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用于启动 水轮机的方法

阅读：306发布：2020-05-08

专利汇可以提供用于启动水轮机的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于将具有同步发电机 (2)、转轮 (6)和闸门的水力单元(1)联接至电网的方法，该方法包括：a)从时间t0到时间t1增加进入转轮(6)的水流的步骤，使得同步发电机 (2)的转子的旋转频率在时间t1等于电网(3)的频率；b)在时间t1闭合断路器的步骤，步骤a)还包括从时间t2到时间t1执行的子步骤a1)，其中调整水流，使得在时间t1，同步发电机(2)的相位与电网相位对准。，下面是用于启动水轮机的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于控制有利地联接到电网的水力单元(1)的方法，所述水力单元具有旨在经由断路器(4)连接到电网(3)的同步发电机(2)、设有经由轴线(9)机械地联接到所述同步发电机(2)的转子以驱动所述同步发电机(2)的转轮(6)的水轮机(5)、以及用于调整对于所述轴线的转矩的装置，所述方法包括：
a) 从时间t0到时间t1调整、有利地增加进入所述转轮(6)的水流的步骤；
b) 在时间t1闭合所述断路器(4)的步骤，t1是如下时间，对于该时间而言，称为发电机频率的所述同步发电机的转子的旋转频率等于第一容许区间内的所述电网频率，并且所述电网相位和所述同步发电机相位在第二容许区间内对准，所述方法的特征在于，所述步骤a)包括从时间t2到时间t1执行的子步骤a1)，其中利用称为调整控制器的控制器(7)计算出的调整转矩施加到所述轴线(9)，使得在时间t3，对于该时间而言，所述发电机频率首次进入所述第一容许区间内，所述同步发电机相位和所述电网相位之间的差等于第三容许区间内的预定值A，时间t1是相对于时间t3的最近时间，对于其，所述电网相位和所述同步发电机相位在所述第二容许区间内对准。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果所述电网频率高于所述发电机频率，则所述预定值A在[0°,270°]的范围内，或如果所述电网频率低于所述发电机频率，则所述预定值A在[-270°,0°]的范围内。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，时间t2是对于其称为中间旋转频率的所述转子的旋转频率低于所述电网频率的95％的时间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，用于调整转矩的装置包括闸门。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述调整转矩包括经由称为第一致动器(10)的致动器调整进入所述转轮的水流，所述第一致动器(10)由所述调整控制器控制，并且其中在执行子步骤a1)期间，所述调整控制器有利地实时计算进入所述转轮(6)的所需水流。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述调整控制器实时计算进入所述转轮(6)的所需水流。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述调整控制器与适于测量所述发电机频率和所述发电机相位的传感器通信。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述调整控制器与适于测量所述发电机频率和所述发电机相位的传感器通信。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述调整控制器还设有基于流体动力学的模型，用于计算进入所述转轮(6)的所需水流。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述基于流体动力学的模型是所述水力单元(1)的流体动力学分析模型，并且所述反馈回路包含状态估计器。

说明书全文

用于启动水轮机的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于将水轮机(hydraulic turbine)联接到电网(grid)的方法。具体而言，本发明涉及一种用于将水轮机联接至电网的方法，该水轮机包括同步发电机，其转子由涡轮驱动旋转。本发明还旨在提出一种比现有技术方法以更快的方式将水轮机联接到电网的方法。

背景技术

[0002] 为了确保电网稳定性和/或防止电网停电，必须在电力产生和电力消耗之间实现电网平衡。

[0003] 水力发电站经由容纳在水库中的水储备具有电力储备，该水储备可根据需要通过启动水轮机来提供，以补偿电力消耗和/或电力产生的任何变化。

[0004] 就此而言，用于提供这种电力储备的时间响应因此是关键因素，在此基础上，电力生产商可预期更多或更少有利收益。

[0005] 一种用于启动水轮机的已知的现有技术方法，该水轮机具有经由断路器连接到电网的同步发电机、驱动同步发电机的转轮(runner，有时也称为转子或滚子)以及用于调整进入转轮的水流的引导导叶，该方法包括以下步骤：a) 打开引导导叶(闸门(wicket gate))，使水在转轮中流动，并使转轮加速到额定速度；
b) 在转子绕组中使励磁电流运行，以便激励同步发电机；
c) 调整引导导叶，以使转轮速度稳定在接近标称速度的值处，该标称速度对应于电网频率；
d) 使电网相位与同步发电机的相位对准(align，有时也称为调准或匹配)；
e) 闭合断路器以将定子绕组连接到电网。

[0006] 然而，这种方法不令人满意。

[0007] 实际上，用于启动水轮机的最小时间响应约为90秒，这与在收益方面可能期望的最大效率不相容。

[0008] 例如，步骤c)和d)共同形成了称为“同步步骤”的更总体的步骤，通常需要20 s到60 s。由于水力回路的瞬态特性和利用分配器来略微控制水流的难度，控制单元速度确实非常困难。

[0009] 因此，为了保持水力单元开始的时间响应尽可能低，已经提出了以非常低的功率将所述单元保持与电网同步。

[0010] 然而，该解决方案也不令人满意。

[0011] 实际上，当以非常低的功率或零功率进行同步时，水力单元在以非常低的效率操作的同时消耗水储备。

[0012] 此外，通常不设计成在低功率下操作的涡轮和同步发电机然后遭受异常磨损。

[0013] 有可能在更高的功率下操作，但这些额外的功率(即使不需要)必须由电网运营商进行管理，并以非常低的价格出售。

[0014] 备选地，水力单元可在脱水模式下与电网保持同步。

[0015] 然而，该备选方案也不令人满意。

[0016] 实际上，脱水模式需要专门的投资来从水轮机冲洗水，这增加了安装成本。

[0017] 此外，在脱水模式下，水力单元消耗来自电网的电力。

[0018] 因此，本发明的目的在于提出一种用于以比已知的现有技术方法更快的方式将水力单元联接至电网的方法。

[0019] 本发明的目的还在于提出一种不需要任何额外投资的用于将水轮机联接到电网的方法。

[0020] 本发明的目的还在于提出一种既不消耗水储备也不消耗电网电力的用于将水力单元联接到电网的方法。

发明内容

[0021] 前述目的至少部分地通过一种方法来实现，该方法用于控制(有利地启动)水力单元，该水力单元具有旨在经由断路器连接至电网的同步发电机、设有经由轴线机械地联接至同步发电机的转子的转轮来驱动同步发动机的水轮机、以及用于调整施加到轴线的转矩的装置，该方法包括：a) 从时间t0到时间t1调整(有利地增加)进入转轮的水流的步骤；
b) 在时间t1闭合断路器的步骤，t1是对于其同步发电机的转子的旋转频率(称为发电机频率)等于第一容许区间内的电网频率的时间，并且电网相位和同步发电机相位在第二容许区间内对准，
步骤a)包括从时间t2到时间t1执行的子步骤a1)，其中利用称为调整控制器的控制器计算出的调整转矩施加到轴线，使得在时间t3，对于其发电机频率首次进入第一容许区间内，同步发电机相位和电网相位之间的差等于第三容许区间内的预定值A，时间t1是相对于时间t3的最近时间，对于其，电网相位和同步发电机相位在第二容许区间内对准。

[0022] 该方法可有利地用于启动水轮机。当可逆涡轮从泵送模式改变为涡轮模式时，也可使用该方法。该方法还可用于在导致涡轮与电网断开连接的缺陷之后将涡轮联接回到电网。

[0023] 根据一个实施例，如果电网频率高于发电机频率，则预定值A在[0°,270°]、优选地[0°,180°]、并且更优选地[0°,45°]的范围内，或如果电网频率低于发电机频率，则预定值A在[-270°,0°]、优选地[-180°,0°]、并且更优选地[-45°,0°]的范围内。

[0024] 根据一个实施例，时间t2是对于其转子的旋转频率(称为中间旋转频率)低于电网频率的95％、优选地80％、更优选地低于70％的时间。

[0025] 根据一个实施例，经由调整水流来调整转矩。

[0026] 根据一个实施例，利用闸门来调整水流。

[0027] 根据一个实施例，调整转矩包括对经由称为第一致动器的致动器进入转轮的水流的调整，第一致动器由称为调整控制器的控制器控制，并且其中在执行子步骤a1)期间，调整控制器有利地实时计算进入转轮中的所需水流。

[0028] 根据一个实施例，调整控制器获得由适于测量发电机频率和发电机相位的传感器提供的信号。

[0029] 根据一个实施例，调整控制器还设有基于流体动力学的模型，用于计算进入转轮的所需水流。

[0030] 根据一个实施例，基于流体动力学的模型是水轮机的流体动力分析模型。

[0031] 根据一个实施例，调整控制器控制第二致动器，该第二致动器适于在子步骤a1)期间在同步发电机的转子上施加电转矩。

[0032] 根据一个实施例，第二致动器包括变频驱动器。变频驱动器可为静态频率转换器或电压源逆变器。

[0033] 根据一个实施例，第二致动器在子步骤a1)期间使用反馈回路来控制电转矩。

[0034] 根据一个实施例，调整控制器计算转子的频率上升的理论轨迹。

[0035] 根据一个实施例，第二致动器实时地控制电转矩，使得转子的频率上升遵循理论轨迹。

[0036] 根据一个实施例，第二致动器由与电池联接的AC/DC转换单元或连接到电网的晶闸管桥供电。

[0037] 本发明还涉及一种计算机程序，该计算机程序用于实施根据本发明的将水力单元联接至电网的方法。

[0038] 技术方案1. 一种用于控制有利地联接到电网的水力单元(1)的方法，所述水力单元具有旨在经由断路器(4)连接到电网(3)的同步发电机(2)、设有经由轴线(9)机械地联接到所述同步发电机(2)的转子以驱动所述同步发电机(2)的转轮(6)的水轮机(5)、以及用于调整对于所述轴线的转矩的装置，所述方法包括：a) 从时间t0到时间t1调整、有利地增加进入所述转轮(6)的水流的步骤；
b) 在时间t1闭合所述断路器(4)的步骤，t1是对于其称为发电机频率的所述同步发电机的转子的旋转频率等于第一容许区间内的所述电网频率的时间，并且所述电网相位和所述同步发电机相位在第二容许区间内对准，所述方法的特征在于，所述步骤a)包括从时间t2到时间t1执行的子步骤a1)，其中利用称为调整控制器的控制器(7)计算出的调整转矩施加到所述轴线(9)，使得在时间t3，对于其，所述发电机频率首次进入所述第一容许区间内，所述同步发电机相位和所述电网相位之间的差等于第三容许区间内的预定值A，时间t1是相对于时间t3的最近时间，对于其，所述电网相位和所述同步发电机相位在所述第二容许区间内对准。

[0039] 技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，如果所述电网频率高于所述发电机频率，则所述预定值A在[0°,270°]的范围内，或如果所述电网频率低于所述发电机频率，则所述预定值A在[-270°,0°]的范围内。

[0040] 技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其中，时间t2是对于其称为中间旋转频率的所述转子的旋转频率低于所述电网频率的95％的时间。

[0041] 技术方案4. 根据技术方案1至3中任一项所述的方法，其中，用于调整转矩的装置包括闸门。

[0042] 技术方案5. 根据技术方案1至3中任一项所述的方法，其中，所述调整转矩包括经由称为第一致动器(10)的致动器调整进入所述转轮的水流，所述第一致动器(10)由所述调整控制器控制，并且其中在执行子步骤a1)期间，所述调整控制器有利地实时计算进入所述转轮(6)的所需水流。

[0043] 技术方案6. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述调整控制器实时计算进入所述转轮(6)的所需水流。

[0044] 技术方案7. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述调整控制器与适于测量所述发电机频率和所述发电机相位的传感器通信。

[0045] 技术方案8. 根据技术方案6所述的方法，其中，所述调整控制器与适于测量所述发电机频率和所述发电机相位的传感器通信。

[0046] 技术方案9. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述调整控制器还设有基于流体动力学的模型，用于计算进入所述转轮(6)的所需水流。

[0047] 技术方案10. 根据技术方案7所述的方法，其中，所述基于流体动力学的模型是所述水力单元(1)的流体动力学分析模型，并且所述反馈回路包含状态估计器。

[0048] 技术方案11. 根据技术方案10所述的方法，其中，所述反馈回路的状态估计器基于扩展的卡尔曼滤波器。

[0049] 技术方案12. 根据技术方案5所述的方法，其中，所述调整控制器控制第二致动器(11)，所述第二致动器(11)适于在子步骤a1)期间在所述同步发电机(2)的转子上施加电转矩。

[0050] 技术方案13. 根据技术方案12所述的方法，其中，所述调整控制器计算所述转子的频率上升的理论轨迹。

[0051] 技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其中，所述第二致动器(11)实时地控制所述电转矩，使得所述转子的频率上升遵循所述理论轨迹。

[0052] 技术方案15. 根据技术方案12所述的方法，其中，所述第二致动器(11)包括变频驱动器。

[0053] 技术方案16. 根据技术方案12所述的方法，其中，在子步骤a1)期间，所述第二致动器(11)使用反馈回路来控制所述电转矩。

[0054] 技术方案17. 根据技术方案12所述的方法，其中，所述第二致动器(11)由与电池联接的AC/DC转换单元或连接至所述电网(3)的晶闸管桥供电。

[0055] 技术方案18. 一种用于实施根据技术方案1至17中的一项所述的方法的计算机程序。附图说明

[0056] 其它特征和优点将在以下通过参照附图的非限制性示例给出的、根据本发明的用于将水轮机联接至电网的方法的实施例的以下描述中出现，在附图中：图1是涉及控制两个致动器和反馈回路的控制器的根据本发明的第一实施例的水力单元的示意图；
图2是涉及由电网的功率馈送的变频驱动器的根据本发明的第二实施例的第一变型的水力单元的示意图；
图3是涉及由电池馈送的变频驱动器的根据本发明的第二实施例的第二变型的水力单元的另一示意图。

具体实施方式

[0057] 本发明提出了一种以比已知的现有技术方法更快的方式将水力单元联接至电网的方法。具体而言，并且与已知的现有技术方法相反，本发明的方法提出了同时执行发电机频率稳定化以及发电机相位与电网相位的对准。

[0058] 图1示出了根据本发明的水力单元的整体结构。

[0059] 水力单元1包括经由断路器4(显示在图2和图3中)连接到电网3的同步发电机2。

[0060] 无需特别说明就将理解，同步发电机包括布置成在定子内部旋转的转子，其绕组经由断路器连接到电网。

[0061] 此外，无需特别说明还应理解，电网由称为电网频率的频率和称为电网相位的相位的交变电流运行。

[0062] 为了清楚起见，本发明是在单相同步发电机的背景下描述的，并且可归纳为多相(例如三相)同步发电机。

[0063] 水力单元1还包括水轮机5，该水轮机5设有经由轴线(shaft line)9机械地联接至同步发电机2的转子的转轮6，使得当旋转时，转轮6以相同的转速驱动转子旋转。转子的转速经由转子的极数直接确定由同步发电机输送的电压的频率。

[0064] 此外，水力单元1还包括用于调整轴线上的转矩的装置。

[0065] 例如，调整装置可包括闸门。

[0066] 水力单元1还可包括闸门的上游的主入口阀。

[0067] 根据本发明的用于将水力单元联接至电网的方法包括从时间t0到时间t1增加进入转轮的水流的步骤a)。在时间t1，断路器可闭合以将发电机连接到电网，t1是对于其满足以下2个条件的时间：1) 同步发电机转子的旋转频率(称为发电机频率)等于第一容许区间内的电网频率，以及
2) 电网相位和同步发电机相位在第二容许区间内对准。

[0068] 第一容许区间例如是以电网频率为中心的+/- 0.5％、优选地0.2％的区间。

[0069] 第二容许区间例如是以电网相位为中心的+/- 20°、+ /-10°、优选地+/- 5°、并且更优选地+/- 2°的区间。

[0070] 在一定的旋转频率下，转子的绕组可由励磁电流运行，以激励同步发电机。

[0071] 步骤a)还包括从时间t2到时间t1执行的子步骤a1)，其中将调整转矩施加到轴线(9)，使得在时间t3，对于其发电机频率首次进入第一容许区间，同步发电机相位与电网相位之间的差等于第三容许区间内的预定值A。

[0072] 无需特别说明就将理解，时间t2包括在[t0,t1]范围内。

[0073] 无需特别说明还将理解，时间t3包括在[t2,t1]范围内。

[0074] 有利地，如果电网频率高于发电机频率，则A在[0°,270°]、优选地[0°,180°]、并且更优选地[0°,45°]的范围内。

[0075] 有利地，如果电网频率低于发电机频率，则A在[-270°,0°]、优选地[-180°,0°]、并且更优选地[-45°,0°]的范围内。

[0076] 第三容许区间例如是以A的值为中心的+/- 135°、+ /-90°、优选地+/- 22.5°、并且更优选地+/- 10°的区间。

[0077] 时间t2例如是对于其转子的旋转频率(称为中间旋转频率)低于电网频率的95％、优选地80％、更优选地低于70％的时间。

[0078] 举例来说，以下描述根据本发明的将水轮机联接至电网的方法，其中预定值A等于零。该示例代表了理想情况。

[0079] 该水轮机可包括称为调整控制器7的控制器，该控制器适于控制用于调整至轴线的转矩的装置。

[0080] 具体而言，在执行子步骤a1)期间，调整控制器7有利地实时计算待施加到轴线9的调整转矩。

[0081] 为此，调整控制器7可接收信息，例如发电机频率与电网频率之间的差或发电机相位与电网相位之间的差。

[0082] 频率和相位可通过传感器测量。考虑到那些差异，调整控制器7可经由算法来估计或计算待施加到轴线的转矩，以调整转子的频率上升，使得在时间t3，同步发电机的相位和电网相位之间的差等于零。在该示例中，t1与t3同时发生：电网和同步发电机的频率在彼此的第一容许区间内，而电网和同步发电机的相位在第二容许区间内对准。断路器闭合，以便向电网馈送电流。

[0083] 仅在没有由于控制器7和/或致动器11引起的不确定性的情况下才可实现这种理想情况。

[0084] 如果由于控制器7和/或致动器11而存在一些不确定性，则在时间t3，同步发电机的相位与电网的相位之间的差可能不严格等于零。差异实际上包括在第三容许区间内。

[0085] 已知第三容许区间，并且如果电网频率高于发电机频率，则控制器计算待施加到轴线的转矩可能是令人感兴趣的，使得在时间t3处，尽管存在不确定性，但发电机相位和电网相位之间的差始终是正的。为此，如果电网频率高于发电机频率，则将A的值有利地设置为正值。

[0086] 备选地，如果电网频率低于发电机频率，则A的值有利地被设置为负值。

[0087] A的最佳值是第三区间长度的一半，A的符号取决于发电机频率和电网频率的相对位置。

[0088] 不等于零的值A的结果是t1在t3之后的某个时间出现，引起将水力单元联接到电网所需时间的性能下降。

[0089] 接近零的值A允许缩短联接时间。然后，本发明的性能直接取决于第三容许区间。这就是为什么控制器的准确性或在轴线上施加转矩的致动器的准确性必须比通常用于启动水力单元的准确性高得多的原因之一。

[0090] 在一个实施例中(图1)，施加到轴线的调整转矩包括对进入转轮的水流的调整。具体而言，水流的调整包括基于称为模型预测控制的高级控制解决方案的算法的实现。在调节器的一个采样时间(通常10 ms)期间，该模型在通常10 s的范围内多次集成，以便找到最佳速度/相位轨迹和针对一个或多个致动器的对应命令。这种控制策略是计算资源密集型的，并且其允许精确考虑水力回路的动态行为，如压力管道(penstock)中的水锤，并掌握速度/相位行为。在说明书末尾引用的参考文献[1]中给出了有关水力发电机建模的更多细节。

[0091] 因此，调整控制器7可经由算法来估计用于实现子步骤a1)的闸门的最佳打开设定点。因此，最佳打开的所述估计传送到称为第一致动器10的致动器，其控制闸门的打开，使得将最合适的水力转矩施加到轴线。

[0092] 有利地，例如通过连续地测量同步发电机的频率和相位，并且通过使用扩展的卡尔曼滤波器12，实时地有利执行最佳打开设定点的估计。

[0093] 发明人已经注意到，当执行根据本发明的方法时，以可重复的方式从一次执行到另一次实现时间t3和时间t1之间的延迟和预定值A。

[0094] 在另一个实施例中(图2和图3)，调整控制器7可将设定点施加于第二致动器11。第一致动器10控制闸门的打开，而第二致动器11可包括联接到同步发电机的定子的变频驱动器。

[0095] 变频驱动器是一种功率电子装置，其经由定子绕组为轴线提供电转矩。功率电子装置可为静态频率转换器或电压源逆变器。

[0096] 在子步骤a1)期间，调整控制器7基于同步发电机的频率和相位的信息来计算发电机的理论频率轨迹，使得在时间t1同步发电机与电网同步并与电网对准。一旦已经计算出理论轨迹，则调整控制器7因此调整第一致动器和第二致动器的设定点，使得同步发电机的频率轨迹遵循理论轨迹。该控制有利地通过反馈回路控制来执行，以防止或最小化与理论轨迹的任何偏差。

[0097] 第二致动器11可包括与电池8联接的AC/DC转换单元。

[0098] 根据本发明的方法还包括闭合断路器4以向电网馈送由同步发电机产生的电流的在时间t1执行的步骤b)。

[0099] 闭合断路器后，电致动器11可通过打开开关7a与水力单元断开连接。

[0100] 在另一个实施例中，调整控制器可对第一致动器10和第二致动器11施加适当的设定点。

[0101] 因此，根据本发明，有可能在单个步骤内执行相位同步和相位对准，以便减少将水力单元联接至电网所需的时间。

[0102] 例如，发明人已经在数值上证明了水力单元的启动可从90秒减少到60秒。

[0103] 此外，根据本发明的方法不需要实施任何附加设备，并因此可适用于现有的水力发电站。

[0104] [1]Hugo Mesnage等人，"Constrained model based control for minimum-time start of hydraulic turbines"，第28届AIRH，格勒诺布尔，2016年。

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