專利名稱:控制可調速水力發(fā)電系統(tǒng)的方法及裝置的制作方法
本發(fā)明是關于一種控制可調速水力發(fā)電系統(tǒng)的方法及裝置，這個發(fā)電系統(tǒng)對與其聯(lián)接的電力系統(tǒng)的頻率或功率的變化，具有快速響應能力。
一種通常采用的常規(guī)可調速水力發(fā)電系統(tǒng)是以這樣方式運行的，即根據(jù)發(fā)電機或發(fā)電機-電動機的轉速，來提供一個理想頻率下的交流電流給發(fā)電機二次繞組以維持發(fā)電機的輸出頻率為一常量。具體地說，一種結構如圖4所示的水力發(fā)電系統(tǒng)，其運行方式如下所述。一種轉子繞線式
應發(fā)電機1，其轉子與水輪機2相聯(lián)，二次繞組1A由一個頻率變換器(cyclo-Converter)3勵磁，從而，達到變速運行的效果。在這種變速運行中，函數(shù)發(fā)生器4將產(chǎn)生最佳旋轉速度的指令值Nx和最佳導葉開度指令值yx。該函數(shù)發(fā)生器4根據(jù)檢速裝置6，水頭檢測裝置7和輸出整定裝置8的輸出，來決定最佳勵磁電流和最佳轉速的大小。從而滿足電力系統(tǒng)5所需的有功功率和無功功率的要求。因此，一方面要通過放大器9控制頻率變換器3;另一方面要通過放大器10和一個未在圖中示出的伺服電機控制導葉11。
在本系統(tǒng)中，如果水輪機能以如下方式控制，即水經(jīng)過導葉11所產(chǎn)生的機械輸入轉矩與電負荷對發(fā)電機所要求的轉矩一致，兩者平衡，則
應發(fā)電機1將以與最佳轉速指令值Nx相一致的速度連續(xù)運轉。因此，在該系統(tǒng)中，控制電負載轉矩使之符合機械輸入轉矩的要求。那么，這個系統(tǒng)的一個非常重要的任務是怎樣控制機械輸入轉矩，或者怎樣控制對應最佳導葉開度的指令值yx。由于在通常情況下，水位或水頭在短時間內(nèi)不會有很大變化。因此，在該系統(tǒng)中，函數(shù)發(fā)生器4產(chǎn)生的指令值，主要由輸出整定裝置8的輸出伩號決定。該輸出整定裝置可以是就地的整定裝置，也可以是在本電力系統(tǒng)中一個中心控制站內(nèi)的遙控整定裝置。根據(jù)常規(guī)的技術，只要使輸出整定裝置8的整定值保持常量，指令值yz即保持常量，則機械轉矩也保持不變。相應地，電負載轉矩也保持不變。但圖4所示的系統(tǒng)有很大缺點，現(xiàn)通過與圖5中所示的帶有同步發(fā)電機或其旋轉速度保持不變的發(fā)電機-電動機的系統(tǒng)比較便可以說明。在圖5中，標號21表示一與水輪機22機械連接的同步發(fā)電機。標號23是水輪機22的導葉，標號24是檢測水輪機22速度的檢速裝置。標號25是檢測導葉23開度的檢測裝置。標號26是控制調節(jié)裝置，它是根據(jù)檢速裝置24所檢測的旋轉速度N和輸出整定裝置27產(chǎn)生的輸出伩號P來產(chǎn)生控制導葉開度的指令值yx。標號28表示一比較器，用于比較導葉開度指令值yx與由導葉開度檢測裝置25檢測出的實際開度值yz，并產(chǎn)生兩者間誤差值。標號29表示一個放大器，用于進行積分及放大運算。因此，檢測裝置25，比較器28，放大器29和導葉23，其中，導葉還包括一個與其機械連接的伺服電機(未示)，此伺服電機在放大器29的作用下，用于調節(jié)導葉23。這些構成一閉環(huán)系統(tǒng)，從而使誤差值減為零。
參考圖5，由于發(fā)電機21是同步機，水輪機22的轉速ND與電力系統(tǒng)5的頻率f成比例，并由等式給出ND＝ (120f)/(P) rpm(P，極數(shù))。因此，可見，在發(fā)電運行時，檢速裝置24可以認為是檢測電力系統(tǒng)5本身的頻率。具體地說，在圖5所示的系統(tǒng)中，對于電力系統(tǒng)5的頻率，哪怕有微小的降低，指令值yx即被增加來加大導葉23的開度，從而水輪機22的輸出增加。另一方面，當電力系統(tǒng)頻率升高時，指令值yx被減小來關小導葉23的開度，從而水輪機22輸出減小。這種調節(jié)功能是很重要的，而且勢必會改善電力系統(tǒng)5的動態(tài)穩(wěn)定性。而在圖4所示的系統(tǒng)中，則缺乏水輪機的功率隨著電力系統(tǒng)5的負荷要求及供電平衡狀況的變化自動調節(jié)的功能。
這里所關心的是電力系統(tǒng)所具有補償多余或補缺的功率的自動自抑制能力，該電力系統(tǒng)本身帶有可調速水力發(fā)電系統(tǒng)。
誠然，本發(fā)明即使對于圖4所示的傳統(tǒng)可調速發(fā)電系統(tǒng)，也能很容易地被應用。只需提供一個電力系統(tǒng)頻率檢測裝置，或一個功率檢測裝置和一個與其連接的用于處理檢測伩號的運算放大器，并將此運算放大器輸出的伩號送到輸出整定裝置8。
本發(fā)明是要克服上述先有技術中的缺點，并提供一種控制可調速水力發(fā)電系統(tǒng)的方法和裝置。在該系統(tǒng)中，當電力系統(tǒng)頻率上升或電力系統(tǒng)發(fā)電功率減負載功率之差變?yōu)檎禃r，通過減小導葉開度來減小水力機械輸出。當電力系統(tǒng)頻率下降或電力系統(tǒng)發(fā)電功率減負載功率之差變?yōu)樨撝禃r，通過增大導葉開度來加大水力機械輸出。因此，限制了電力系統(tǒng)頻率的變化及發(fā)電功率減負載功率差值的變化。從而，改善了與使用
應發(fā)電機的可調速水力發(fā)電系統(tǒng)相聯(lián)的電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明，可提供一種控制可調速水力發(fā)電系統(tǒng)的方法及裝置。此發(fā)電系統(tǒng)中包括一個和水力機械如水輪機或泵式透平機機械耦合的轉子繞線式
應發(fā)電機。此系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)頻率的變化或電力系統(tǒng)功率需要量的變化被測出，且將該測量值作為控制伩號提供給一個控制裝置，來控制導葉開度，也就控制了水輪機的輸出，從而限制其變化。
本發(fā)明通過結合下圖的詳細說明將會更清楚。其中圖1是一個方框圖，它表示根據(jù)本發(fā)明的一個帶有
應發(fā)電機的可調速水力發(fā)電系統(tǒng)的實施例。
圖2是圖1系統(tǒng)中，一個緩沖轉換裝置(gradual changer)詳圖。
圖3是一個可調速水力發(fā)電系統(tǒng)的方框圖，它對應本發(fā)明的另一實施例。
圖4是一方框圖，它表示一個使用
應發(fā)電機的常規(guī)可調速水力發(fā)電系統(tǒng)。
圖5是一方框圖，它表示一個使用同步發(fā)電機的常規(guī)恒速水力發(fā)電系統(tǒng)。
參考圖1，詳細說明本發(fā)明的一個實施例如下。在圖1和圖4中，具有相似功能的裝置將用相同標號表示，不再贅述。標號12表示一個緩沖轉換裝置，它用來限制由函數(shù)發(fā)生器4產(chǎn)生的最佳旋轉速度指令值Nx。致使在指令伩號N大幅度或突然變化時，緩沖轉換裝置的輸出伩號仍然控制在允許范圍之內(nèi)，來防止伩號突變。具體地說，緩沖轉換裝置12包括一個限幅單元12B和積分單元12C，如圖2所示。即使，由于指令值Nx突變而使加法器12A的輸出出現(xiàn)很大變化，假設其數(shù)值大于正ε1y或小于負ε2y，那么，限幅單元12B會將它限制在正ε1y和負ε2y的值上。然后，通過積分單元12C積分。因此，緩沖轉換裝置可用來防止其輸出超出一個預定的允許變化范圍。符號K12表示放大倍數(shù)，S是拉普拉斯算子。標號13表示轉速比較器，用它來將由緩沖轉換裝置12產(chǎn)生的指令伩號和由轉速檢測裝置6檢測的實際轉速進行比較，將轉速比較器13產(chǎn)生的轉速誤差伩號送入放大器9，再將放大器9產(chǎn)生的伩號作為校正轉速指令伩號送入頻率變換器3。標號14表示一個比較器，用來比較最佳導葉開度指令值yx與實際開度yz。標號15表示一個具有理想功能的控制裝置，如PID功能(P比例元件，I積分元件，D微分元件)。標號16是一個檢測負載功率的功率檢測裝置，即電力系統(tǒng)5對
應發(fā)電機1的功率需要量。標號17表示一個變化率運算放大器，它用來產(chǎn)生一個輸出量作為功率檢測裝置16所檢測功率的變化函數(shù)，其中K17表示放大倍數(shù)，T17表示時間常數(shù)，S表示拉普拉斯算子。標號18表示死區(qū)元件(dead zone)，它在輸入γ大于γ1時，產(chǎn)生輸出γ-γ1;在輸入γ小于γ2時，產(chǎn)生輸出γ2-γ。而當輸入γ在γ1，γ2之間時，輸出為零。其中γ是由變化率運算放大器17傳來的輸入伩號，γ1，γ2是對輸入γ的預置門檻電壓。死區(qū)元件(dead zone)18用于靈敏度的調節(jié)，它使輸出整定伩號Px增加一個由變化率運算放大器17產(chǎn)生的，并與功率變化率有關的伩號。這就避免了對輸出整定伩號Px太大的影響，標號19表示一個加法器，它將從死區(qū)元件18輸出的伩號與輸出整定裝置8產(chǎn)生的伩號相加。這與在先有的發(fā)電技術中輸出整定伩號僅由輸出整定裝置8整定不同，圖1的實施例是如此構成的，它的自動調節(jié)是通過包括功率檢測裝置16、變化率運算放大器17和死區(qū)元件18構成的電路來實現(xiàn)的。進一步說，控制裝置15有效地保證了這個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應性。該系統(tǒng)包括比較器14，控制裝置15，放大器10，導葉11，水輪機2，
應發(fā)電機1，功率檢測裝置16，變化率運算放大器17，死區(qū)元件18，加法器19和函數(shù)發(fā)生器4。
在這種構成方式下，當功率檢測裝置16檢測出的電力系統(tǒng)5中發(fā)電功率減負載功率差值發(fā)生變化時，輸出的整定伩號Px通過變化率運算放大器17和死區(qū)元件18隨時校正，以使由函數(shù)發(fā)生器4產(chǎn)生的最佳導葉開度的指令值yx自動校正，隨時增加或減小。而導葉11可通過控制裝置15和放大器10來調節(jié)它的開度，增大或減小，致使水輪機2的輸出隨著功率平衡的變化而變化。同時，輸出整定裝置8的整定，可以通過位于中心控制站中電力系統(tǒng)自動功率調節(jié)裝置，以較緩慢的速度得到校正。
圖3表示一個與圖1不同的實施例，其中控制裝置15被省略，變化率運算放大器17和死區(qū)元件18由一個PID裝置30代替。在這種情況下，組成該控制系統(tǒng)的閉環(huán)電路包括函數(shù)發(fā)生器4，比較器14，放大器10，導葉11，水輪機2，
應發(fā)電機1，功率檢測裝置16，PID運算器30，加法器19，函數(shù)發(fā)生器4。
在上述實例中，功率檢測裝置16是用來檢測電力系統(tǒng)頻率的變化情況，但它同樣可以用檢測電力系統(tǒng)頻率變化的頻率檢測裝置來代替，并能獲得同樣效果。在這種情況下，當頻率降低時，說明在電力系統(tǒng)中發(fā)電功率減負載功率的差值是負值，電力系統(tǒng)總發(fā)電功率不足，因而希望水輪機2的輸出增加。另一方面，當頻率增加時，表明有必要減小水輪機2的輸出。
根據(jù)上述對本發(fā)明的描述，我們可以了解到通過測量電力系統(tǒng)的頻率變化或功率要求的變化，導葉開度會發(fā)生變化，致使水力機械的輸出發(fā)生變化。以這種方式，電力系統(tǒng)頻率和供電狀況的變化得到補償，從而，改善了電力系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，該電力系統(tǒng)是與采用了
應發(fā)電機或發(fā)電機-電動機的可調速水力發(fā)電系統(tǒng)相聯(lián)的。
權利要求
1.一種控制可調速水力發(fā)電系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包括一個具有勵磁二次繞組的感應發(fā)電機，一個與上述感應發(fā)電機相連，并驅動它的水力機械，用于控制上述水力機械供水量的導葉，一個向上述感應發(fā)電機二次繞組提供一個交流勵磁來保持其輸出頻率為一恒定值的頻率變換器，一個控制裝置，它一方面通過控制上述導葉來控制供水量的變化，另一方面通過控制頻率變換器來控制勵磁量的變化，該方法的特征在于它具有如下以述的任一個檢測變量的手段檢測與上述發(fā)電系統(tǒng)有電聯(lián)系的電力系統(tǒng)頻率及檢測電力系統(tǒng)對上述發(fā)電系統(tǒng)的電力需要量，并通過以檢測變量為依據(jù)的上述控制裝置來控制上述導葉，從而限制上述變化。
2.一個用于控制可調速水力發(fā)電系統(tǒng)的裝置包括一個具有勵磁二次繞組的
應發(fā)電機，一個與上述
應發(fā)電機相連，并驅動它的水力機械，用來控制上述水力機械供水量的導葉，一個向上述
應發(fā)電機二次繞組提供一個交流勵磁來保持其輸出頻率為一恒定值的頻率變換器，其特征在于，有一個控制裝置，它可在與上述發(fā)電系統(tǒng)運行有關的參數(shù)給出的整定值的基礎上，一方面可通過控制導葉來控制水量的變化;另一方面又可通過控制頻率變換器控制勵磁量的變化，有一個檢測裝置，它可檢測下述變量中的任一個，檢測與上述發(fā)電系統(tǒng)有電的聯(lián)系的電力系統(tǒng)頻率及檢測上述電力系統(tǒng)對上述發(fā)電系統(tǒng)的負載要求量，具有處理上述檢測裝置的輸出伩號并將其送到控制裝置的裝置。
3.根據(jù)權項2所述的一個控制可調速水力發(fā)電系統(tǒng)的裝置，其特征在于，在上述頻率變換器和控制裝置之間插入用于阻止上述控制裝置輸出量的突然變化的裝置。
專利摘要
本發(fā)明揭示了一種采用轉子繞線式感應發(fā)電機來控制可調速水力發(fā)電系統(tǒng)的方法和裝置，其中，測得與水力發(fā)電系統(tǒng)相聯(lián)的電力系統(tǒng)頻率變化，或負載對電力系統(tǒng)的要求量的變化，并將檢測值送到一個控制裝置來控制驅動發(fā)電機的水力機械導葉的開度，從而限制系統(tǒng)頻率或系統(tǒng)功率平衡發(fā)生變化。
文檔編號F03B15/16GK85101368SQ85101368
公開日1987年1月24日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者桑原尚夫 申請人:株式會社日立制作所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan