用于稳定带有S形特性曲线的水力机械的旋转速度的方法和用于将水力能转换成电能的装置制造方法及图纸

该方法目的在于稳定带有S形特性曲线的机械的旋转速度(N)，包括步骤，这些步骤在于：a)计算目标净水头(Hn_final)和影响机械的导叶的目标开度(Y_final)，目标净水头和目标开度被计算，从而由水流施加在机械的转轮上的转矩为零并且机械以目标旋转速度(Nc)旋转，b)确定机械所经受的实际净水头(Hn)，c)将目标净水头与实际净水头比较，并且d)调节导叶的开度以便朝向目标开度(Y_final)收敛并且减小在目标净水头和实际净水头之间的高度差(ε1)。

Method for stabilizing rotation speed of hydraulic machine with S shape characteristic curve and device for converting hydraulic energy into electric energy

This method is stable with S rotating speed characteristic curve of the machine (N), which comprises the following steps, these steps are: a) to calculate the target net head (Hn_final) and the influence of guide vane mechanical target opening (Y_final), the target net head and a target opening is calculated by applying torque to current the mechanical runner is zero and machinery to the target rotation speed of rotation (Nc), b) to determine the actual net head mechanical withstand (Hn), c) compared with the actual net head target net head, and D) adjusting guide blade opening to opening towards the target (Y_final) and convergence reduce the height difference between the target and the actual net net head head (1).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于稳定带有S形特性曲线的水力机械的旋转速度的方法。带有S形特性曲线的典型的水力机械是以涡轮机模式运行的水泵水轮机(pump-turbine)或设计成用于高净水头情况的法兰西斯式涡轮机(Francisturbine)。本专利技术还涉及一种用于将水力能转换成电能的装置，该方法可在该装置中实施。
技术介绍
在水泵水轮机以涡轮机模式启动期间，该水泵水轮机的转轮(runner)的旋转速度必须被稳定，从而机械能够联结到电网。理想地，机械的旋转速度与电网频率同步。此外，水泵水轮机被导引以便在无载荷运行点处工作，在该无载荷运行点处由水流施加在转轮上的动量为零。在低的水落差情况下，由于“S区域”的存在达到旋转速度稳定可为困难的。“S区域”是在描绘了作为机械的旋转速度的函数的动量的线图上可见的区域。在这类的线图上能够看到相对于旋转速度绘制的动量的曲线可为S形的，因此导致无载荷运行点是不稳定的。这意味着机械的旋转速度相对于最优的运行点的轻微的变化表示由水流施加在水泵水轮机的转轮上的动量的显著的增加，因此相当大地增加或降低机械的旋转速度。在这些情况下，利用传统的PID环不可能稳定水力机械的旋转速度。为了解决该问题，已知的是彻底地重新设计机械的水力部件，例如转轮或导叶。特别地，重新设计机械的水力部件以避免在涡轮机模式下在水泵水轮机的运行范围中的S区域的存在。机械的运行范围相应于在将结合了机械的装置的低总水头和高总水头之间的间隔。然而，该解决方案实施起来非常昂贵并且降低了水泵水轮机的性能。另一个解决方案在于为水泵水轮机装备非同步导叶。这意味着一些导叶能够独立地定向。因此，在机械启动时，导叶中的一些比其它导叶更进一步地打开，这暂时更改了机械特性曲线。这允许避免在机械的运行范围中的S区域的存在。然而，该解决方案产生影响机械的寿命的非故意的振动。
技术实现思路
本专利技术意图通过提出一种用于稳定水力机械的旋转速度的方法来解决此缺点，该方法比已知的方法更便宜并且不影响机械的性能。为此，本专利技术涉及一种用于稳定带有S形特性曲线的水力机械的旋转速度从而该机械能够联结到电网的方法，该水力机械包括转轮和围绕转轮布置并且包括多个可动的导叶的分配器。所述方法包括步骤，这些步骤在于：a)计算目标净水头和影响机械的导叶的目标开度，计算目标净水头和目标开度从而由水流施加在机械的转轮上的转矩为零并且机械以基于电网频率的目标旋转速度旋转，b)确定机械所经受的实际净水头，c)将目标净水头与实际净水头比较，并且d)调整导叶的开度以便朝向目标开度收敛，并且减小在目标净水头和实际净水头之间的高度差。由于本专利技术，水力机械的旋转速度通过对装置的净水头产生作用被稳定。实际上，净水头的稳定导致机械的旋转速度的稳定。更确切地说，控制装置的净水头以便朝向目标净水头收敛并且导叶的开度被导引以便朝向目标开度收敛。被计算的目标开度和目标净水头是这样的值，即在该值处基于电网频率机械的旋转速度与期望的旋转速度理论上同步并且在该值处没有动量由水施加在机械上。因此，在该目标净水头处的净水头的稳定导致接近期望旋转速度的机械旋转速度。从而，可使用同步器使该机械同步到电网。本专利技术的有利的但不是必需的另外的方面在下面详细说明：本专利技术此外包括步骤，这些步骤在于：e)测量机械的实际旋转速度，f)将实际旋转速度与目标旋转速度比较，同时，在步骤(d)处，导叶的开度被调整以还减小在目标旋转速度和实际旋转速度之间的速度差。-在步骤d)处，导叶的开度通过计算影响导叶的设定点开度被调整。-设定点开度通过计算目标开度和依赖于在目标净水头与实际净水头之间的高度差的第一开度变量以及依赖于在目标旋转速度与实际旋转速度之间的速度差的第二开度变量的总和而计算。-第一开度变量由第一校正器模块输出，该第一校正器模块具有作为输入的在目标净水头与实际净水头之间的高度差。-第一校正器模块是比例微分校正器。-第二开度变量由第二校正器模块输出，该第二校正器模块具有作为输入的在目标旋转速度与实际旋转速度之间的速度差。-第二校正器模块是比例积分微分校正器。本专利技术还涉及一种用于将水力能转换成电能的装置，包含具有转轮和围绕转轮布置并且包括多个可调整的导叶的分配器的机械以及用于确定装置的净水头的器件。所述装置还包括：-计算目标净水头和影响机械的导叶的目标开度的器件，目标净水头和目标开度被计算，从而由水流施加在机械的转轮上的转矩为零并且机械以基于电网频率的目标旋转速度旋转。-将目标净水头与机械所经受的实际净水头比较的器件，以及-调节导叶以便朝向目标开度收敛并且减小在目标净水头和实际净水头之间的高度差的器件。根据一种有利的但不是必须的方面，装置此外包括：-计算机械的目标旋转速度的器件，-测量机械的实际旋转速度的器件，-将实际旋转速度与目标旋转速度比较的器件，而调整导叶的开度的器件构造成还减小在目标旋转速度和实际旋转速度之间的速度差。附图说明现在对应于附图解释本专利技术，并且作为说明性的示例，而不限制本专利技术的对象。在附图中：-图1是根据本专利技术的用于将水力能转换成电能的装置的适宜性截面图，-图2是图示了根据本专利技术的方法的控制方案，该控制方案目的在于稳定属于图1的装置的水泵水轮机的旋转速度，-图3是描绘了在图1的装置中的净水头、旋转速度以及导叶的设定点开度的随着时间绘制的曲线的线图，-图4是描绘了在图1的装置的水泵水轮机的涡轮机模式下的特性曲线的线图。具体实施方式图1描绘了用于将水力能转换为电能的装置2。装置2包括水力机械。在示例中，水力机械是水泵水轮机20，该水泵水轮机20在涡轮机模式下使用水力能使轴201处于旋转。轴201联结到交流发电机以产生电能。在此下面将在涡轮机模式下描述水泵水轮机20的功能。水泵水轮机20包括由混凝土块22和24支撑的蜗形壳200。未描绘的压力水管在未描绘的上游蓄水池和蜗形壳200之间延伸。压力水管产生压力水流F以向机械20提供动力。机械20包括由蜗形壳200包围并且包括叶片208的转轮202，水在运行状况下在该叶片208之间流动。因此转轮202围绕轴线Z202旋转，该轴线Z202与轴201的旋转轴线Z201重叠。围绕转轮202布置有分配器。该分配器具有多个围绕转轮202均匀地分布的可动的导叶206。在分配器的上游以及围绕分配器布置有预分配器。预分配器由围绕转轮202的旋转轴线Z202均匀地分布的多个固定叶片204形成。吸管26布置在转轮202下方并适合于在下游排出水。分配器的每个导叶206具有围绕平行于转轮202的旋转轴线Z202的轴线的可调整的节距。因此，这些导叶206可被旋转以调节水的流率。导叶206都利用相对于关闭位置的相同的角度定向。换句话说，这些导叶206是同步的。C11和N11是水泵水轮机20的特性参数。所述特性参数由流动方程(flowingequation)给出：以及其中C是由水流F在转轮202上施加的转矩，D是转轮202的直径和H是装置2的净水头。图4描绘了随着N11绘制的代表C11的曲线。这些曲线每个对应于导叶206的特定的定向。在图4中，对应于装置2的下总水头和上总水头之间的间隔的机械20的运行范围限定在分别用于装置2的下总水头和上总水头的两条垂直线Hmin和Hmax之间。如在该图中示出的那样，水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于稳定带有S形特性曲线的水力机械(20)的旋转速度(N)从而所述机械能够联结到电网的方法，该水力机械包括转轮(202)和围绕所述转轮布置并且包括多个可动的导叶(206)的分配器，所述方法的特征在于该方法包括步骤，这些步骤在于：a)计算目标净水头(Hn_final)和影响所述机械(20)的导叶(206)的目标开度(Y_final)，所述目标净水头和所述目标开度被计算从而由水流(F)施加在所述机械(20)的转轮上的转矩为零并且所述机械以基于电网频率的目标旋转速度(Nc)旋转，b)确定机械所经受的实际净水头(Hn)，c)将所述目标净水头与所述实际净水头比较，并且d)调整所述导叶(206)的开度以便朝向所述目标开度(Y_final)收敛并且减小在所述目标净水头和所述实际净水头之间的高度差(ε1)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.29 EP 14178909.91.一种用于稳定带有S形特性曲线的水力机械(20)的旋转速度(N)从而所述机械能够联结到电网的方法，该水力机械包括转轮(202)和围绕所述转轮布置并且包括多个可动的导叶(206)的分配器，所述方法的特征在于该方法包括步骤，这些步骤在于：a)计算目标净水头(Hn_final)和影响所述机械(20)的导叶(206)的目标开度(Y_final)，所述目标净水头和所述目标开度被计算从而由水流(F)施加在所述机械(20)的转轮上的转矩为零并且所述机械以基于电网频率的目标旋转速度(Nc)旋转，b)确定机械所经受的实际净水头(Hn)，c)将所述目标净水头与所述实际净水头比较，并且d)调整所述导叶(206)的开度以便朝向所述目标开度(Y_final)收敛并且减小在所述目标净水头和所述实际净水头之间的高度差(ε1)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法此外包括步骤，这些步骤在于：e)测量所述机械(20)的实际旋转速度(N)，f)将所述实际旋转速度(N)与所述目标旋转速度(Nc)比较，并且，在步骤(d)处，所述导叶(206)的开度被调整以还减小在所述目标旋转速度(Nc)与所述实际旋转速度(N)之间的速度差(ε2)。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤d)处，所述导叶(206)的开度通过计算影响所述导叶(206)的设定点开度(Yc)调整。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述设定点开度(Yc)通过计算目标开度(Y_final)和依赖于在目标净水头(Hn_final)与实际净水头(Hn)之间的高度差(ε1)的第一开度变量(ΔY1)和依赖于在目标旋转速度(Nc)与实际旋转速度(N)之间的速度差(ε2)的第二开度变量(ΔY2)的总和而计算。5.根据权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：Q·阿罗因，N·佩里辛法伯特，R·纪尧姆，
申请(专利权)人：阿尔斯通再生能源技术公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR