[发明专利]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

说明书

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)。

技术领域

本发明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(Francis turbine)。本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明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。

由于本发明，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。

本发明的有利的但不是必需的另外的方面在下面详细说明：