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Elektrische Regeleinrichtung für Flußstaustufen zum Vermeiden von
Überschwingungen des Durchflusses Die Erfindung betrifft eine elektrische Regeleinrichtung
mit Störgrößenaufschaltung zum Vermeiden von Überschwingungen des Durchflusses von
hintereinanderliegenden Flußstaustufen, deren Oberwasser-bzw. Stauraumpegel-Regelabweichung
einem die Stellmotoren für das Verstellen der Turbinen und Wehre der zugehörigen
Stufe steuernden Regler zugeführt ist, auf den außerdem eine durchflußabhängige
Größe aufgeschaltet ist. Ferner soll bei den hintereinanderliegenden Staustufen
der Oberwasserpegel oder auch ein Stauraumpegel konstant gehalten werden.
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Um den Ansatzpunkt des Erfindungsgegenstandes zu verdeutlichen, wird
zunächst auf die allgemeinen Zusammenhänge bei der Turbinen- und Wehrsteuerung von
Flußstaustufen eingegangen.
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Zunächst ist es für die Auslegung von Steuerungseinrichtungen von
Bedeutung, ob die Kraftwerke entweder in reinem Laufwasserbetrieb oder in Schwellbetrieb
gefahren werden.
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Bei reinem Laufwasserbetrieb kann man eine weitere Unterteilung vornehmen
nach Staustufenketten 1. mit geringen seitlichen Zuflüssen in den einzelnen Stauhaltungen,
2. mit beträchtlichen Nebenzuflüssen, 3. mit Schiffahrt und Schleusungen.
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Diesen drei Fällen ist gemeinsam, daß ausschließlich der verfügbare
Zufluß, d. h. die natürliche Wasserdarbletung des Flusses, für die Steuerung der
einzelnen Stufen maßgebend ist. Die richtige Erfassung dieser Größe ist also die
Voraussetzung für die Steuerung der Staustufen. Wenn oberhalb der ersten Staustufe
der Fluß eine freie, d. h. ungestaute Fließstrecke besitzt, kann aus einer Pegelmessung
in dieser der Zufluß abgeleitet werden. Ist dies nicht der Fall, so vermögen die
Betriebswerte einer oberhalb gelegenen fremden Staustufe die notwendigen Daten zu
liefern. In beiden Fällen ist eine Fernwirkverbindung erforderlich. Richtige Steuerung
nach einem bekannten Zufluß sichert gleichzeitig die Konstanthaltung des festgelegten
Oberwasserpegels bzw. Stauziels; denn der Inhalt des Stauraums erfährt keine Veränderung.
Umgekehrt bedeutet Steuerung einer Staustufe auf konstanten Oberwasserpegel zwangläufig
Steuerung auf den richtigen Durchflußwert. Auf diesem Umweg werden seit alters Flußwasserkraftwerke
im Handbetrieb gefahren, aber auch für eine mechanische Steuerung ist der Oberwasserpegel
als Regelgröße nützlich bzw. dann unentbehrlich, wenn Schwierigkeiten bestehen,
den Zufluß mit einer der erwähnten Methoden zu erfassen. Das Problem der Oberwasserpegelregelung
liegt in der großen Trägheit, mit der der Pegelwert infolge des großen Volumens
des Stauraums von den Staustufen auf Änderungen im Zu- oder Abfluß anspricht. Demgegenüber
wirken sich Schwankungen durch Schleusungen, Schiffsbewegungen und Wind sehr schnell
aus. Der Vorteil der Oberwasserpegelregelung liegt in ihrer völligen Unabhängigkeit
und Zuverlässigkeit, die besonders da von Nutzen ist, wo die Einhaltung des Staupegels
mit geringer Toleranz gefordert wird, wie z. B. an Schiffahrtsstraßen mit heiklen
Fahrwasserverhältnissen oder niedrigen Brückendurchfahrten. Je genauer der Pegel
allerdings eingehalten wird, um so genauer werden auch alle Schwankungen der Wasserführung
weitergegeben, während man normalerweise die Puffermöglichkeit der Stauräume durch
Zubilligung einer größeren Pegeltoleranz ausnutzt und so die Wasserführung vergleichmäßigt.
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Bei Kraftwerksketten mit Schwellbetrieb erfolgt die Steuerung nicht
mehr oder nicht mehr allein nach dem natürlichen Zufluß, sondern nach einem durch
den Abnehmer der elektrischen Energie festgelegten Programm, dem Grenzen gesetzt
sind durch den Inhalt eines Kopfspeichers und eines am Ende der Kette gelegenen
Ausgleichspeichers. -
Letztere Methode ist anpassungsfähiger; sie
macht jedoch eine Fernwirkverbindung zwischen dem ersten und dem letzten Kraftwerk
notwendig.
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Kraftwerksketten im reinen Laufbetrieb ohne große Nebenflüsse stellen
innerhalb der ausgebauten Strecke den einfachsten Fall dar. Von betriebstechnischer
Seite besteht keine Veranlassung, sie von zentraler Stelle aus fernzusteuern.
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Bei einer derartigen Kette, in der jede Staustufe mit einer vollständigen
und unabhängigen Oberwasserselbststeuerung ausgerüstet ist, geben alle Geräte die
etwa gleichen Steuerbefehle mit einer Zeitverschiebung, die sich aus der Laufzeit
von Wasserführungsänderungen ergibt. Nachdem man den Zufluß in der ersten Staustufe
feststellen kann, besteht an sich keine Notwendigkeit, in den folgenden Stufen die
richtige Einstellung der Turbinen und Wehröffnungen auf Grund der Oberwasserpegeländerung
zu ermitteln. Mit einer einfachen Fernwirk verbindung von Stufe zu Stufe,- die nur
einen dem Staustufendurchfluß analogen elektrischen Wert von jeder Staustufe an
seinen Unterlieger weitergibt, kommt man zu einer sehr wirtschaftlichen Lösung.
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Es sind verschiedene Regeleinrichtungen - elektrische oder nicht elektrische
- bekannt, welche die Auf- und Zubefehle für Turbinen und Wehre von einem Oberwasserpegel
oder einem Stauraumpegel oder von beiden zusammen ableiten.
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Im einfachsten Fall handelt es sich um eine Minimal- und eine Maximalelektrode,
von denen ein Verstelhnotor gesteuert wird. Solange die Maximalelektrode in den
Pegel eintaucht, erhält der Verstenmotor einen Aufbefehl; solange die Minimalelektrode
austaucht, erhält der Verstelhnotor einen Zubefehl, Das naturgemäß schlechte Regelverhalten
wird meist durch ein Impuls-Pausen-Relais, das die Laufzeit des V.erstellmotors
künstlich verlängert, verbessert (Dreipunktregelung mit nachgeschaltetem integralem
Stellglied).
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Weiterhin gibt es Regeleinrichtungen, die den zu regelnden Pegel mit
einem Sollwert vergleichen und die. Abweichung einem Regler zuführen, der daraus
ein proportionales, ein differentiales und ein integrales Signal bildet. Am Ausgang
dieses stetigen Reglers kann ein Signal abgenommen werden, das einen Summensolldurchfluß
für die betreffende Staustufe darstellt. Dieser Summensolldurchfluß wird mit dem
Summenistdurchfluß verglichen, und aus der Abweichung werden im abgleichenden Sinn
wirkende Stellbefehle abgeleitet. Es muß bei dieser Regeleinrichtung also aüch der
Summenistdurchfluß ermittelt werden, z. B. durch Erfassung von Fallhöhe und Leitradöffnung
oder Fallhöhe und Wehröffnung oder Pegeldifferenz für eine Fließstrecke (ÖZE, 12.
Jahrgang, H. 2, 1959:; S.166, Abb. 6 a).
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Allen genannten Regeleinrichtungen ist gemeinsam, daß sie ohne Beeinflussung
durch eine oberhalb liegende Staustufe arbeiten. Eine Zuflußänderung wird von diesen
Regeleinrichtungen nur durch eine Regelabweichung des Pegels festgestellt. Die Regelabweichung
bewirkt eine Anpassung des Durchflusses der Staustufe an den Zufluß. Um jedoch den
Pegel auf seinen Sollwert zurückzuführen, muß eine zusätzliche Wassermenge abgeführt
werden; mit anderen Worten: der zeitliche Verlauf des Durchflusses der Staustufe
wird größere" Amplituden aufweisen als der sich ändernde Zufluß. Die Erfindung beseitigt
diese Nachteile nun dadurch, daß die Störgröße aus der Differenz der in elektrische
Größen umgeformten Durchflüsse der Staustufe (Kraftwerkstufe) und ihres Oberliegers
gebildet ist.
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Eine andere- Lösung besteht darin, daß die Störgröße aus dem ersten
Differentialquotienten des in eine elektrische Größe umgeformten Unterwasserpegels
des Oberliegers gebildet ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung soll der Durchflußwert
des Oberhegers in die Schaltung zeitlich so verzögert eingeführt werden, daß die
tatsächlich bei der Staustufe eintreffenden Zuflußänderungen durch die Durchflußänderung
der Staustufe kompensiert werden.
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Bei einer solchen Regeleinrichtung besteht eine Ausführungsform darin,
daß die Oberwasser-Pegelabweichung direkt und der erste Differentialquotient des
Unterwasserpegels des Oberhegers über einen Verstärker auf ein vor dem Regler liegendes
Summierglied geschaltet sind, dessen Ausgangsgröße nach Integration dem Regler zugeführt
ist.
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Besonders vorteilhaft ist diese Variante in Verbindung mit einem PI-Regler,
weil durch den Integralanteil des Reglers der Differentialquotient des Unterwasserpegels
unter Ausschaltung eines festen Bezugspunktes integriert wird und bei nicht eingestauten
Staustufen somit ein Maß für die Durchflußänderung des Oberliegers (Schlüsselkurve)
darstellt. Durch die Ausschaltung des festen Bezugspunktes wird erreicht, daß auch
bei Änderungen der Schlüsselkurve (z. B. Änderung des F.lußbettes durch Verlandung)
diese Störgrößenaufschaltung zuverlässig bleibt.
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Den erfindungsgemäßen Regeleinrichtungen ist gemeinsam, daß die Stellbefehle
für Turbinen und Wehre neben der Abhängigkeit vom Oberwasserpegel oder einem Stauraumpegel
zusätzlich vom Durchfluß des Oberhegers abhängen. Diese führt zu früherem Eingreifen
in die Steuerung der Staustufe bei sich ändernden Zuflußwerten. Neben kleineren
Pegelabweichungen werden Überschwingungen im Durchfluß vermieden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im folgenden an Hand von zwei
Ausführungsbeispielen beschrieben und in der Zeichnung dargestellt.
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F i g.1 zeigt eine elektrische Regeleinrichtung, bei der die Pegel
und Durchflüsse in elektrische Größen gewandelt und miteinander verglichen werden,
wobei abhängig vom Differenzwert Befehle auf ein Stellglied der Staustufe gegeben
werden; F i g. 2 zeigt eine ähnliche elektrische Regeleinrichtung, bei der jedoch
der Differentialquotient des Unterwasserpegels des Oberliegers erfaßt und mit anderen
Meßgrößen zur Steuerung herangezogen wird.
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Im rechten Teil der F i g. 1 ist das -Prinzip der Regeleinrichtung
einer Flußstaustufe gezeigt. In einer Brückenschaltung, bestehend aus mehreren Potentiometem
2 a,15, liegt ein Meßglied 4 in der Diagonale. Wenn das mit dem Oberwasserpegel
1 verbundene Potentiometer 15 vom Sollwert abweicht, wird die Brücke verstimmt.
Ein Strom fließt durch das Meßglied 4 und schaltet beim Überschreiten der eingestellten
Grenzmarken, d. h. der gewünschten Toleranz des Pegels, den Stellmotor 26, z. B.
für die Turbinenöffnung 9 a, ein.
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Mit dieser Maßnahme allein wird aber der gewünschte vorteilhafte Effekt
nicht erzielt, sondern es
werden vielmehr bei den nachfolgenden
Staustufen überschwingungen des Durchflusses auftreten. Gemäß der Erfindung wird
deshalb noch der Durchfluß 5 der Staustufe und der Durchfluß 6 des Oberliegers erfaßt
und z. B. mit Hilfe von Brückenschaltungen 5 a, 6 a in elektrische Größen
umgeformt. Die Differenz 8 aus dem Vergleich dieser beiden Größen, die erforderlichenfalls
vorher verstärkt (7 a, 7 b) worden sind, wird ebenfalls auf den Regler 4
gegeben und mit der elektrischen Größe 3 verglichen, die aus der Brückenschaltung
2 a,15 im rechten Teil der F i g.1 gewonnen worden ist.
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Mit dieser Schaltung wird den unvermeidlichen Fehlern in der Erfassung
der Durchflußwerte und in der Nachsteuerung Rechnung getragen, die ohne diese Aufschaltung
zu einem langsamen Ansteigen oder Absinken des Pegels im Stauraum führen würden.
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Gemäß F i g. 2 kann die Steuerung von Staustufen in einer Kette auch
in der Weise erfolgen, daß an Stelle der Öffnungen von Turbinen und Wehren der Unterwasserpegel
10 oder noch besser der Differentialquotient 11 des Unterwasserpegels des Oberliegers
als Maßstab für den Durchfluß bzw. seine Änderung herangezogen und übertragen wird.
Dadurch können starke Änderungen des Zuflusses soweit wie möglich im Stauraum ausgeglichen
werden.
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Steht z. B. der Unterwasserpegel eines Oberliegers nicht zur Verfügung,
was z. B. dann der Fall ist, wenn es sich um das Kopfkraftwerk handelt, dann kann
ein geeigneter Pegel des Zuflusses oder Pegel einer weiter aufwärts liegenden fremden
Staustufe herangezogen werden. Weitere zu berücksichtigende Einflüsse treten auf
bei Betrieb an einer Wasserstraße mit Schleusungen. Schleusungen schmälern den nutzbaren
Zufluß und verursachen durch den Schleusenvorgang selbst, d. h. durch kurzzeitigen
starken Wasserentzug und ebensolche Abgabe, beträchtliche Pegelschwankungen. Solche
Schwankungen können auch durch Windeinfluß entstehen. Um die Oberwasserselbststeuerung
auch für diesen Zweck verwendbar zu machen, wird nicht der Pegelwert selbst, sondern
das Integral der Abweichungen vom Sollwert über eine bestimmte Zeit verwertet oder
ein Mittelwert.
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In F i g.1 ist das Prinzip der Schaltung dargestellt. Das Mittelwertpotentiometer
16 ersetzt hier das Oberwasserpotentiometer 15 in der Brückenschaltung mit dem Meßglied
4. Es wird dem Oberwasserpegel 1 gedämpft nachgeführt durch eine weitere selbstabgleichende
Brückenschaltung, in deren Diagonale der Nachstellmotor 14 für das Mittelwertpotentiometer
16 liegt. Im übrigen gleicht die Schaltung der in F i g. 2 gezeigten.
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Wie aus F i g. 2 zu erkennen ist, liegt in der Diagonale 18 der Vergleichseinrichtung
ein Widerstand 17, der mit Hilfe der Relais 4 a, 4 b kurzgeschlossen wird, sobald
der Regler 4 einen der Grenzwerte überschreitet. Mit dieser Maßnahme wird verhindert,
daß der Stellmotor 20 zu früh abgeschaltet wird, ohne daß eine hinreichend große
Verstellung des Stellgliedes 9 a erfolgt ist, was zu einer zu großen Schalthäufigkeit
führen würde. Durch das Kurzschließen des Widerstandes 17 wird im Regler eine sprunghafte
Veränderung des Stromes bei über- bzw. Unterschreiten der Ansprechgrenze bewirkt.
Man erzielt damit eine eindeutige Kontaktgabe, und außerdem kann durch eine Veränderung
der Größe des Widerstandes 17 der Stellschritt der Wasserführung angepaßt werden.
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Die erfindungsgemäßen Steuervorrichtungen sind mit besonderem Vorteil
beim Fahren eines sogenannten Schwellbetriebs anwendbar, der üblicherweise zur Deckung
von Leistungsspitzen dient. Bei einer solchen Anwendung braucht lediglich der Abfluß
des Staubeckens entweder von Hand oder nach einem aus Erfahrungswerten gebildeten
Programm geöffnet zu werden, wobei zunächst das Kopfkraftwerk und daran anschließend
alle weiteren Staustufen selbsttätig auf erhöhten Durchfluß und entsprechende Leistungsabgabe
steuern.