CN1036559C - 可变速的抽水蓄能式发电机 - Google Patents

Abstract

一种可变速的抽水蓄能式发电机，包括一个第一速度控制装置，用于根据功率输出命令控制水泵水轮和向发电机的AC励磁装置输出励磁控制信号，以及一个第二速度控制装置，用于在发电模式中，当转轴的转速偏离下限设定值或上限设定值时控制由AC磁励装置输出的AC励磁量，设定值是根据在正常运行过程中产生的转速设定的。

Description

可变速的抽水蓄能式发电机

本发明涉及一种可变速的抽水蓄能式发电机，其具有作为交流励磁装置的变频器并具有同步连接到商用电力供电***上的一次回路，尽管发电机的转子以可变速方式旋转。更确切说，涉及的可变速抽水蓄能式发电机在发电模式中能控制水泵—水轮机侧的速度。更具体地说，本发明在不脱离预定的可变速范围的情况下能够稳定连续运行。

对于用于水泵—水轮机的可变速抽水蓄能式发电机的发电模式，有两种主要的控制***，其应用取决于速度控制和输出控制是针对水泵—水轮机还是原动机侧或者是针对发电机—电动机还是负载侧。

在第一种控制***中，速度控制针对发电机—电动机，输出控制针对水泵—水轮机。其特征在于：

a.比较重要的是进行速度控制并且速度控制波形是完整的。

b.由于发电机电动机的电功率几乎是由水泵—水轮机输出的机械功率的两倍，在水泵—水轮机上游侧和下游侧的水锤现象的影响直接出现在发电机—电动机的电功率上并且瞬时出现反摆趋向。

因此，对所连接的商用电力供电***所形成的有害影响成为一个问题，因而这种控制不值得推荐。

因而推出第二种控制***，在该***中，根据外部功率命令信号，针对水泵—水轮机进行最佳速度控制，并且针对发电机—电动机进行功率控制，以使功率直接跟踪外部功率命令信号。其特征在于：

a.要求非常接近功率命令信号的快速和直接的功率响应。

b.由于在原动机侧进行速度控制，安全性高于在发电机—电动机侧或负载侧进行速度控制的***。

在该***中，即使给定一个快速功率变化命令信号，由于水锤现象产生的有害影响完全不出现在商用电力供电***。

然而，由于速度控制取决于水泵—水轮机的流速控制，响应慢，使速度趋于响应太慢或使之产生某种程度的过调。

另一方面，对于可调速的机械要在预定的速度范围内严格控制速度是难以生效的，因为否则会使变频器丧失其功能。

此外，在可调速的抽水蓄能式发电机中，在可调速的水泵—水轮机的水轮机模式或发电模式的运行速度范围经常受限制于可调速度范围的较低区域，而在抽水蓄能模式时的运行速度范围基本上覆盖整个范围。这是出于考虑这样一个事实，即水轮机的效率在低于同步转速的转速下较高，在抽水蓄能模式下，输入的可调范围应当尽可能大。

因此，在可调速的抽水蓄能式发电机中，在发电模式下，当水泵—水轮机的转速产生过调超出下限一个预定量或超出上限一个预定量时，通过对可调速的发电机一电动机的电功率输出进行调节，回冲速度控制用于抑制过调，如在日本专利公开(kokai)文件JP-A-62-071497中所公开的。

图6表示该JP-A-62-071497文件公开的***。感应电动机1由直接连接到它的转子上的水轮机2拖动旋转，根据感应电动发电机1的转速由二次励磁控制装置3控制预定相的交流励磁电流提供到感应电动机1的二次绕组1b，二次励磁控制装置3具有一个变频器实行可调速运行，使得具有与交流***4同样频率的交流功率由感应电动机1的一次绕组1a输出。用于控制二次励磁控制装置的功率由接收变压器12提供。

函数发生器与接收外部发电输出命令P₀和水位检测信号H，以便产生一个最佳转速命令Na和一个用于改进导向叶片响应速度的前馈信号Ya。当水位变化很小时，水位信号H可以略去。转速控制装置16将由转速检测器6检测的实际转速N与最佳转速命令Na相比较，以输出导叶开度控制信号ΔY。来自函数发生器5的前馈信号Ya和导叶开度控制信号ΔY利用加法器21求和，并将该和输入到控制导叶11的导叶驱动装置10。

滑差相位检测器7检测滑差相位Sp，该滑差相位Sp等于交流电力供电***4的电压相位和感应电动机的二次侧旋转相位的差，用电角度表示。下面解释滑差相位检测器7的结构。滑差相位检测器的转子具有：一个三相绕组，其并联到感应电动机1的一次绕组1a上，以及一些霍尔变换器，它们按π/2电角度间隔的位置配置在滑差相位检测器7的定子上，使得从霍尔变换器输出从感应电动机1的二次侧看为与交流***4的电压相位实现匹配的信号并变换为滑差相位Sp，将信号Sp输入到二次励磁控制装置3。由转速检测器6检测的转速N信号输入到发电输出校正命令装置25，并且由其产生的输出ΔP₂和外部发电输出命令P₀利用加法器26求和，该加法器产生感应电动机输出指令P_G，再依次输入到二次励磁控制装置3。

下面解释发电输出校正命令装置25的结构。当转速处在设定值N₂和N₃之间时，发电输出校正命令信号ΔP₂保持为零，当转速N低于设定值N₂时，发电输出校正命令信号ΔP₂与转速N的降低成比例降低。另一方面，当转速N高于设定值N₃时，发电输出校正命令信号ΔP₂与转速N的上升成比例上升。发电输出校正命令信号ΔP₂的绝对值被控制不超过P₂。设定值N₂和N₃的设定是根据二次励磁控制装置3的变频器的电压额定值和频率输出范围以及由水轮机2的性能特性所确定的转速范围进行的。

将感应电动机输出命令PG和滑差相位检测器7的滑差相位S_p输入到二次励磁控制装置3，并且控制提供到感应电动机1的二次绕组1b的交流励磁电流，使得由有功功率检测器9检测的感应电动机1的输出检测信号P等于感应电动机输出命令PG。更确切地说，可以采用在日本专利公开(kokoku)文件JP-B-57-60645中所公开的控制方法。导叶驱动装置10控制导叶11是根据前馈信号Ya和导叶开度控制信号ΔY的和，以便控制水轮机输出PT。

当发电输出P₀如图7(a)所示阶跃增加以便阶跃增加发电输出P时，当转速N在时间t₀时在设定值N₂附近时，说明该时的响应。当发电输出P₀如图7(a)所示在时间t₀阶跃增加，以便阶跃增加发电输出P时，感应电动机1的发电输出P跟随发电输出命令P₀的变化，其增加如图7(g)所示。另一方面，导叶11的开度Y响应于Ya和ΔY的和，它采用机械方式执行，该响应慢于发电输出P对发电输出命令P₀的响应。因此，水轮机输出PT低于发电输出P，并且在发电输出命令P₀的急剧变化之后，转速N暂时降低，在此之后，在时间t₁，发电输出P和水轮机输出PT变得相等，并且转速N的降低使得记录一个暂态的最小值。在时间t₁，由于速度偏差ΔN是正的，导叶开度控制信号ΔY是正的，导叶开度Y继续增加。因此，水轮机输出PT变得大于发电输出P，如图7(f)所示，转速N开始上升。当转速N增加时，与最佳转速命令Na的偏差降低，并且当导叶开度控制信号ΔY降低时，在水轮机输出PT和发电输出P之间的差值降低，转速N的加速度降低。

假如在发电输出命令P₀急剧增加之后转速N下降过程中，转速N下降低于设定值N₂，会产生跟随。当转速N下降低于设定值N₂时，输入到二次励磁控制装置3的感应电动机输出命令PG比外部发电输出命令P₀小一个发电输出校正命令信号ΔP₂。因此，在水轮机的输出PT变得等于发电输出P的时间t₁早于在水轮机输出PT变得等于发电输出命令P₀的时间t₂以及这样一个时间点，在该时间点，转速N记录了如在图9(f)用间断线表示的从时间t₂到时间t₁的暂态最小变化，使得转速N的暂态过调明显地降低。因此，进行回冲速度控制，使得可调速的水轮机发电机的转速不至降低到预定设定值之外。当上限设定值N₃被超过时，产生相似的现象。

然而，现有技术并没有说到在何处通过二次励磁控制装置3进行回冲速度控制，即怎样设定下限设定值N₂和上限设定值N₃。

此外，已经证明，当在发电模式的运行速度范围限于在可调速度范围的较低区域时，和当在发电模式的运行范围的上限和在抽水蓄能模式的运行范围的上限之间的差值很大时，上述有技术***并不适用。即当回冲速度控制的设定稍低于发电模式的可调速度范围的下限和稍高于抽水蓄能模式的可调速度范围的上限时，在发电模式中按照近于100％输出的运行过程中，在功率命令P₀的急剧下降之后，转速N立即显著地瞬间超过发电模式的可变速度范围的上阴。即直到转速N达到它的上限设定值之前，利用回冲控制并没有得到过调的抑制效果，并且在可调速度范围内产生显著地速度偏移。即使转速N的向上偏移是允许的，因为它仍然在变频器的可调范围之内或者它能够易于在可调速度范围的上限处利用回冲速度控制而得到抑制，假如接着向上偏移功率命令急剧下降，并且因此转速命令也急剧下降，与向上偏移的反摆同时转速快速下降。结果产生的过调低于可调速度范围的下限。它可以步入较低的回冲速度控制范围，直到抑制作用增加到某一程度，以便克服向下过调的能量。步入的数量可以像失去同步时那样大。

本发明的目的是控制一种可调速的抽水蓄能式发电机，其在发电模式利用水泵—水轮机进行转速控制，使得过调不脱离预定的可调速范围，因此保证稳定连续运行。

上述目的是通过这样一种可调速的抽水蓄能式发电机实现的，其包括一台感应发电机—电动机，该电机具有连接到电力***的一次绕组和二次绕组，以及一个交流励磁装置，用于使所述的二次绕组交流激磁，所述交流励磁装置的转轴在发电模式中利用连接到其上的水泵—水轮机使之旋转，在抽水蓄能模式中则旋转所述水泵—水轮机，并包括：

第一速度控制装置，用于在发电模式中输出转速命令信号，以便根据功率输出命令控制所述水泵—水轮机和向所述交流励磁控制装置输出交流励磁控制信号；以及

第二速度控制装置，用于在发电模式中当所述转轴的转速下降低于下限设定值时，控制来自所述交流励磁装置的交流励磁容量；

将在所述转轴的正常转速可调范围的下限设定值和下限值之间的差值设定得大于所能承受的速度振荡的峰—峰的幅值的至少一半，例如说，额定速度的0.15％，其对应于没有滑移或零励磁频率，在这一情况下，承受的转速振荡是预计的。

上述目的实现是还通过利用这样一种可调速的抽水蓄能式发电机，其包含一台感应发电机—电动机，该电机具有连接到电力***上的一次绕组和二次绕组，还具有交流励磁装置，其用于使所述二次绕组交流励磁，在发电模式中所述感应发电机—电动机的转轴由连接到其上的水泵—水轮机拖动旋转，在抽水蓄能模式中则旋转所述水泵—水轮机，还包含：

第一速度控制装置，用于在发电模式中，输出转速命令信号，以便根据功率输出命令控制所述水泵—水轮机，并且向所述交流励磁控制装置输出交流励磁控制信号，以及

第二速度控制装置，用于在发电模式下当所述转轴的转速上升超过上限起始设定值时，控制来自所述交流励磁装置的交流励磁容量；

该起始上限设定值高于在发电模式中的正常可调速度范围的最大值而小于在抽水蓄能模式中的正常可调速度范围的上限。

本发明的上述目的还可以在可调速的抽水蓄能式发电机中实现是通过选择性地利用上述两种控制***，以便控制在发电模式中的装置。

在本发明的可调速的抽水蓄能式发电机中，在发电模式下，将速度控制命令提供到作为原动机的水泵—水轮机上，以实行正常速度控制，并且，利用第一速度控制装置根据运行状态，在发电模式下以可调方式设定速度控制命令。当在发电模式下，输出命令的瞬间变化使水泵—水轮机的转速下降到正常运行可调速度范围之下的预定量值时，第二速度控制装置动作控制交流励磁装置的输出，以便回冲控制转速，因此按照所述交流励磁装置的容量防止了转速偏离预定的范围。在这种情况下，利用回冲速度控制命令装置，设定起始下限设定值，在该设定值下回冲速度控制稍微开始作用，该设定值低于正常运行可调速度范围的最小值，使得在发电模式下的正常运行范围的该设定值和最小值之差值大于所能承受的速度振荡的峰—峰的幅值的一半，该振荡是在此这后连续产生的或者在此这后，在正常运行状况下设有回冲速度控制的回冲发生而预计产生的。因此，当发电输出命令变化很小时，回冲速度控制维持非运行状态，对于由于正常速度控制的特性作用，仅由水轮机连续产生的要承受的速度振荡或者速度振荡作为暂态过程的行迹而维持，该回冲速度控制不再起作用，使得回冲速度控制所形成的对从发电机的电功率输出的直接扰动被避免了。

此外，在本发明的可调速的抽水蓄能式发电机中，在发电模式下将速度控制命令施加到作为实行正常速度控制的原动机的水泵—水轮机上，并且在发电模式下的速度控制命令利用速度控制装置，根据运行状态以可调节方式来设定，在发电模式下的正常运行速度范围的最大值设定得低于抽水蓄能模式下的正常运行速度范围的最大值。此外，对于回冲速度控制的起始上限设定值设定得高于发电模式下的正常运行速度范围的最大值，而小于抽水蓄能模式下的正常运行速度范围的最大值。通过将回冲速度控制的起始上限设定值设定得接近正常运行速度范围的最大值，转速的暂时过调宽度可以抑制得低到预期值。

图1表示本发明的可变速的抽水蓄能式发电机的一个实施例的整体构成，

图2表示本发明的实施例中的正常运行范围，

图3说明本发明的实施例的一个部分的工作，

图4说明本发明的实施例中的上限控制，

图5说明本发明的实施例中的上限控制，

图6表示可变速的抽水蓄能式发电机的现有技术的整体构成，

图7说明在现有技术中的下限控制，

图8说明在现有技术中的下限控制，和

图9说明在本发明的实施例中的下限控制。

下面通过参阅附图解释本发明的一个实施例。图1表示本发明的一个实施例，其中与图6中所使用的那些相同的数码标注相同或相应的部件。现在解释在图1中与图6不同的部分。数码25A对应于图6中的发电输出校正命令装置25。当转速N处在设定值Nklg和Nkug之间时，输出信号保持为零，而当转速N落在设定值Nklg以下时，输出信号与转速N的降低成比例降低。另一方面，当转速N上升超过设定值Nkug时，输出信号与转速N的上升成比例上升并且回冲速度控制操作被起动。设定值Nklg和Nkug按如下方式确定。

假设在发电模式中最佳转速命令Na的下限是Nalg，并且它的上限是Naug，即在发电模式中利用正常的水泵水轮机速度控制的可调速度运行范围是Nalg-Naug(正常运行范围)，它们设定要满足：

Nklg＜Nalg，    Nkug＞Naug即，它们设定在正常可调速度运行范围之外。此外，(Nalg-Nklg)设定大于在稳定状态中可能产生的连续旋转波动的单个幅值。这是由于考虑通过二次励磁控制装置可进行的回冲速度控制并设有由于水轮机输出控制而干扰速度控制，即使最佳转速命令Nag处在下限并且实现稳定的连续运行。

图3表示一个暂态特性控制装置25B的一个实施例，该装置经过二次励磁控制装置可控制回冲速度控制装置的响应和稳定性。图1表示主要的延迟器件(如图3(a)和图3(b)所示)，尽管它可以由图3(c)所示的PI运算器所替代，其中S表示一个拉普拉斯(Laplace)算子。数码26标注一个加法器，它将暂态特性控制装置25B的输出ΔPI和外部施加的发电输出命令FO相加，以产生感应电动机输出命令PG。

在本发明的控制装置中，当转速N在正常运行范围的下设定值Nalg附近时，为了阶跃增加发电输出P，如图9(a)所示在时间t₀阶跃增加发电输出命令，对此时的响应进行说明。当发电输出命令P₀在时间t₀增加时，与在图8中产生的最佳转速命令Na的变化相反，转速N暂时下降，如图9(f)所示。当转速N变得低于回冲速度控制的下限设定值Nklg时，由于发电输出校正命令信号ΔPI的作用，输入到二次励磁控制装置3的感应电动机输出命令变得小于外部发电输出命令P₀。因此，时间t₁早于时间t₂，在时间t₁，水轮机输出PT对应于发电输出，而时间t₂，水轮机输出PT对应于发电输出命令P₀。因此，根据本发明，在时间t₂到时间t₁的时间阶段内转速N偏移最小，如图9(f)中的虚线所示。此外，暂态回冲过调也可以显著减少。

根据本发明，由于预定的差值给定在最佳转速命令Na的正常运行范围的下限Nalg和回冲速度控制的下限设定值Nklg之间，当发电输出命令P₀的变化很小时，回冲速度控制不是有效的。此外，在利用水轮机进行速度控制时，不可避免地会发生某些连续的旋转振荡，甚至在稳定状态下，这是由于在转速控制装置16中存在非灵敏区和不可移动区，在水轮机本身的输出特性中的滞后和响应延迟。在本发明中，如上所述，将在最佳转速命令Na的正常运行范围的下限Nalg和回冲速度控制的下限Nklg之间的差值(aG在图2中)设定得大于连续旋转振荡的峰—峰幅值的一半。并且，在稳定状态，使回冲速度控制无效。

参阅图2，解释运行状态的上限控制。在可调速的抽水蓄能式发电机中，设定转速的可调范围是个普通作业，即正常运行范围大小是由变频器所允许的范围决定的。因此输入的可调范围要尽可能地大。在图2中，在抽水蓄能模式中，正常运行范围的下限Nalp到上限Naup对应于该范围。另一方面，在发电模式中，一般正常运行范围如图2所示是窄的，因为能保证最大效率的转速低于在抽水蓄能模式的转速。特别是，在很多情况下，正常运行范围的可调速上限低于在抽水蓄能模式中的上限Naup。

因此，下一个要解决的问题是对经过二次励磁控制装置3的回冲速度控制的上限设定值进行设定，特别是要设定在发电模式中的上限设定值Nkug。在本发明中，它要设定得低于Naup和高于Naug，如图2所示。此外，其设定要使得与在发电模式中的正常运行范围的上限Naug差βG不要太大。在抽水蓄能模式中，它绝不要共用回冲速度控制的上限设定值Nkup。

参阅图4和图5，下面解释本发明的装置的运行。

在图5中，βG太大。当发电输出命令P₀如图所示急剧下降时，如图5(f)所示转速N暂时上升，这是因为发电输出P的响应快于水轮机输出PT的响应(宁愿它设定得较快，以便使可调速的装置显示特性)。然后它后摆很大并猛然下降。先前暂时上升的幅度越大，后摆下降的强度就越大。因此，转速N下降低于正常运行范围的下限Nalg并且进一步趋于下降低于回冲速度控制的下限设定值Nkl-g。当它达到下限设定值Nklg时，通过二次励磁控制装置3提供制动，回冲速度控制开始生效，但是旋转并不会立即停下来，而是延续运转到某种程度。延续运转的量值与发电输出命令P₀的下降开始之后转速立刻暂时上升的宽度相关。假如后者允许大的数值，前者也大。换句话说，当在过调之后转速命令P₀急剧立即下降时，转速命令P₀和过调后摆重叠和延续运转都太大。当延续运转变得太大时，脱离二次励磁控制装置3的运行范围并且其功能紊乱。

按照这种方式，在可调速范围的下限内的过调与回冲速度控制的上限设定值Nkug密切相关，该过调一掠而过，好像设有联系。因此，如图4所示，在发电模式中，在正常运行范围的上限处的回冲速度控制的设定值Nkug的设定围绕着正常运行范围的上限Naug，以便抑制转速N的暂时上升。

正如上面所指示的，当在抽水蓄能模式下的正常运行范围的上限Naup和在发电模式下的正常运行范围的上限Naug之间的差值大时，在发电模式下回冲速度控制的上限设定值Nkug与在抽水蓄能模式下的回冲速度控制的上限设定值Nkup共用一个值并不恰当。

在下限端，如图2所示，可以将在发电模式下的回冲速度控制的下限设定值Nklg设定等于在抽水蓄能模式下的回冲速度控制的下限设定值Nklp。

根据本发明，在发电模式下进行回冲速度控制，下限设定值的设定是根据在发电模式下的运行过程中连续产生的旋转振荡进行的，上限设定值的最佳设定是考虑与转速过调的反摆相伴同的延续运转。因此，实现了稳定连续运行，不会脱离预定可调的速度范围。

回冲速度控制作为控制的软件的一部分可以容易地加入进去。

Claims (7)

1.一种可变速的抽水蓄能式发电机，包括一台感应发电机一电动机，该电机包括：

具有连接到电力***的一次绕组的定子；

具有连接到水泵一水轮机的二次绕组的转子，该水泵水轮机带有导向叶片和调节所述导向叶片的装置；

一个交流励磁装置，用于调节所述二次绕组的频率励磁；

所述转子有一个转轴，在发电模式下，其由所述水泵水轮机驱动，在抽水蓄能模式下，其驱动所述水泵水轮机，

所述可变速抽水蓄能式发电机包括：

第一速度控制装置，在发电模式下接收预定的外部功率命令信号，按照所述外部功率命令信号，通过调节所述水泵水轮机的所述导向叶片装置将所述水泵水轮机的速度调节到最佳值；

第二速度控制装置，其当通过控制所述交流励磁装置，确定所述水泵水轮机的速度超出一个预定可运行范围时运行；

其特征在于，设置所述第一速度控制装置和所述第二速度控制装置，使引起所述第二速度控制装置的所述运行的降低的速度极限设定值被设置为小于所述第一速度控制装置的最小设定值，其差值大于在所述第一速度控制装置的控制下获得的持续速度震荡的单个幅值。

2.如权利要求1所述的可变速的抽水蓄能式发电机，其特征在于，所述第二速度控制装置在发电模式下，当所述转轴的转速上升超过上限设定值时，控制来自所述交流励磁装置的交流激磁量，并且该上限设定值高于在发电模式下的正常运行范围上限值及低于在抽水蓄能模式下的正常运行范围的上限值。

3.如权利要求1所述的可变速的抽水蓄能式发电机，其特征在于，在抽水蓄能模式下，所述第一速度控制装置输出速度控制命令或功率控制命令，用于控制所述交流励磁装置。

4.如权利要求1所述的可变速的抽水蓄能式发电机，其特征在于，将在发电模式下的正常转速的下限设定得高于在抽水蓄能模式下的正常转速的下限。

5.如权利要求1所述的可变速的抽水蓄能式发电机，其特征在于，在正常运行过程中，转速振荡的单个幅值可以在转轴转速的0.15％以内。

6.如权利要求1所述的可变速的抽水蓄能式的发电机，其特征在于，所述转轴的正常转速的所述上限设定值和上限值设定的彼此接近。

7.如权利要求6所述的可变速的抽水蓄能式发电机，其特征在于，所述第二速度控制装置，在发电模式下，当所述转轴的转速下降低于下限设定值时，控制来自所述交流励磁装置的交流励磁量，并且将在所述转轴的正常转速的下限设定值和下限值之间的差值设定得大于在正常运行过程中产生的转速振荡的峰-峰值的幅值的一半。

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