專利名稱：渦輪機和渦輪機用調速器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用同一轉子改變旋轉方向地能夠使泵、水輪雙方運轉的渦輪機。
背景技術：
一般，使用同一轉子切換方向地使泵和水輪運轉的渦輪機的轉子為了在泵運轉時得到規(guī)定的升程，而設計得使離心泵的作用能夠充分發(fā)揮。但是，該設計也給渦輪機的水輪運轉帶來了壞影響。被稱為S形特性的特性表現(xiàn)得忽大忽小，并可以考慮難以完全回避它。特別在水輪運轉啟動時的同步控制階段，為了將發(fā)電機平穩(wěn)地并聯(lián)到電力系統(tǒng)上，要在運轉點不受S形特性的影響地啟動水輪運轉。
另外，本發(fā)明涉及在受S形特性的影響的運轉點啟動渦輪機的水輪運轉，但是在現(xiàn)有技術中，還沒有有關如上述那樣，在不受S形特性的影響的運轉點進行啟動，同時在受到S形特性影響的運轉點也啟動水輪運轉的渦流機的先行技術。
作為考慮了S形特性的渦輪機的水輪運轉啟動的技術，有本發(fā)明者提案出的特愿2001-106613號“渦輪機”。
專利文獻1特愿2001-106613號。
如果要提高渦輪機的泵的性能，則要在S形特性的影響變大，且能夠將發(fā)電機平穩(wěn)地并聯(lián)到電力系統(tǒng)的水輪運轉啟動時的運轉點轉移到高落差側，則限制了能夠啟動渦輪機的落差。但是，即使要提高渦輪機的性能，也希望在S形特性的影響下運轉點不被限制，另外，如果考慮運轉的自由度，則希望在更低的落差側能夠穩(wěn)定地啟動渦輪機。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種在渦輪機的水輪啟動時，在低落差下也不受S形特性的影響地使渦輪機的旋轉數(shù)與系統(tǒng)頻率數(shù)同步，能夠將發(fā)電機平穩(wěn)地并聯(lián)到電力系統(tǒng)上的渦輪機。
另外，本發(fā)明的另一個目的在于提供一種通過解決因S形特性而不能使水輪運轉側同步的問題、不能并聯(lián)的問題，而能夠更加提高泵運轉的性能的渦輪機。
為了達到上述目的，本發(fā)明使調速器具備在進行規(guī)定落差以下的發(fā)電模式啟動時，在使轉子的旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步的同步控制階段，使旋轉速度的控制系統(tǒng)的微分演算元件的影響度與其他運算元件的影響度相比處于支配地位的控制模式。
另外，本發(fā)明使調速器具備在受S形特性影響的區(qū)域進行發(fā)電模式啟動時，在使轉子的旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步的同步控制階段，使旋轉速度的控制系統(tǒng)的微分演算元件的影響度與其他運算元件的影響度相比處于支配地位的控制模式。
進而，具體地說，上述目的通過權利要求所記載的結構而達成。


圖1是具有S特性的渦輪機的特性圖。
圖2是展示使用現(xiàn)有技術進行發(fā)電模式啟動的情況下的渦輪機的動作解析例子的圖。
圖3是展示控制對象的水輪和發(fā)電機的線性化模擬模型的圖。
圖4是展示控制對象的水輪和發(fā)電機的線性化模擬模型的圖。
圖5是展示包含控制對象的旋轉速度控制系統(tǒng)的線性化模擬模型的圖。
圖6是展示最新的IEC規(guī)格的水輪調速器的圖。
圖7是展示本發(fā)明的渦輪機的發(fā)電模式啟動時的動作解析例子的圖。
圖8是展示本發(fā)明的渦輪機的發(fā)電模式啟動時的動作解析例子的圖。
圖9是展示本發(fā)明的渦輪機的發(fā)電模式啟動時的動作解析例子的圖。
圖10是展示本發(fā)明的渦輪機的發(fā)電模式啟動時的動作解析例子的圖。
圖11是展示本發(fā)明的渦輪機的發(fā)電模式啟動時的動作解析例子的圖。
圖12是調速器的結構圖。
圖13是具備本發(fā)明的調速器的渦輪機的框圖。
圖14是說明調速器的速度調整部件、輸出調整部件、速度調整率設置部件的作用的圖。
具體實施例方式
在詳細說明本發(fā)明的實施例之前，先說明也包含在現(xiàn)有技術的問題中的渦輪機的運轉特性。
渦輪機的流量特性一般用將導葉散度作為參數(shù)的表示對應于單位落差的旋轉數(shù)(N1=N/H]]>)與對應于單位落差的流量(Q1=Q/H]]>)的關系的一群特性曲線來表示。另一方面，渦輪機的轉矩特性用將導葉散度作為參數(shù)的表示對應于單位落差的旋轉數(shù)(N1=N/H]]>)與對應于單位落差的轉矩(T1＝T/H)的關系的一群特性曲線來表示。另外，將這2種特性曲線統(tǒng)稱為完全特性。
另外，上述流量特性曲線在水輪運轉區(qū)域中，具有伴隨著N1的值的增加而Q1的值減少的第1部分、伴隨著N1的值的減少而Q1的值也減少的第2部分。但是，即使在上述第1部分中，也有伴隨著N1的值的增加而Q1的值相對緩慢地減少的部分(將其稱為笫1部分的緩變部分)、伴隨著N1的值的增加而Q1的值急劇減少的部分(將其稱為第1部分的急變部分)。在本發(fā)明中，為了說明的簡便，將上述第2部分和上述第1部分的急變部分統(tǒng)稱為S形特性部分。在S形特性部分的水輪運轉中，有對應于單位落差的轉矩(T1)和對應于單位落差的流量(Q1)同樣地伴隨著對應于單位落差的旋轉數(shù)(N1)的增加而減少的第1部分、伴隨著N1的減少而減少的第2部分。
渦輪機的發(fā)電模式的通常運轉在上述第1部分的緩變部分中進行。但是，即使在相同的有效落差下，即在相同的N1下，水輪輸出越變小，即導葉散度越變小，則該導葉散度的S形特性越接近通常運轉的N1范圍。在啟動渦輪機時，特別在將旋轉速度提升到額定速度附近，進行與電力系統(tǒng)的同步化控制的時刻，導葉散度成為無負荷散度，因而，在通常運轉下當然地成為了最小導葉散度，是S形特性部分最接近通常運轉的N1范圍的時刻。在有效落差最低的情況下，由于H成為最小所以N1成為最大，即使從運轉點的方面看，向S形特性接近的條件也變得更惡劣了。其結果是，在將旋轉速度提升到額定速度附近，進行與電力系統(tǒng)頻率的同步化控制的階段，也有很多運轉點進入S形特性部分，位于上述笫1部分的急變部分的情況。所以，在落差變動幅度非常寬，相對于基準有效落差的最低有效落差的比非常小的情況下，最低有效落差下的條件就更惡劣了。根據(jù)情況，在將旋轉速度提升到額定旋轉速度附近的階段，運轉點有可能落到S形特性的上述第2部分中。即使在落差變動幅度不那么寬的情況下，在水輪啟動時，至少有必要從流量為0開始增加到無負荷相當流量，而無法避免水擊的影響，運轉點也有可能過渡性地深入到S形特性中。
圖1(A)和圖1(B)展示了在水輪運轉區(qū)域中具有S形特性的渦輪機的特性。在圖1(A)中展示了以導葉散度為參數(shù)，對應于單位落差的旋轉數(shù)(N1)與對應于單位落差的流量(Q1)的關系的渦輪機的特性。而在圖1(B)中展示了同樣以導葉散度為參數(shù)，對應于單位落差的旋轉數(shù)(N1)與對應于單位落差的轉矩(T1)的關系的渦輪機的特性。在上述說明中，符號N、Q、H和T分別表示渦輪機的旋轉數(shù)、流量、有效落差和轉矩。
在規(guī)定的相對較大的導葉散度下能夠得到特性曲線1和1`。在比其小的導葉散度下能夠得到特性曲線2和2`。在比其更小的導葉散度下能夠得到特性曲線3和3`。
在特性曲線1的第2部分，即a-d-h部分中，Q1的值伴隨著N1的減少而減少。同樣，曲線部分b-e-i是在特性曲線2的第2部分中的伴隨著N1的減少而Q1減少的部分。進而，曲線部分c-f-j是在特性曲線3的第2部分中的同樣伴隨著N1的減少而Q1減少的部分。一看就能夠明了地，特性曲線1的第2部分a-d-h比特性曲線2的第2部分b-e-i長，特性曲線2的第2部分b-e-i比特性曲線3的第2部分c-f-j長。這意味著如果導葉散度變小，則S形特性部分的Q1軸方向的長度變短。
與圖1(A)一樣，在圖1(B)中，曲線部分a`-d`-h`、b`-e`-i`和c`-f`-j`分別是特性曲線1`、2`和3`的第2部分。
圖1(B)與圖1(A)有緊密的關系。例如，滿足圖1(A)的曲線3上的Q1＝Q1X，N1＝N1X的點對應于圖1(B)的曲線3`上的點x`。點x`是滿足T1＝T1X`，N1＝N1X`(＝N1X)的點。同樣，圖1(A)中的點a、b、c、d、e、f、h、i和j分別與圖1(B)中的點a`、b`、c`、d`、e`、f`、h`、I`和i`對應。
曲線NR是無負荷流量曲線。曲線1、2、3和曲線NR的交點α、β、γ分別對應于曲線1`、2`、3`與軸(T1＝0)的交點α`、β`、γ`。
如果考慮在發(fā)電模式下啟動的時候，在發(fā)電機負荷≈0的情況下，有必要將旋轉速度從0提升到額定的N0，但，如果在上述的N1-T1特性的條件下進行考慮，則需要將運轉點從停止的原點(N1＝0、T1＝0)在T1軸上向左側移動到N1=N0/H.]]>例如，在將N提升到N0的時刻，在T1軸與在當時的H下求出的N1=N0/H]]>的線的交點到了α點和β點之間的情況下，有必要使導葉散度擴展到1和2之間。而如果在N1-Q1特性角度下觀察上述水輪啟動，則運轉點從起點(N1＝0、Q1＝0)移動到了NR線上的α點和β點的中間點。即，有必要使Q1增大到α點的Q1和β點的Q1的中間值，同樣將流量Q增大到相當量。
但是，在與水輪連接的發(fā)電機是同步發(fā)電機的情況下，用來與電力系統(tǒng)并聯(lián)的旋轉速度，即額定旋轉速度N0不變，但N1隨著落差而變大或變小。即，在最低落差的情況下，有必要在最大N1下使旋轉速度與電力系統(tǒng)頻率同步，在這種情況下，運轉點已經難以保留在流量特性曲線的第1部分的緩變部分中了，而位于第1部分的急變部分中。
另外，在使用同一轉子切換旋轉方向地進行泵運轉和水輪運轉的渦輪機的情況下，為了在泵運轉時充分發(fā)揮離心泵作用，必須使轉子形狀成為扁平狀。因此，在水輪運轉中成為S形特性，即因離心力而使逆流特性向N1低的方向移動，接近通常的運轉范圍。即，在渦輪機中，一般如果要提高泵的性能，則在水輪運轉側向S形特性的通常運轉的N1范圍接近，結果就產生了發(fā)電模式啟動時的旋轉速度控制問題。
因此，根據(jù)情況，將旋轉速度提升到額定值附近后會反復擺動，產生不能將發(fā)電機并聯(lián)到電力系統(tǒng)上的問題。特別在并聯(lián)到電力系統(tǒng)上之前的同步控制階段，運轉點成為S形特性的第2部分的情況下，在現(xiàn)有技術中不能控制旋轉速度，因而不能進行并聯(lián)。如果不能進行并聯(lián)，則在該落差下不能作為發(fā)電設備使用，其損失很大。
圖2展示了在同步控制階段運轉點進入到S形特性的第2部分的情況下，使用典型的現(xiàn)有技術進行發(fā)電模式啟動的情況下的解析例子。其中，(A)展示了導葉散度Y、水輪流量Q、旋轉速度N和水輪輸出P的時間對應圖，(B)展示了導葉散度Y、水輪流量Q和有效落差H的時間對應圖，(C)展示了從啟動開始到調速器的同步控制階段為止的N1-Q1平面上的運轉點的軌跡，(D)展示了對調速器的PID各運算部件的輸出信號Zp、Zi、Zd與旋轉速度N的時間對應圖。另外，圖12是展示調速器的結構的圖，其中G10表示目標旋轉速度設置部件，G11表示確定N與目標旋轉速度設置部件發(fā)出的目標旋轉速度信號N0的差的比較部件，G01表示符號變換部件，G02表示比例運算部件，G03表示積分運算部件，G04表示微分運算部件，G05表示加法運算部件，G06表示油壓放大部件，G07表示將導葉伺服電動機散度轉換為導葉散度的連接機構部件。另外，G09是對由G08的導葉散度控制裝置設置的導葉散度上限限制Y0和PID運算部件的綜合信號∑Z進行比較，輸出其中低的一個的LVG(低值過濾門)。另外，在導葉散度限制裝置限制調速器運算部件輸出的時候，使I運算元件的輸出不隨意超出導葉散度限制裝置的設置值那樣地進行關聯(lián)限制。另外，在啟動開始前，使目標旋轉速度N0處于額定旋轉速度附近，使導葉散度限制的設置值Y0具有能夠得到水輪啟動所必需的轉矩的充分大小，并且不會產生過大的旋轉速度的過載那樣地設置各個散度(以下稱為啟動散度)。說明圖2(A)，在啟動開始前，如果開始提高作為0的導葉散度控制裝置的設置值，則導葉隨之相應展開，水輪流量也開始增加。很快，水輪產生的轉矩超過靜摩擦轉矩，旋轉速度開始上升。一旦旋轉速度接近目標旋轉速度，則開始調速器控制，但旋轉速度會不穩(wěn)定而上下反復擺動，導葉反復開閉，水輪輸出反復增減。在該狀態(tài)下，同步和并聯(lián)都不行。當然，如圖2所示，這時的流量也反復增減，伴隨于此水擊壓也反復變動。其理由是如通過圖2(C)所明了的那樣，在旋轉速度接近額定值的階段，渦輪機的運轉點進入S形特性的第2部分，然后S形特性開始在Q1的上下方向來回移動。根據(jù)發(fā)明者的最新研究，該現(xiàn)象已經漸漸被詳細明了。其詳細將在后面詳述。另外，圖2(D)展示了這時的調速器的比例運算部件的輸出Zp、積分運算部件的輸出Zi、微分運算部件的輸出Zd的應答與旋轉速度N的動向的對比。
根據(jù)本發(fā)明的上述分析，水輪啟動時，特別在同步控制階段的運轉點進入了S形特性的第2部分那樣的惡劣條件下，也能夠進行調速器的旋轉速度控制，是可以將能夠進行同步、并聯(lián)的落差范圍大幅度地擴大到水輪運轉側的。另外，通過解決因該S形特性造成的水輪運轉側的不能同步的問題、不能并聯(lián)的問題，能夠進一步提高泵的運轉性能。
下面，先說明通過發(fā)明者的最新研究得到的本發(fā)明的理論背景。旋轉速度調速器的控制對象是渦輪機和發(fā)電機，但可以如下那樣地近似模擬控制對象。另外，以將水輪上下流水通路作為剛體進行處理的剛性理論為基礎。首先，考慮如下的基礎式。
Q=Q0+ΔQ=Q0+∂Q∂YΔY+∂Q∂NΔN+∂Q∂HΔH]]>式1
Ψ=Ψ0+ΔΨ=Ψ0+∂Ψ∂YΔY+∂Ψ∂NΔN+∂Ψ∂HΔH]]>式2ΔH=-LAgdQdt]]>式3Pt＝Pt0+ΔPt＝9.8ΨQH 式4dNdt=602×4×102gΔPt4π2N0GD2=365000ΔPtN0GD2]]>式5另外，Q表示水輪流量(m3/s)，Q0表示水輪流量的初始值，Y表示導葉散度(pu)，Y0表示導葉散度的初始值，N表示旋轉速度(rpm)，N0表示旋轉速度的初始值，H表示有效落差(m)，H0表示表示有效落差的初始值，Ψ表示水輪效率，Ψ0表示水輪效率的初始值，L表示水輪上下流水通路的全長(m)，A表示水輪上下流水通路的平均截面積(m2)，g表示重力加速度(m/s2)，t表示時間(s)，Pt表示水輪輸出(KW)，Pt0表示水輪輸出的初始值，有旋轉平方力矩(kgf·m2)∶I＝(GD2/4g)的關系。
在此，在與額定輸出相當?shù)膶~Yr、額定旋轉速度Nr、基準落差Hr、額定流量Qr、額定輸出Ptr、額定輸出和基準落差時的效率Ψr下，如下這樣對各變量進行一次方化。
設y＝ΔY/Yr，n＝ΔN/Nr，h＝ΔH/Hr，q＝ΔQ/Qr，pt＝ΔPt/Ptr，η＝ΔΨ/Ψr，并且η0＝ΔΨ0/Ψr，q0＝Q0/Qr，pt0＝Pt0/Ptr，h0＝H0/Hr，y0＝Y0/Yr，n0＝N0/Nr，則如果設想初始條件附近的微小變化，則可以如圖3或圖4那樣地對控制對象進行線性模擬。另外，y是作為控制對象的輸入的導葉散度(p.u.)，pt是水輪輸出(p.u.)，n是作為控制對象的輸出的旋轉速度(p.u.)。另外，Tm在水輪和發(fā)電機的慣性效果的時間常量(sec)下相當于(NrN0GD2)/(36500Ptr)。Tw在水輪上下流水通路的時間常量(sec)下相當于(L Qr)/(A Hrg)。S是拉普拉斯算子，如下這樣地分別定義系數(shù)Cph、Cpy、Cpn、Cqq、Cqy、Cqn。
Cph=η0q0+∂Q∂HH0Qrη0+∂Ψ∂HH0Ψrq0]]>式6Cpy=(∂Q∂Yη0Qr+∂Ψ∂Yq0Ψr)h0Yr]]>式7Cpn=(∂Q∂Nη0Qr+∂Ψ∂Nq0Ψr)h0Nr]]>式8Cqq=Qr∂Q∂HHr]]>式9Cqy=∂Q∂YYr∂Q∂HHr]]>式10Cqn=∂Q∂NNr∂Q∂HHr]]>式11另外，在運轉點位于S形特性的第2部分中時，(Q1/N1)＞0，(T1/N1)＞0，因而在通常的運轉區(qū)域正的Cqq成為負，被虛線包圍的h→q→h的閉環(huán)電路成為正反饋電路，在通常的運轉區(qū)域負的Cpn成為正，被虛線包圍的pt→n→pt的閉環(huán)電路成為正反饋電路。進而，在通常的運轉區(qū)域正的水輪輸出Pt的常數(shù)項增益Cpy成為負，如果導葉y打開，則Pt的常數(shù)項反而減少，通過現(xiàn)有技術的調速器是不可能進行穩(wěn)定的旋轉速度控制的。圖5是組合了如上述那樣地線性化了的控制對象的模型和線性化了的典型的PID型調速器的模型(用虛線圍起來的部分)的旋轉速度控制系統(tǒng)整體的框圖。另外，G01表示符號變換部件，G02表示比例運算部件，G03表示積分運算部件，G04表示微分運算部件，G05表示加法運算部件，G06表示油壓放大部件，G07表示將導葉伺服電動機散度轉換為導葉散度的連接機構部件。另外，Kp表示比例增益，Ki表示積分增益，Kd表示微分增益，Ty表示油壓放大部件的時間常數(shù)，KGV＝y(tǒng)/ySV。在此，調速器的設置值被設置為與現(xiàn)有技術的通常運轉用的值相同，或與其相近的例如Kp＝2.3，Ki＝0.2，Kd＝2。根據(jù)本發(fā)明的最新研究，可以解釋為適于水輪輸出pt的常數(shù)項增益Cpy＞0的通常運轉那樣地調速器側的常數(shù)項Ki也變得相對較大了。因此，如果調速器提高旋轉速度n，則導葉散度y閉和，降低水輪輸出，但在運轉點位于S形特性的第2部分中的情況下，主要的Cpy＞0，實際上起到了相反的作用。在此基礎上，如上述那樣在2處出現(xiàn)了正反饋電路，可以說是確實沒有辦法了。圖2是為了更詳細地觀察這時的旋轉速度控制狀況，而用比圖4、圖5的線性化簡略圖更清楚的高精度的解析模型進行解析的結果。即，是水輪上下流水通路不用剛性理論而用彈性理論進行模擬，水輪特性使用實際的水輪特性(N1-Q1特性和N1-T1特性)，各種非線性元件也都盡量忠實于非線性地進行模擬的情況下的解析結果，可以考慮是幾乎表示了實物的動作。另外，在這種情況下，即使使用圖3、圖4、圖5的簡化模型，也同樣得到旋轉速度控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
下面，依據(jù)上述理論背景說明本發(fā)明的作用。先說明本發(fā)明的基本思想。即，在圖4中，由于Cpy＞0，所以旋轉速度控制被限制，所以代之以通常為負的水輪輸出pt的非常數(shù)項增益CqyCqh＞0成為正(Cqy＞0并且Cqh＞0)為著眼點，相反地設想通過由y→-h→pt→n→調速器→y構成的閉環(huán)進行旋轉速度控制。根據(jù)發(fā)明者的最新研究，通過使調速器的比例增益Kp和積分增益Ki比通常小，而使微分增益Kd比通常大，在通常的基礎上明顯地提高微分運算部件的輸出Zd占調速器運算部件的輸出信號∑z的比例，就能夠實現(xiàn)該目的。在微分運算強調形式下形成調速器的傳遞函數(shù)的理由是為了有效地得到通常是有害的水輪輸出pt的非常數(shù)項，即水擊作用。更具體地說，現(xiàn)在假設n在因S形特性的第2部分造成的逆特性下向降低方向劇降，則導葉y打開，使流量降低并在該水擊下降低h，由此，提高了pt并防止了n的劇烈降低，而得到了模擬穩(wěn)定狀態(tài)。Y的變化幅度伴隨著變化斜率而至少成為(水輪輸出pt的非常數(shù)項的變化幅度)＞(水輪輸出pt的常數(shù)項的變化幅度)。
在基準落差附近可以不用考慮運轉點進入到S形特性的第2部分中那樣的情況。另外，即使在同樣的發(fā)電模式的啟動時，在旋轉速度低的發(fā)電啟動模式的前半部分也可以不用考慮。這是由于N1=N/H]]>異常地高。結果，有可能發(fā)生問題的是在最低落差附近下提升到額定值附近的階段。因此，也可以在該階段采用上述微分運算強調控制模式。即，通常不需要上述微分運算強調控制模式，相反，由于有害的方面較大，所以要根據(jù)需要在可以使用的情況下再使用。
在發(fā)電模式的前半部分，沒有必要從旋轉速度低的階段開始設置微分運算強調控制。這是因為在旋轉速度低的階段，運轉點位于S形特性以外或S形特性的第1部分的緩變部分，沒有成為(Q1/N1)＞0或與其接近的直立斜率，從上述理論也可以明了。如果在該階段就設置為微分運算強調控制，則啟動所要時間變得異常地長，因而反而有害方面大。即，到充分提高旋轉速度為止，設置為通常的控制，此后再切換到微分運算強調控制。
但是，根據(jù)有關調速器的最新的國際規(guī)格IEC InternationalStandard 61362(Guide to Specification of Hydraulic Turbine ControlSystem)First Edition，PID型調速器被如圖6那樣地定義。在此，G11是加法運算部件，G12是比例運算部件，G13是微分運算部件，G14是微分運算部件，G15是加法運算部件，G16是通常用x的一次方程式對y進行賦值那樣的復原電路，被稱為速度調整率裝置。另外，上述IEC規(guī)格的x相當于圖5的n。另外，由于bp在速度調整率下一般只對調速器的過渡現(xiàn)象起作用，并不大，所以在圖5中忽略它。圖6的調速器的Kp與圖5的調速器的Kp相同，圖5的調速器Ki相當于圖6的調速器的Ki＝Kp/Ti，圖5的調速器Kd相當于圖6的調速器的Kd＝KpTv。另外，由于圖6的Tld充分小，所以在圖5中忽略它。另一方面，在圖6中，忽略圖5的油壓放大部件的時間常數(shù)Ty。這樣，在發(fā)電模式啟動時，在將旋轉速度提升到額定值附近的階段，將積分運算增益Ki與它以前相比大幅度地降低，而將微分運算增益Kd＝KpTv與它以前相比保持一樣或其以上，由此將調速器的運算部件設置為適時地進行微分運算強調控制。
在發(fā)電模式啟動時，如果在將旋轉速度提升到額定值附近的階段，不只是降低積分運算增益Ki，也同時降低比例增益Kp，則能夠更有效地進行微分運算強調控制。
在將該機器與電力系統(tǒng)同步、并聯(lián)后，迅速打開導葉，能夠使運轉點遠離S形特性。在此，“迅速打開導葉”是指不落入因S形特性帶來損害的電力的負側那樣地盡早將導葉打開規(guī)定散度以上。即，例如以同步并聯(lián)后猶豫2～3秒為條件，但由于在其間電力從0落入負電力側的可能性較高，所以不僅要盡早開始導葉的打開動作，還有必要以比通常速度高的打開速度進行打開，由此盡早避開S性特性的影響所及范圍。因此，理想的是在使旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步，將發(fā)電電動機與電力系統(tǒng)并聯(lián)后，盡早進行控制，即不落入因S形特性帶來損害的電力的負側那樣地盡早將導葉打開規(guī)定散度以上。如果不這樣，在并聯(lián)后運轉點就有可能突然動作，對系統(tǒng)造成外來損害。特別在發(fā)電模式下突然開始抽水，就有可能在正輸出時相反地送出負輸出。在導葉散度小的情況下，在并聯(lián)時刻的運轉點N1的Q1成為3值，而如果導葉散度上升則迅速成為2值，如果再上升則成為1值，運轉點確實地從S形特性離開，由此能夠如此地盡早進行回避(參照圖1)。
另外，根據(jù)上述最新的IEC調速器規(guī)格，比例增益Kp的調整范圍是0.6～10，所以應該有必要在上述微分運算強調設置中比0.6明顯低地設置Kp。另一方面，根據(jù)該IEC規(guī)格，微分增益Tv的調整范圍是0～2，所以即使例如與上述本發(fā)明的發(fā)明者的研究結果相反地停留在調整范圍下限的0.6，微分增益Kd＝KpTv的調整范圍也只是0～1.2。但是，在實際的微分運算強調設置中，可以考慮至少有必要設置Kd＝KpTv為5以上。
在上述微分運算強調設置中，相對于50秒以下的比較短的周期的N的變動波，幾乎都由微分運算元件所對應，其間積分運算元件幾乎保持一定值，或只分擔緩慢地對應相當于導葉散度應答波形的中間值。這是因為與微分元件相對于輸入的-N的波形以超前90度的相位差輸出應答波形相對，積分運算元件延遲90度地輸出應答波形，因此如果積分運算元件的增益充分小，上述比較短的周期的應答也參與到積分運算元件中的話，則積分運算元件的輸出會使對應的微分運算元件的輸出衰減。如果進行上述的微分運算強調設置，則調速器的運算部件的輸出幾乎成為了相對于-N信號超前90度的波形輸出，而相對于N信號輸出延遲90度的波形。在油壓放大部件中如果不能回避地產生若干相位延遲，則最終的導葉的應答波形成為相對于N波形延遲比90度稍大的波形。但是，如由上述理論所明了的那樣，由于有必要在N低下時適時地打開導葉，通過水擊壓降低有效落差，結果提高水輪輸出適時地使N回復，所以不允許最終的導葉的應答波形相對于N波形延遲到近180度。還是有必要保持在延遲120度左右。
以下，利用

本發(fā)明的實施例。圖13是具備本發(fā)明的一個實施例的調速器的渦輪機的框圖。
1是檢測水輪的旋轉速度N的速度檢測部件，XN是從上述速度檢測部件發(fā)出的速度檢測信號，2是設置旋轉速度的基準值的速度調整部件，X0是從速度調整部件2發(fā)出的設置值。3是使速度調整部件的設置值X0和上述速度檢測信號Xn的差，即速度偏差信號X0-Xn靠近從速度調整率設置部件發(fā)出的復原信號Xσ的加法器。其結果所得到的控制偏差信號Xε被輸入到構成旋轉速度控制裝置的主要部分的運算部件的PID運算電路。
在發(fā)電模式啟動前半部分，即從停止開始到將旋轉速度提升到第1指令值為止的之間，使用設置為比較高的增益的比例運算元件(P元件)4a，如果旋轉速度超過第1指令值，則使用用來進行微分運算強調設置的設置為比較低的增益的比例運算元件(P元件)4b。在觸點19a、19b進行該增益切換，它們是一種速度的切換觸點。當然，前者的比例運算元件的增益Kpa遠遠大于后者的比例運算元件的增益Kpb。增益Kpa例如是2.3，則增益Kpb是例如0.1。同樣，在從停止到將旋轉速度提升到第1指令值為止的之間使用的積分運算元件(I元件)5a與在旋轉速度超過第1指令值的條件下使用的積分運算元件(I元件)5b的切換也在觸點19a、19b進行。另外，前者的積分增益Kia遠遠大于后者的積分增益Kib。增益Kia例如是0.2，則增益Kib是例如0.02。另外，觸點19a、19b同時進行搖擺動作，打開下側觸點，關閉上側觸點。觸點19a、19b各有2個的理由是要同時一起切換比例運算元件、積分運算元件。
另外，微分運算元件6(D元件)的增益為了在充分提升旋轉速度并進行同步控制的階段進行微分強調設置，而從最初開始就被設置為充分大的值。例如是12。從微分運算元件6(D元件)輸出輸出信號信號Zd。另外，從觸點19b輸出比例運算元件的輸出信號Zp、微分運算元件的輸出信號Zi。
然后，這3個信號在加法運算部件7進行加法運算，其輸出∑Z表示了旋轉速度控制裝置的主運算部件求出的導葉散度指令。23是低值通過門，即在低值選擇電路，對2個輸入∑Z和Yu進行比較，將小的那一個信號作為最終的導葉散度指令Z進行輸出。但是，22是被稱為導葉散度控制裝置或負荷控制裝置的部件，所以Yu是在同一裝置中設置的導葉散度的上限限制值。即，由于無論從調速器的主運算部件輸出如何大的導葉散度指令∑Z，22的LVG的輸出都被限制在Yu，所以才被賦予了上述那樣的名稱。另外，未圖示，在使Yu＜∑Z，∑Z被限制的時候，積分運算元件5a或5b中的任意一個正在被使用的積分運算元件的輸出也被限制。
另一方面，用信號Y表示實際的導葉散度。
加法運算部件8、限制器9、油壓伺服機構10構成了一種油壓放大部件。即，加法運算部件8、限制器9、油壓伺服機構10構成了帶有限制器的一次延遲元件，是對最終的導葉散度指令Z進行放大，并轉換為具有對作為水量控制裝置的導葉進行直接操作所需要的充分的沖程和操作力的導葉散度Y的放大器。Yε1表示最終的導葉散度指令Z與實際的導葉散度Y的偏差。限制器9的θR是將導葉展開速度限制為θR/Ty，θL是將關閉速度限制為θL/Ty。Yε2是考慮了上述開閉速度限制而對偏差信號Yε1進行了限制的信號。用框圖說明了上述Yε 1、Yε2、限制器9，但在具體的制品中，也可以考慮為Yε1是被進行了位移限制的前控制閥柱塞的位移，Yε2是接受了位移限制的后控制閥柱塞的位移。
另外，向加法運算部件11輸入了從輸出調整部件13輸出的與希望輸出相當?shù)膶~散度設置信號Ya。另外，如果是在發(fā)電模式啟動的時候，則Ya成為無負荷散度相當信號。在實際的導葉散度Y＜Ya的情況下，到其差成為0為止向PID運算部件持續(xù)發(fā)送開信號σ(Y-Ya)，所以迅速地成為Y＝Ya，而穩(wěn)定在該階段。速度調整率設置部件12是設置上述系數(shù)σ的部件。換一種說法，σ是決定導葉散度Y的變化相對于速度檢測信號Xn的變化的比例的增益，一般考慮在電力系統(tǒng)中的該裝置的作用，即負荷分擔的比例進行一次設置后，就不能變更了。另外，14表示包含水路系統(tǒng)的水輪和發(fā)電機的總和的對象機。
在此，通過圖14(A)、(B)說明速度調整部件2、輸出調整部件13、速度調整率設置部件12的作用。另外，在此假設無負荷時的導葉散度為0.2(pu)。圖14(A)的右下的實線表示該裝置于電力系統(tǒng)連接之前的狀態(tài)。即，額定值N(同步速度)線與該實線的交點表示導葉散度，正好成為無負荷散度0.2。另外，在啟動水輪前，該實線被設置在比這低的位置。例如，設置在圖14(A)的虛線的位置。這樣，在圖14(A)的實線下側使該實線上下平行移動的是速度調整部件2。由于使該實線上下平行移動時在無負荷散度0.2線上的交點上下移動，所以被付與了速度調整部件的名稱。另一方面，通過圖14(B)說明該裝置與電力系統(tǒng)連接后的動作。在這種情況下，實線與額定速度的交點成為Y＝1.0。即，表示100％負荷運轉中。圖14(A)的并聯(lián)時的實線位置在圖14(B)中成為的虛線的位置。這樣，使實線平行移動，調整導葉散度的是輸出調整部件13。輸出調整部件13使實線在水平方向平行移動，在與無限大電力系統(tǒng)連接的狀態(tài)下，旋轉速度事實上固定在1.0，因而由于伴隨著實線的水平方向移動，N＝1.0線上的交點左右地移動，所以付與該名稱。在圖14(B)實線的設置中，穩(wěn)定時是在N＝1.0，Y＝1.0下運轉的，但現(xiàn)在如果電力系統(tǒng)的頻率上升3％而成為N＝1.03，則Y成為0.2。如果電力系統(tǒng)的上升幅度是1.5％，則Y被限制在Y＝0.6。這樣對頻率變化幅度和導葉限制幅度的之間賦予比例關系的是速度調整率設置部件12。如果使速度調整率設置部件12的增益增大，則圖14(B)實線的斜率更加偏向右下，相對于頻率變化的導葉散度應答幅度的增益下降。
另外，圖13的渦輪機14的運轉點在啟動前位于N1＝0，Q1＝0，由于設想極低落差，所以在將旋轉速度提升到額定旋轉速度附近的階段，N1進入到S形特性的成為(Q1/N1)＞0的逆斜率區(qū)域。該情況下成為控制對象的渦輪機的管路時間常數(shù)Tw＝2.87(s)，旋轉部件慣性的時間常數(shù)Tm＝16.2(s)。
下面，利用圖7～圖12所示的計算機模擬解析結果，說明圖13的本發(fā)明的實施例的從啟動到同步控制的動作。另外，該解析是與圖2的現(xiàn)有技術解析相當?shù)谋景l(fā)明的適用例子，是除了調速器的運算部件以外其他條件完全相同的解析。特別地只在啟動過程中轉移到微分運算強調設置這一點上不同。
圖7的(1)是旋轉速度N、導葉散度Y、水輪流量Q、水輪輸出Pt的時間應答圖。從10秒的時刻開始Y開始打開，伴隨于此流量也增加，但到水輪產生的轉矩＞靜摩擦轉矩的時刻(48秒)為止N保持為0。從58秒的時刻開始調速器開始控制。另外，這時的調速器運算部件的設置是Kp＝2.3，Ki＝0.2，Kd＝12。在約60秒的時刻以旋轉速度成為規(guī)定值以上為條件，調速器運算部件的Kp從2.3切換到0.1，Ki從0.2切換到0.02，調速器轉移到微分運算強調設置。另外，導葉不打開到由導葉散度限制裝置賦予的啟動散度以上，到此達到頂點。另外，由于從120秒的時刻開始將旋轉速度導向同步速度，所以緩慢地降低旋轉速度調整部件的設置值。如果將該圖7的(1)的結果與圖2(A)的現(xiàn)有技術的結果比較則可以明白，明顯地提高了旋轉速度的穩(wěn)定性，在同步控制階段也完全沒有問題。圖7的(2)是導葉散度Y、水輪流量Q、有效落差H的時間應答圖。在此，已知打開導葉時流量減少，關閉導葉時流量增加，與通常相反，運轉點位于S形特性的逆斜率區(qū)域。進而，判斷出伴隨著該流量變化的有效落差H的應答波形幾乎與導葉Y的波形相對地朝向相反方向。圖8的(3)是在從該水輪的啟動到同步控制階段的N1-Q1平面上的運轉點軌跡。很明顯同步控制控制階段的運轉點軌跡也是收斂的，與圖2(C)的現(xiàn)有技術的情況有很大的不同。圖8的(4)是相對于旋轉速度N的調速器的PID運算部件輸出Zp、Zi、Zd的應答圖。對調速器進行了微分運算強調設置后，Zp幾乎成為0，Zi的變化斜率極其緩慢。這樣，對應于N的變化的調速器的N穩(wěn)定化控制大多通過Zd進行。另外，將N波形的從上升到下降的轉移稱為上凸，將從下降到上升的轉移稱為下凸，將Zd波形的從上升到下降的轉移稱為上凸，將從下降到上升的轉移稱為下凸，已知相對于N波形的上凸Zd波形的上凸延遲約90度的相位，相對于N波形的下凸Zd波形的下凸延遲約90度的相位。圖9展示了導葉散度Y、水輪流量Q、有效落差H、水輪輸出Pt的各時間應答圖。根據(jù)該圖能夠確認，如果N開始下降，則Y打開，Q下降，H上升，通過Q的下降抑制Pt的下降，使N穩(wěn)定。圖10展示了120秒以后的同步控制階段的調速器的PID各運算部件的輸出的時間應答圖。由于調速器已經成為微分運算強調設置，所以已知Zp、Zi的變化斜率極其緩慢，Zp、Zi已經不參與N穩(wěn)定化控制，N穩(wěn)定化控制幾乎全部由Zd進行。圖11的(7)展示了120秒以后的N1-Q1平面上的運轉點軌跡。由于使運轉速度與電力系統(tǒng)頻率同步，所以N1逐漸下降，運轉點大致沿著無負荷流量線從右向左移動。如由該圖明了的那樣，同步結束時的導葉散度從Yb接近Ya。另外，根據(jù)導葉散度Y＝Ya，Y＝Yb的特性圖已知，運轉點正確無誤地向S形特性的逆流特性區(qū)域中移動。圖11的(8)展示了120秒以后的N1-T1平面上的運轉點軌跡。運轉點軌跡大致在T1＝0線上從右向左移動，同時進行同步控制。根據(jù)導葉散度Y＝Ya，Y＝Yb的特性圖已知，運轉點在該N1＝T1平面上也向S形特性的逆流特性區(qū)域中移動。
通過本發(fā)明，能夠使渦輪機能夠啟動的范圍大幅度擴展到低落差側。進而，通過將落差變動可能范圍擴展到低落差側，有可能減小該量的上/下水壩面積地進行經濟的設計。
另外，能夠更加容易地同時提高渦輪機的泵性能和水輪性能，提高渦輪機的性能。
權利要求
1.一種渦輪機，是具備轉子、將上述轉子的旋轉轉矩傳送到發(fā)電電動機的主軸、調整通過上述轉子的水量的水量調整裝置、控制上述水量調整裝置并控制上述轉子的旋轉速度的調速器，通過切換上述轉子的方向而能夠在抽水和發(fā)電兩個模式下運轉的渦輪機，其特征在于上述調速器具有在規(guī)定落差以下進行發(fā)電模式啟動時，在使上述轉子的旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步的同步控制階段，使上述旋轉速度的控制系統(tǒng)中的微分運算元件的影響度與其他運算元件的影響度相比，處于支配地位的控制模式。
2.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征在于上述控制模式中的微分運算元件的相對影響度與通常運轉時相比，明顯地增強。
3.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征在于上述控制模式中的微分運算元件的相對影響度與上述同步控制前的階段相比，明顯地增強。
4.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征在于上述同步控制階段是將上述轉子的旋轉速度提升到額定值附近，并進行與系統(tǒng)頻率的同步控制的階段，使上述旋轉速度的控制系統(tǒng)中的微分運算元件的影響度與其他運算元件的影響度相比處于支配地位的控制模式通過對IEC國際標準61362(對水輪機控制系統(tǒng)的說明)第1版所述的調速器的積分運算增益(Ki)設置得與其之前的階段相比大幅度地降低，而對上述IEC標準所述的調速器的微分運算增益(Kd＝KpTv)設置得與其之前的階段相比保持相同或更大，來使上述微分運算元件的影響度與作為其他運算元件的積分運算元件的影響度相比，處于支配地位。
5.一種渦輪機，是具備轉子、將上述轉子的旋轉轉矩傳送到發(fā)電電動機的主軸、調整通過上述轉子的水量的水量調整裝置、控制上述水量調整裝置并控制上述轉子的旋轉速度的調速器，通過切換上述轉子的方向而能夠在抽水和發(fā)電兩個模式下運轉的渦輪機，其特征在于上述調速器具備在S形特性的影響下，進行(Q1/N1)的斜率接近于直立或成為(Q1/N1)＞0的逆斜率區(qū)域的發(fā)電模式啟動時，在使轉子的旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步的同步控制階段，使上述旋轉速度的控制系統(tǒng)的微分演算元件的影響度與其他運算元件的影響度相比處于支配地位的控制模式。
6.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征在于上述控制模式在將上述旋轉速度提升到額定值附近之前和之后，能夠切換上述調速器的比例運算部件或積分運算部件或其雙方運算部件的傳遞函數(shù)，在將上述旋轉速度提升到額定值附近后，到使旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步的同步控制結束為止，使上述微分演算元件的影響度與其他運算元件的影響度相比處于支配地位那樣地，切換上述比例運算部件或積分運算部件或其雙方運算部件的傳遞函數(shù)。
7.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征在于在使上述旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步，并使上述發(fā)電電動機并聯(lián)到電力系統(tǒng)后，上述調速器盡快地打開上述水量調整裝置那樣地進行控制，并使運轉點遠離S形特性那樣地進行控制。
8.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征在于在使上述旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步，并使上述發(fā)電電動機并聯(lián)到電力系統(tǒng)后，解除上述控制模式的設置，將上述調速器的比例運算部件或積分運算部件或其雙方運算部件的傳遞函數(shù)切換為規(guī)定的有負荷運轉用設置。
9.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征在于上述控制模式是在將上述旋轉速度提升到額定值附近前，設置IEC國際標準61362(對水輪機控制系統(tǒng)的說明)第1版所述的調速器的比例增益Kp＞0.6，然后到使旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步的同步控制結束為止設置Kp＜0.5，而設置上述IEC規(guī)格所述的微分增益Kd＝(Kp*Tv)＞5的控制模式。
10.一種渦輪機，是具備轉子、將上述轉子的旋轉轉矩傳送到發(fā)電電動機的主軸、調整通過上述轉子的水量的導葉、控制上述導葉并控制上述轉子的旋轉速度的調速器，通過切換上述轉子的方向而能夠在抽水和發(fā)電兩個模式下運轉的渦輪機，其特征在于上述調速器在S形特性的影響下，進行(Q1/N1)的斜率接近于直立或成為(Q1/N1)＞0的逆斜率區(qū)域的發(fā)電模式啟動時(Q1是對應于單位落差的流量，N1是對應于單位落差的旋轉數(shù))，在使轉子的旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步的同步控制階段，進行調整使相對于旋轉速度波形的上凸而出現(xiàn)導葉應答波形的上凸的定時或相對于旋轉速度波形的下凸而出現(xiàn)導葉應答波形的下凸的定時，在相位上延遲120度以內(將上述導葉應答波形的從開動作轉移到關動作稱為上凸，將從關動作轉移到開動作稱為下凸，將旋轉速度波形的從上升轉移到下降稱為上凸，將從下降轉移到上升稱為下凸)。
11.一種渦輪機，是具備轉子、將上述轉子的旋轉轉矩傳送到發(fā)電電動機的主軸、調整通過上述轉子的水量的水量調整裝置、控制上述水量調整裝置并控制上述轉子的旋轉速度的調速器，通過切換上述轉子的方向而能夠在抽水和發(fā)電兩個模式下運轉的渦輪機，其特征在于上述調速器具有在進行發(fā)電模式啟動時，在使上述轉子的旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步的同步控制階段，在運轉點N1進入成為(Q1/N1)＞0或(T1/N1)＞0的S形特性的逆斜率區(qū)域的情況(Q1是對應于單位落差的流量，N1是對應于單位落差的旋轉數(shù)，T1是對應于單位落差的轉矩)下，使上述旋轉速度的控制系統(tǒng)中的微分運算元件的影響度與其他運算元件的影響度相比，處于支配地位的控制模式。
12.根據(jù)權利要求11所述的渦輪機，其特征在于上述控制模式通過設置IEC國際標準61362(對水輪機控制系統(tǒng)的說明)第1版所述的比例增益Kp＜0.5，并且微分增益Kd＝(Kp*Tv)＞5來實現(xiàn)。
13.一種渦輪機，是具備轉子、將上述轉子的旋轉轉矩傳送到發(fā)電電動機的主軸、調整通過上述轉子的水量的水量調整裝置、控制上述水量調整裝置并控制上述轉子的旋轉速度的調速器，通過切換上述轉子的方向而能夠在抽水和發(fā)電兩個模式下運轉的渦輪機，其特征在于上述調速器具有在S形特性的影響下，進行(Q1/N1)的斜率接近于直立或成為(Q1/N1)＞0的逆斜率區(qū)域的發(fā)電模式啟動時(Q1是對應于單位落差的流量，N1是對應于單位落差的旋轉數(shù))，在使轉子的旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步的同步控制階段，使用來進行與旋轉速度變動波形對應的旋轉速度穩(wěn)定化的上述水量調整裝置的控制幾乎都由調速器的微分運算部件承擔，而使其他的運算部件只承擔與此相比明顯長周期的緩慢的控制或能夠忽視程度的控制的控制模式。
14.一種渦輪機用調速器，是對具備轉子、將上述轉子的旋轉轉矩傳送到發(fā)電電動機的主軸、調整通過上述轉子的水量的水量調整裝置，通過切換上述轉子的方向而能夠在抽水和發(fā)電兩個模式下運轉的渦輪機的上述水量調整裝置進行控制，控制上述轉子的旋轉速度的渦輪機用調速器，其特征在于上述調速器具有在規(guī)定落差以下進行發(fā)電模式啟動時，在使上述轉子的旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步的同步控制階段，使上述旋轉速度的控制系統(tǒng)中的微分運算元件的影響度與其他運算元件的影響度相比，處于支配地位的控制模式。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種即使在水輪啟動時的同步控制階段，運轉點進入到了S形特性的第2部分那樣的惡劣條件下，也能夠進行調速器的旋轉速度控制，能夠使可以進行同步、并聯(lián)的落差范圍大幅度擴大到低落差側的渦輪機?？刂妻D子的旋轉速度的調速器具有在進行規(guī)定落差以下的發(fā)電模式啟動時，在使轉子的旋轉速度與系統(tǒng)頻率同步的同步控制階段，使上述旋轉速度的控制系統(tǒng)中的微分運算元件的影響度與其他運算元件的影響度相比，處于支配地位的控制模式。
文檔編號F03B3/10GK1497172SQ0315987
公開日2004年5月19日 申請日期2003年9月26日 優(yōu)先權日2002年10月4日
發(fā)明者桑原尚夫 申請人:株式會社日立制作所