是导叶散度Y、水轮流量Q、有效落差H的时间应答图。在此，已知打开导叶时流量减少，关闭导叶时流量增加，与通常相反，运转点位于S形特性的逆斜率区域。进而，判断出伴随着该流量变化的有效落差H的应答波形几乎与导叶Y的波形相对地朝向相反方向。图8的(3)是在从该水轮的启动到同步控制阶段的N₁-Q₁平面上的运转点轨迹。很明显同步控制控制阶段的运转点轨迹也是收敛的，与图2(C)的现有技术的情况有很大的不同。图8的(4)是相对于旋转速度N的调速器的PID运算部件输出Z_p、Z_i、Z_d的应答图。对调速器进行了微分运算强调设置后，Z_p几乎成为0，Z_i的变化斜率极其缓慢。这样，对应于N的变化的调速器的N稳定化控制大多通过Z_d进行。另外，将N波形的从上升到下降的转移称为上凸，将从下降到上升的转移称为下凸，将Z_d波形的从上升到下降的转移称为上凸，将从下降到上升的转移称为下凸，已知相对于N波形的上凸Z_d波形的上凸延迟约90度的相位，相对于N波形的下凸Z_d波形的下凸延迟约90度的相位。图9展示了导叶散度Y、水轮流量Q、有效落差H、水轮输出P_t的各时间应答图。根据该图能够确认，如果N开始下降，则Y打开，Q下降，H上升，通过Q的下降抑制P_t的下降，使N稳定。图10展示了120秒以后的同步控制阶段的调速器的PID各运算部件的输出的时间应答图。由于调速器已经成为微分运算强调设置，所以已知Z_p、Z_i的变化斜率极其缓慢，Z_p、Z_i已经不参与N稳定化控制，N稳定化控制几乎全部由Z_d进行。图11的(7)展示了120秒以后的N₁-Q₁平面上的运转点轨迹。由于使运转速度与电力系统频率同步，所以N₁逐渐下降，运转点大致沿着无负荷流量线从右向左移动。如由该图明了的那样，同步结束时的导叶散度从Y_b接近Y_a。另外，根据导叶散度Y＝Y_a，Y＝Y_b的特性图已知，运转点正确无误地向S形特性的逆流特性区域中移动。图11的(8)展示了120秒以后的N₁-T₁平面上的运转点轨迹。运转点轨迹大致在T₁＝0线上从右向左移动，同时进行同步控制。根据导叶散度Y＝Y_a，Y＝Y_b的特性图已知，运转点在该N₁-T₁平面上也向S形特性的逆流特性区域中移动。

通过本发明，能够使涡轮机能够启动的范围大幅度扩展到低落差侧。进而，通过将落差变动可能范围扩展到低落差侧，有可能减小该量的上/下水坝面积地进行经济的设计。

另外，能够更加容易地同时提高涡轮机的泵性能和水轮性能，提高涡轮机的性能。

Claims (14)

1.一种涡轮机，是具备转子、将上述转子的旋转转矩传送到发电电动机的主轴、调整通过上述转子的水量的水量调整装置、控制上述水量调整装置并控制上述转子的旋转速度的调速器，通过切换上述转子的旋转方向而能够在抽水和发电两个模式下运转的涡轮机，其特征在于：

上述调速器具有在规定落差以下进行发电模式启动时，在使上述转子的旋转速度与系统频率同步的同步控制阶段，使上述旋转速度的控制系统中的微分运算元件的影响度与其他运算元件的影响度相比，处于支配地位的控制模式。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于：

上述控制模式中的微分运算元件的相对影响度与通常运转时相比，明显地增强。

3.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于：

上述控制模式中的微分运算元件的相对影响度与上述同步控制前的阶段相比，明显地增强。

4.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于：

上述同步控制阶段是将上述转子的旋转速度提升到额定值附近，并进行与系统频率的同步控制的阶段，使上述旋转速度的控制系统中的微分运算元件的影响度与其他运算元件的影响度相比处于支配地位的控制模式通过对IEC国际标准61362的对水轮机控制系统的说明第1版所述的调速器的积分运算增益(K_i)设置得与其之前的阶段相比大幅度地降低，而对上述IEC标准所述的调速器的微分运算增益K_d＝K_pT_v设置得与其之前的阶段相比保持相同或更大，来使上述微分运算元件的影响度与作为其他运算元件的积分运算元件的影响度相比，处于支配地位。

5.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于：

上述控制模式在将上述旋转速度提升到额定值附近之前和之后，能够切换上述调速器的比例运算部件或积分运算部件或其双方运算部件的传递函数，在将上述旋转速度提升到额定值附近后，到使旋转速度与系统频率同步的同步控制结束为止，使上述微分演算元件的影响度与其他运算元件的影响度相比处于支配地位那样地，切换上述比例运算部件或积分运算部件或其双方运算部件的传递函数。

6.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于：

在使上述旋转速度与系统频率同步，并使上述发电电动机并联到电力系统后，上述调速器尽快地打开上述水量调整装置那样地进行控制，并使运转点远离S形特性那样地进行控制。

7.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于：

在使上述旋转速度与系统频率同步，并使上述发电电动机并联到电力系统后，解除上述控制模式的设置，将上述调速器的比例运算部件或积分运算部件或其双方运算部件的传递函数切换为规定的有负荷运转用设置。

8.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于：

上述控制模式是在将上述旋转速度提升到额定值附近前，设置IEC国际标准61362的对水轮机控制系统的说明的第1版所述的调速器的比例增益K_p＞0.6，然后到使旋转速度与系统频率同步的同步控制结束为止设置K_p＜0.5，而设置上述IEC规格所述的微分增益K_d＝(K_p*T_v)＞5的控制模式。

9.一种涡轮机，是具备转子、将上述转子的旋转转矩传送到发电电动机的主轴、调整通过上述转子的水量的水量调整装置、控制上述水量调整装置并控制上述转子的旋转速度的调速器，通过切换上述转子的旋转方向而能够在抽水和发电两个模式下运转的涡轮机，其特征在于：

上述调速器具备在S形特性的影响下，进行Q₁/N₁的斜率接近于直立或成为Q₁/N₁＞0的逆斜率区域的发电模式启动时，在使转子的旋转速度与系统频率同步的同步控制阶段，切换相关的增益使上述旋转速度的控制系统的微分运算元件的影响度与其他运算元件的影响度相比处于支配地位的控制模式，其中Q₁是对应于单位落差的流量，N₁是对应于单位落差的旋转数。

10.一种涡轮机，是具备转子、将上述转子的旋转转矩传送到发电电动机的主轴、调整通过上述转子的水量的导叶、控制上述导叶并控制上述转子的旋转速度的调速器，通过切换上述转子的运转方向而能够在抽水和发电两个模式下运转的涡轮机，其特征在于：

上述调速器在S形特性的影响下，进行Q₁/N₁的斜率接近于直立或成为Q₁/N₁＞0的逆斜率区域的发电模式启动时，在使转子的旋转速度与系统频率同步的同步控制阶段，进行调整使相对于旋转速度波形的上凸而出现导叶应答波形的上凸的定时或相对于旋转速度波形的下凸而出现导叶应答波形的下凸的定时，在相位差上延迟120度以内，其中，Q₁是对应于单位落差的流量，N₁是对应于单位落差的旋转数，将上述导叶应答波形的从开动作转移到关动作称为上凸，将从关动作转移到开动作称为下凸，将旋转速度波形的从上升转移到下降称为上凸，将从下降转移到上升称为下凸。

11.一种涡轮机，是具备转子、将上述转子的旋转转矩传送到发电电动机的主轴、调整通过上述转子的水量的水量调整装置、控制上述水量调整装置并控制上述转子的旋转速度的调速器，通过切换上述转子的旋转方向而能够在抽水和发电两个模式下运转的涡轮机，其特征在于：

上述调速器具有在进行发电模式启动时，在使上述转子的旋转速度与系统频率同步的同步控制阶段，在运转点N₁进入成为Q₁/N₁＞0或T₁/N₁＞0的S形特性的逆斜率区域的情况下，使上述旋转速度的控制系统中的微分运算元件的影响度与其他运算元件的影响度相比，处于支配地位的控制模式，其中，Q₁是对应于单位落差的流量，N₁是对应于单位落差的旋转数，T₁是对应于单位落差的转矩。

12.根据权利要求11所述的涡轮机，其特征在于：

上述控制模式通过设置IEC国际标准61362的对水轮机控制系统的说明的第1版所述的比例增益K_p＜0.5，并且微分增益K_d＝(K_p*T_v)＞5来实现。

13.一种涡轮机，是具备转子、将上述转子的旋转转矩传送到发电电动机的主轴、调整通过上述转子的水量的水量调整装置、控制上述水量调整装置并控制上述转子的旋转速度的调速器，通过切换上述转子的旋转方向而能够在抽水和发电两个模式下运转的涡轮机，其特征在于：

上述调速器具有在S形特性的影响下，进行Q₁/N₁的斜率接近于直立或成为Q₁/N₁＞0的逆斜率区域的发电模式启动时，在使转子的旋转速度与系统频率同步的同步控制阶段，使用来进行与旋转速度变动波形对应的旋转速度稳定化的上述水量调整装置的控制几乎都由调速器的微分运算部件承担，而使其他的运算部件只承担与此相比明显长周期的缓慢的控制或能够忽视程度的控制的控制模式，其中Q₁是对应于单位落差的流量，N₁是对应于单位落差的旋转数。

14.一种涡轮机用调速器，是对具备转子、将上述转子的旋转转矩传送到发电电动机的主轴、调整通过上述转子的水量的水量调整装置，通过切换上述转子的方向而能够在抽水和发电两个模式下运转的涡轮机的上述水量调整装置进行控制，控制上述转子的旋转速度的涡轮机用调速器，其特征在于：

上述调速器具有在规定落差以下进行发电模式启动时，在使上述转子的旋转速度与系统频率同步的同步控制阶段，使上述旋转速度的控制系统中的微分运算元件的影响度与其他运算元件的影响度相比，处于支配地位的控制模式。

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