按照这种方式设计的泵水轮机可以象泵或者水轮机那样进行操 作，并且能够在泵送操作中令人满意地表现出用于泵送作用的离心力， 从而得到一个预定的高泵送水头。但是，为泵送操作进行的设计对水 轮机操作有负面影响，也就是说，输出特性叫做S-特性。在适用于 高泵送水头的泵水轮机内的S-特性是很突出的。
泵水轮机的输量特性通常由一组用导叶开口量作参数、表示单位 速度($N1=N/\sqrt{H}$)和单位流量($Q1=Q/\sqrt{H}$)之间关系的特性曲线 表示。水轮机操作的区域包括值N1增大时值Q1减小的部分(第一部 分)，和值N1减小时值Q1减小的另一部分(第二部分)。而且，第一 部分分成当值N1增大时值Q1相对缓慢较小的一个分段(在第一部分中 缓慢变化分段)，和值N1增大时值Q1相对迅速减小的另一分段(在第 一部分中迅速变化分段)。在第一部分和第二部分内的迅速变化分段 构成S-特性分段。
在泵水轮机的发电模式中，在第一部分的缓慢变化分段完成正常 的操作。但是，因为在开始时导叶开口量大约是一个无负载开口量， 其比带有负载正常操作的开口量小，同时值N1表现的S-特性也变小， 操作点不仅相对接近S-特性分段，而且有时会硬挤入S-特性分段的 第一部分的迅速变化分段。特别是，当要求带有电力系统的泵送-发 电站的同步和平行操作在最低水头处单位速度N1变为最高时，这种情 况变得最严重。不用说，因为操作开始的开始速度低，单位速度也低， 因此，单位速度大大地远离S-特性分段，因而实现稳定的加速。当 速度接近额定速度时，速度开始受到S-特性的影响。当单位速度N1 落到S-特性分段的第一部分内时，梯度变得猛然陡峭起来， 因此，相对速度振动的流量振动变大，也就是说，水锤变大，因而， 破坏了由控制器控制的速度稳定性。而且，因为在开始时水轮机流量 从零增大到无负载流量，其情况受到瞬时水锤合力逐渐严重的影响。 结果，围绕最低水头的速度振动根本得不到抑制，因此，电站在某些 时候不能同步或者装上电力系统。电站不能同时或者装上电力系统的 情况表示出电站在那一水头下不能工作，因此造成巨大的损失。在使 用泵水轮机的情况下，当水头变大时，转子必须变成平锤形并具有加 大的直径，以表现出理想的泵送特性。因此，单位速度N1表现的S- 特性在同样的导叶开口量下变得较低，因而使上述问题更严重。

本发明意在解决现有技术中存在的上述问题。因此，本发明的目 的是提供一种泵水轮机，其可以增强水轮机开始时的速度稳定性并且 可以扩大同步水头的范围。
为了实现上述目的，本发明采用直接转换转子的方向，从而使泵 水轮机既能够在泵送模式下也能在发电模式下操作；传感转子的速度； 利用控制流量的方式，根据传感到的速度，使速度接近一个目标速度； 在动力发电开始时，暂时将目标速度设定为一个与额定速度不同的速 度；并且在速度到达目标速度之后而不是速度到达目标速度之前，通 过将流量调整到一个较低值，对速度控制的响应速度进行控制。
再者，为了达到上述目的本发明的泵水轮机包含一控制器，该控 制器以这样的方式控制流量调整装置：将转子的速度稳定地设定为一 个命令值，同时传感在发电模式下转子的速度，其中，控制器的转化 功能按照这样的方向转换：控制器在速度增大到接近额定速度的暂时 目标值之后改善的程度比速度增大到暂时目标速度之前(此时泵水轮 机至少在比发电模式的预定水头小的水头处开始)的改善程度大。
因此，本发明的泵水轮机包含一控制器，该控制器以这样的方式 控制流量调整装置：将转子的速度稳定地设定为一个命令值，同时传 感在发电模式下的转子的速度，当泵水轮机至少在水头小于发电模式 预定水头的情况下开始时，速度命令值暂时设定为一个比额定速度低 的第一命令值，因此暂时稳定速度并等待解决例如水锤的暂时现象， 速度命令值逐渐增大，因而，使速度达到与电力系统频率等同的同步 速度。
下一步，命令值暂时设定为第一命令值，因此，暂时稳定速度并 等待解决例如水锤的瞬时现象，速度命令值慢慢地增大到与额定速度 对应的值，该额定速度能够防止任何有害水锤发生，这样，速度就被 慢慢地引导到与电力系统频率等同的同步速度。
再者，控制器内计算单元的转化作用是在速度增大到大约额定速 度之后、泵水轮机至少在比发电模式内的预定水头小的情况下转换， 控制器的稳定性在速度增大到大约额定速度之后比速度增大到大约额 定速度之前得到更好的改善。
下一步，在控制器内的计算单元具有三个元件，即一比例元件、 一积分元件和一微分单元的情况下，在速度增大到大约额定速度之前 或者之后，至少对积分元件的设定值进行转换。
再次，根据速度猛然上升的增大量、在梯度|δQ/δN|或者|δQ1/δN1| 或者等同状态之前，将第一命令值立即设定为某一速度。
下一步，本发明的泵水轮机包含一控制器，该控制器以这样的方 式控制流量调整装置：将转子的速度稳定地设定为一个命令值，同时 传感在发电模式下的转子的速度，暂时将命令值设定为比额定速度低 的第一命令值，因而暂时稳定速度并等待解决例如水锤的瞬时现象， 之后，命令值逐渐增大，这样速度就和电力系统频率等同的速度同步， 同时控制器的转化功能按照这样的方向转换：控制器的稳定性在速度 增大到大约额定速度、泵水轮机至少在水头小于发动模式下的预定水 头时开始驱动的情况下得到更大的改善。
再次，本发明的泵水轮机包含一控制器，该控制器以这样的方式 控制流量调整装置：将转子的速度稳定地设定为一个命令值，同时传 感在发电模式下的转子的速度，控制器的转化功能按照这样的方向转 换：当速度大约到达或者高于同步速度、泵水轮机至少在小于发动模 式下的第二预定水头的水头处开始操作时进行转换，而且，命令值暂 时设定为高于额定速度的第四命令值，随后暂时稳定速度并等待解决 例如水锤的瞬时现象，之后，命令值逐渐减小，这样将速度逐渐引导 到与电力系统频率等同的同步速度(此时泵水轮机至少在小于第三预 定水头的水头处开始)。
下一步，将命令值暂时设定为第四命令值，速度暂时稳定并等待 解决例如水锤的瞬时现象，之后，速度命令值逐渐减小到不会再出现 有害水锤的速度值，这样，速度就会被慢慢地引导到与电力系统频率 等同的同步速度。
本发明还提供一种泵水轮机的控制方法，其中所述泵水轮机设置 有转子、用于调节通过所述转子的水流量的流量调节器、所述转子的 旋转速度检测器和旋转速度控制器，其中，所述旋转速度控制器具有 计算单元，该计算单元输入来自所述旋转速度检测器的旋转速度信号 并演算向所述流量调节器的控制信号，以使之收敛于给定有所述转子 旋转速度的命令值上，该泵水轮机可以通过转换所述转子的旋转方向 在泵模式或者发电模式下工作，其特征是：在所述泵水轮机的发电模 式的启动时，在所述转子的旋转速度上升到额定旋转速度的过程中， 在所述转子的旋转速度上升到不同于所述额定旋转速度的预定旋转速 度的阶段，将所述计算单元的增益切换至比上升到所述旋转速度之前 的增益低的增益。
本发明能够提高水轮机开始工作时的速度稳定性。特别是，当水 轮机在低水头条件下启动时，能够更可靠地稳定速度控制，从而进一 步增大泵水轮机朝着低水头的操作范围。按照这种方式，能够迅速地 实现泵水轮机内的泵性能和水轮机性能，从而提高泵水轮机的性能。
附图说明
图1表示本发明中泵水轮机内整个速度控制系统的方框图；
图2表示本发明人提出的泵水轮机的线性模型；
图3表示本发明中泵水轮机启动时变速器操作示例1的示意图；
图4表示本发明中泵水轮机启动时变速器操作示例2的示意图；
图5表示通过泵水轮机示例操作变速器的方法的示意图；
图6表示本发明中用于启动泵水轮机的方法中操作点轨迹的示例1 的曲线图；
图7表示本发明中用于启动泵水轮机的方法中操作点轨迹的示例2 的曲线图；
图8表示利用泵水轮机示例的启动方法中的操作点轨迹的曲线图；
图9表示利用一个示例启动泵水轮机的运行状态的示意图(在一个 低水头的情况下)；
图10表示通过图9所示的技术泵水轮机启动时、在模型水轮机逆转 平面上的操作点轨迹的示意图；
图11表示通过图9所示的技术泵水轮机启动时每个模型水轮机逆 转变化的响应性曲线图；
图12A和12B表示变速器功能和由控制器得到的速度衰减的曲线 图；
图13表示本发明中泵水轮机启动时变速器的操作示例3的示意图；
图14A和14B表示泵水轮机特性的曲线图；
图15表示本发明中泵水轮机启动时的运行状态的示意图(在低水 头情况下)；
图16表示图15所示的泵水轮机启动时、在模型水轮机逆转平面上 的操作点的轨迹的示意图；
图17表示图15所示的泵水轮机启动时每个模型水轮机逆转变化的 响应性的曲线图。

首先，下面将在本发明的概念下进行说明。在解释完概念后，将 详细说明本发明的优选实施例。通常在泵水轮机，特别是在具有高泵 送水头的泵水轮机中，将转子设计为能够呈现出令人满意的用于泵送 操作的离心力动作，从而在泵送操作中获得高泵送水头。
但是，这种设计在泵水轮机进行水轮机操作当中有反面影响。在 此，首先说明S-特性。被称作S-特性的特性会或多或少地出现。完 全避免S-特性出现是很困难的。泵水轮机的流量特性通常用导叶开 口量作为参数、由一组表示一单位速度($N1=N/\sqrt{H}$)和一单位流量 ($Q1=Q/\sqrt{H}$)之间关系的特性曲线来表示。相反，泵水轮机的扭矩 特性用导叶开口量作参数、由一组表示单位速度($N1=N/\sqrt{H}$)和单 位扭矩(T1＝T/H)之间关系的特性曲线表示。在此，这类特性曲线 通常称作泵水轮机的性能曲线。
在上述流量特性曲线中，水轮机操作区域包括第一部分和第二部 分，其中，在第一部分中当值N1增大时，值Q1减小；在第二部分中当 值N1减小时，值Q1减小。而且，第一部分包含一个分段(该分段可以 看作是在第一部分的缓慢变化分段)，在该分段中当值N1增大时，值 Q1相对缓慢地减小；以及另一分段(该分段可以看作是在第一部分的 迅速变化分段)，在该分段中当值N1增大时，值Q1相对迅速地减小。 在本说明书中，第二部分和第一部分的迅速变化分段看作是便于解释 的S-特性分段。当水轮机在S-特性分段操作当中，单位扭矩(T1) 与单位流量Q1的方式一样，也包含第一部分和第二部分，其中，在第 一部分中，当单位速度(N1)增大时，扭矩减小；在第二部分中，当 单位速度(N1)减小时，扭矩减小。
泵水轮机发电模式的正常操作状态是在第一部分的缓慢变化部分 内完成的。但是，当水轮机即使在同样的有效水头，也就是即使在同 样的单位速度N1下，其在正常操作当中的输出变得较小时，S-特性 分段接近单位速度N1的范围。因此，机械的单位速度N1在最接近S- 特性的最低有效水头的无负载处操作，这样，操作点会硬挤入S-特 性分段，总是落在第一部分的迅速变化部分。特别是，泵水轮机在发 电模式下启动的情况下，必须将流量至少从零增大到等于无负载状态 的流量。因为流量变化伴随着一些水锤现象，因此，操作点在瞬时状 态更可能深深地挤入S-特性分段内。
图14A和14B表示在水轮机操作区域内具有S-特性的泵水轮机特 性。在图14A中，泵水轮机特性是通过用导叶开口量作参数、表示单 位速度(N1)和单位流量(Q1)之间关系来说明的。相反，在图14B 中，泵水轮机的特性是通过用同样的参数、表示单位速度(N1)和单 位扭矩(T1)之间关系来说明的。
在上面的说明中，符号N、Q、H和T分别代表泵水轮机的速度、 流量、有效水头和扭矩。
特性曲线1和1′是在一预定的相对大的导叶开口量下得到的；特性 曲线2和2′是在导叶开口量比上述导叶开口量小的位置得到；特性曲线 3和3′是在导叶开口量比上述导叶开口量更小的位置得到的。
在特性曲线1的第二分段，即由曲线a-d-h表示的分段处，当值N1 减小时，值Q1减小。同样，在由曲线b-e-i表示的分段，即特性曲线2 的第二分段处，当值N1减小时，值Q1减小。再者，在由曲线c-f-j表示 的分段，即特性曲线3的第二分段处，当值N1以同样的方式减小时， 值Q1减小。粗略地观察可以看出，特性曲线1的第二分段a-d-h比特性 曲线2的第二分段b-e-i长，而且比特性曲线3的第二分段c-f-j更长。这 表示当导叶开口量变小时，S-特性分段变短。
与图14A一样，在图14B中，曲线a′-d′-h′、b′-e′-i′和c′-f′-j′分别 表示特性曲线1′、2′、3′的第二分段。
图14B与图14A有密切关系。例如，在图14A内曲线3上的满足Q1 ＝Q1x和N1＝N1x的点x与图14B中曲线3′上的点x′对应。点x′满足T1 ＝T1x′和N1＝N1x′(＝N1x)。同样，图14A内的a、b、c、d、e、f、 h、i和j分别对应于图14B内的a′、b′、c′、d′、e′、f′、h′、i′和j′。曲线 NR是一条无负载操作曲线，其中，单位流量Q1对应于无负载操作所 需的流量，曲线NR背对着对应于给定速度的单位速度N1绘制。曲线1、 2和3与曲线NR的相交点α、β和γ分别对应于曲线1′、2′和3′和T1＝0 的直线的相交点α′、β′和γ′对应。
假设在发电模式启动时，需要将速度从0增大到发电机负载(水轮 机输出值)保持为0时的额定速度N0。这表示工作点从在停止阶段原点 (N1＝0，T1＝0)向左转换到上述N1-T1特性的水平线T1＝0与垂直 线$N1=N_0/\sqrt{H}$的相交点。例如，在水平线T1＝0与垂直线$N1=N_0/\sqrt{H}$的 相交点由H确定的情况下，当单位速度N增大到N0时，相交点落在点α′ 和β′之间，导叶开口量需要在曲线1和2之间打开。同时，在观察上述 水轮机从N1-Q1特性的观察点启动时，操作点从原点(N1＝0，Q1 ＝0)转移到在线NR上的点α和点β之间的中间点。也就是说，需要将 Q1从0增大到在点α的Q1和点β的Q1之间的一个值，并且，需要将流量 Q增大到对应值。此时，在直接与水轮机连接的发电机是一个同步发 电机的情况下，将发电机装到电力系统上的速度，即额定速度N0不会 变化，同时单位速度N1根据水头变得较大或者较小。
换句话说，在最低水头的情况下，要求速度与在最大单位速度N1 处的电力系统的频率同步。此时，操作点从流量特性曲线上的第一部 分的中间变化分段偏离，因而，操作点处于第一部分的迅速变化分段 内。此时，因为当设计水头变高时泵水轮机转子必须形成为平锤形， 必然使S-特性呈向下转换为N1较低值的趋势。因此，操作点会硬挤 入或者不正常地接近高水头泵水轮机在最低水头启动的S-特性分段 内。
结果，即使速度增大到大约额定值，脉动现象会反复进行，因此， 提出了发电机不能平稳同步的问题。发电机不能同步的状况表示发电 机不能用作发电设备，因而造成巨大的损失。
图8表示在现有技术的发电模式启动的泵水轮机操作点轨迹的示 意图，其中，Y2表示无负载时的速度正好增大到额定速度的导叶开口 量处获得的N1-Q1特性，即，在无负载开口量处的特性曲线；Y3表 示比无负载略微小一点的导叶开口量处得到的N1-Q1特性；以及Y1 表示比无负载略微大一点的导叶开口量处得到的N1-Q1特性。启动前 的操作点在N1＝0和Q1＝0的点①处。通过给控制器一个启动命令，导 叶开始打开，然后，通过打开一个负载限制装置，限制从控制器输出 的导叶开口量命令信号的上限。然而，此时水轮机还没有启动，因此， 泵水轮机的操作点从图8的点①转移到点②。当操作点到达点②时，速 度开始增大。之后，速度在控制器的控制之下不断增大。在这一阶段， 泵水轮机的操作点从点②转移到点③。更详细地讲，将产生脉冲信号 和对控制器内变速器进行控制的同步器打开，同时，在N1到达等于额 定速度的N1P之前(即，从略低于N1P的N1)，将泵水轮机的实际速 度立即与等于电力系统频率的同步速度进行比较。此后，速度通过双 重控制同步进行，即，通过将速度控制为一个给定的变速器设定值的 控制器和将变速器设定值控制为同步速度的同步器进行控制。
但是，在图8所示的点③不正常地接近或者硬挤入在低水头启动的 S-特性分段的情况下，就不会实现同步。产生这种情况的原因是只 有控制对操作点接近点③作出响应，而没有设置准确地抑制由水锤引 起的脉动的装置。
因为梯度迅速上升接近点③，流量的变化相当迅速，并 且即使通过调节控制器使速度慢慢地接近同步速度，水锤也会有的灵 敏反应的可能性。
采用速度控制器控制泵水轮机和发电机。本发明人已经说明，假 设在初始条件附近具有细小的变化，机器可以受到图2所示的具有足够 精确度的线性模型控制。在图2中，参数y表示作为被控制机械输入量 的导叶开口量(p.u.)；pt是水轮机的输出量(p.u.)；以及n是被控 制机械的输出速度(p.u.)。而且，参数Tm表示旋转部件的机械启动 时间(sec)，其等于I(2π/60)2N0 2/P0；Tw表示水管中水的启动时间 (sec)，其等于∑(Li.Vi)/(g.H)，其中，参数I代表惯量的第二扭 矩；P0是水轮机的额定输出量；Li是每个水管的长度；Vi是在额定输 出量时的每个水管内的流量；g是重力加速度；以及S是一个拉普拉斯 操纵器。而且，希腊字母α、β、γ、ε和δ分别限定为对在图2的附加表 示。在此，希腊字母Ψ代表水轮机的效率。另外，注脚r代表额定值； 以及注脚0代表受到线性模型作用的点的初始值。
本发明者还揭示了下述事实：即使当操作点落在N1-Q1特性曲线 上的第一部分处的缓慢变化分段，操作点接近S-特性分段，因为每 个αβ和γ都是正值，通过控制器的速度控制系统的稳定性不会被明显地 损坏；相反，在N1略微变大的第一部分的迅速变化分段处，β迅速转 化为负值，因而，减少了导致通过控制器的速度控制系统的稳定性被 快速损坏的趋势。借助特殊实施例，在图6中β在操作点处为正值； 相反，其在操作点③处是一个负值。考虑到这种趋势，如果N1变高， 即N变高，上述泵水轮机的特性变坏的部分就可以由控制器设定值给 予补偿，从而，进一步提高了控制器的稳定性。
再者，考虑到图6所示的情况，速度暂时稳定在这样一个阶段，即 N1大约增大到β具有一个未变化标记处的N1Q(即围绕着操作点)， 因此，水锤的瞬时现象基本上得到解决。之后，按比例地相当缓慢地 增大速度(即N1)，直到到达操作点③都不会产生任何有害的水锤。 按照这种方法，在操作点③处，速度可以相当平稳地与电力系统频率 同步。
而且，通过缓慢地提升控制器内的变速器，可以实现从操作点到 操作点③的操作过程。当速度接近同步速度时，同步器在运行中的某 一位置打开，然后，变速器通过同步器转入同步控制模型。此时，在 考虑到上述事实的情况下，可以按照这种方式对同步器进行调节，以 便相当缓慢地进行操作。
通常，在发电模式启动的同步操作的操作点只是在相当低的水头 处不正常地接近S-特性。因此，速度增大到大约额定值时实现的控 制器稳定性的增强，是通过赋予一个预定水头或者进入较低条件而转 换的。
另外，只有积分元件的增益被转换，从而避免了在控制器的计算 单元是PID型时转换当中出现的任何泵送现象。尽管在比例元件的增 益下的转换时间内会出现轻微的泵现象，但是通常是在一个允许的范 围。
再者，正如图6所示的上述操作点，在操作点接近S-特性分段、 但β标识保持正值的区域，是一个在流量减少梯度或 或者一个根据速度迅速上升的增长量的等同总量之前的 一个紧接着的区域。因此，可以按比例设定接近上述区域的第一速度 命令值。
另外，在低水头启动的较有效的方法，可以通过将上述增大接近 额定速度的控制器稳定性的想法与在增大过程中将速度暂时设定为第 一命令值、然后缓慢增大的想法相结合而获得。
而且，如图7所示，操作点从点②移动到点，在此，速度高于额 定速度，同时增大速度，然后，速度暂时保持在这一位置。在这种情 况下，通过采用上述增大接近额定速度控制器的稳定性的想法，控制 器暂时保持稳定。另外，操作点从向③变形地移动，同时速度足够 慢地减小，然后，操作点可平稳地同步。也是在这样的情况下，不只 是控制器在同步操作之前迅速地响应流量。换句话说，因为流量变化 速度是可以调节的，在柔性移动到操作点③方面，这一想法是非常出 色的。
再者，因为水锤在操作点暂时受到抑制，由控制器控制的速度 变化的减小量用这样的方法得到充分抑制，从而可以防止在操作点从 移动到③的阶段内，出现任何有害的水锤，因而获得平稳的同步操 作。在这种情况下，用于控制控制器内变速器的同步器设计成：不是 在从点②到的速度增大过程启动，而是在从点到③的速度减小过 程中启动，以使泵水轮机的速度与电力系统的频率同步。不用说，也 是在此的情况下，根据需要提出限制，通过控制器内变速器产生的减 小的速度不会变得过大。
在说明本发明优选实施例之前，一个模拟分析示例性地说明图8 所示发电模式中泵水轮机的启动状况。
图9表示由模拟分析得到的一个曲线图，是一个N、Y、Q和Pt与时 间对应的曲线图。此时，在启动之前，控制器内的变速器设定为与额 定速度257rmp等同的1.0(p.u.)，如图5中实线或者点划线所示。再者， 在启动操作之前，导叶极限也设定为一个比无负载开口量(大约0.28) 略高一点预定值(0.4)。而且，假设泵水轮机在导叶开口量到达0.29 (p.u.)时开始旋转。顺便说一下，控制器的增益Kp、Ki和Kd分别设 定为1.07、0.0743和0.924。在此，Tw是2.88(sec)，Tm是10.3(sec)。 结果，尽管N表现出平滑地会聚在额定速度上，流量大量向上，之后， 该流量有相当大的脉动。因此，值得考虑的是：脉动会与明显的水锤 一起令人害怕的同时发生。换句话说，这是因为在该模拟分析中，尽 管有水锤引起的脉动，也假设泵水轮机的特性曲线不会产生脉动，即， 所提供的条件比实际的温和。图10是该模拟分析得到的另一个曲线图， 并且表示出在转化为一模型水轮机的平面N1-Q1上的操作点的轨迹。 从该曲线可以明显地看出，当N接近额定速度时，速度控制器系统的 稳定性受到很大程度的破坏：也就是说，即使N1很难变化，Q1也会产 生很大的脉动。图11是对图10提供额外信息的曲线图，表示处每个N1、 Q1和T1转化为模型水轮机的响应性。
下面，说明对泵水轮机的构成。图1是表示本发明优选实施例内泵 水轮机的方框图。附图标记1表示传感水轮机速度N的速度传感器；Xn 表示来自速度传感器的速度传感信号输出值；2表示设定速度参考值的 变速器；以及X0是由变速器2设定的设定值。附图标记3代表一个加法 器，该加法器用于将变速器2设定的设定值X0和速度传感信号Xn之间 的差值，即速度偏离信号X0-Xn与从速度下降给定器输出的存储信号 Xσ进行对比。将合成控制偏离信号Xε输入PID计算回路，该计算回路 构成速度控制器内的一个主要计算单元。
一比例元件(p元件)4a设定为一个相对高的增益，以获得控制器 相对快的响应，该增益用在发电模式启动的前半阶段，即在中止之后、 直到速度增大到第一命令值为止；同时，另一个比例元件(p元件)4b 设定为相对低的增益以提高稳定性，当速度超过第一命令值时使用该 增益。一对触点19a和19b用于转换增益，并且它们中的每一个都是某 种速度延迟触点。自然，前面的比例元件的增益kpa比后面的比例元 件的增益kpb大。同样，另一对触点19a和19b在中止之后、直到速度 增大到第一命令值时打开一个积分元件(I元件)5a，在速度超过第一 命令值的条件下使用另一个积分元件(I元件)5b。此时，前面积分元 件的增益kia比后面积分元件的增益kib大。顺便说以下，触点19a和19b 同时摆动，打开较低触点，同时关闭较高触点。设置两对触点的原因 是比例元件和积分元件同时转换。
一输出信号zd是从微分元件6(D元件)输出的。而且，比例元件 的输出信号Zp和积分元件的输出信号Zi分别从触点19b输出。
这三个输出信号由加法器7相加，合成输出值Z表示由速度控制器 内的主要计算单元确定的导叶开口量命令。附图标记23表示一低值导 叶(此后简称为LVG)，即一低值选择回路，它将两个输入值Z和GL 进行比较，以便输出一个作为最后的导叶开口量命令Zz的较低信号。 附图标记22代表一导叶极限或者一负载极限。附图标记GL代表由导叶 极限或者负载极限设定的导叶开口量的上极限值。也就是说，上面所 给出的名称是因为从LVG22来的输出值限制为GL，但是从控制器的 主要计算单元输出的大的导叶开口量命令Zz。
同时，实际的导叶开口量由信号Y表示的。另一个加法器8、一限 制器9和一导叶伺服马达10构成一种液压放大器。因此，加法器8、限 制器9和导叶伺服马达10提供了一个伴随响应速度限制器的第一顺序 滞后功能，这是一个用于放大最后的导叶开口量命令Zz的放大器，以 将该命令转化为导叶开口量Y，该导叶开口量带有一个冲程和足以直 接启动作为流量调节装置的导叶的操作力。Yε1代表最后导叶开口量 命令Zz和限制器9的实际导叶开口量Y.θR之间的偏差，该偏差用于将 导叶的开口速度限制为θR.Cy；θL将关闭速度限制为θL.Cy。Yε2代表 一个考虑上述打开/关闭速度极限值的限制偏差信号Yε1而得到的信 号。尽管上面已经借助于方块图中的图象说明了信号Yε1和Yε2以及限 制器9，可以假设在特殊产品图象中，Yε1是在给出位移极限值之前， 分配阀活塞的位移；Yε2是在给出位移极限值之后，分配阀活塞的位 移。
此时，动力变化器13给定一个导叶开口量设定信号Ya输入加法器 11，其中，Ya是一个在发电模式启动时等于负载开口量的信号。在实 际导叶开口量Y小于Ya时，开口信号σ(Ya-Y)不断地送入控制器内 的PID计算单元，直到二者之间的差值变为零为止，最后，当开口量 在该阶段确定时，Y等于Ya。速度下降给定器12是一个设定上述系数σ 的单元。换句话说，σ是一个确定导叶开口量Y内的变化相对于速度传 感信号Xn内的变化比例的增益值，通常，该增益值一旦在考虑电力系 统内的电站的功能，即负载分享率的情况下被确定之后，就不会变化。 而且，附图标记14代表一个电站，其中水轮机包括一个水塔系统和彼 此形成整体的发电机。
下面，参照附图12A、12B说明变速器2、动力变化器13和速度下 降给定器12的功能。此时，在无负载时的导叶开口量假设为0.2(p.u.)。 图12A所示的向右下降的实线代表在相关的电站连接到电力系统之前 的瞬时状态。也就是说，代表额定值N(同步速度)的线与代表导叶 开口量的实线的相交点，表示的正是无负载开口量0.2的位置。顺便说 一下，在水轮机启动之前，实线设定在低于该位置处：例如其设定在 图12A所示的点划线的位置。在这种方式中，图12A中的变速器2垂直 地在实线下方平行地移动实线。变速器2的命名是因为当实线被平行地 垂直移动时，在无负载开口量0.2的线上的相交点就垂直地移动。比较 起见，下面参照附图12B说明电站连接到电力系统之后的状况。此时， 实线与额定速度的相交点标识为Y＝1.0：即在100％负载下操作。当电 站装上电力系统时的图12A中的实线对应于图12B中的点划线。动力变 化器13按照上述方式平行移动电力系统，以改变导叶开口量。动力调 节器3的命名是因为其沿水平方向平行的移动实线，尽管因为速度固定 为1.0，事实上处于与无限电力系统连接的状态下，在N＝1.0线上的交 叉点与实线的水平轴共同地横向移动。在图12B中设定的实线的情况 下，尽管正常操作是在N为1.0和Y为1.0处完成，如果电力系统的频率 增大到3％，Y变为0.2，这样N变为1.03。如果电力系统的频率增长宽 度是1.5％，Y接近0.6。速度下降给定器12按照这种方法给出了频率变 化宽度和导叶位移宽度之间的比例关系。当速度下降给定器12的增益 增大时，图12B中向右下降的实线的梯度变得陡峭，因此，导叶开口 量的响应宽度的增益相对频率的变化减小。
图6表示本发明中泵水轮机在发电模式下启动的操作点的轨迹。启 动前的操作点标识为①，其坐标为N1＝0和Q1＝0。在这一阶段，控制 器内的变速器设定为等于N1＝N1Q的第一命令值，其中N1＝N1Q明显 地比等于额定速度(例如0.95N1P)的N1＝N1P低。特别需要指出的 是，变速器设定为图3中所示的实线或者点划线。在这种情况下，导叶 极限22的开口逐渐打开。在这一阶段，控制器的导叶开口量命令Z由 其自身给出，而完全打开导叶，也就是说，如图12A所示，将其设定 为1.0(p.u.)，设定值GL(在从0到大于无负载开口量的起始开口量 例如0.4的打开操作当中)从导叶极限22变得更小些。因此，GL是最 后的导叶开口量命令Zz时输出。因此，导叶极限22的开口量打开到比 分离开口量宽的0.4，因此，速度增大是在这一阶段开始的，其中，水 轮机的发电扭矩超过例如转子的旋转部件的静态摩擦扭矩。此时的操 作点用②表示。此时，设定值GL一直保持着，直到在设定值GL从导 叶极限22到达启动的预定开口量(例如0.4)之后，将电站连接到电力 系统，以开始固有的发电操作。按照这种方法，在图6中，电站的操作 点从②移动到，在此，当速度增大时，速度N1＝N1Q。此时，当N1 接近N1Q时，S-特性的影响小且梯度或还是很缓慢， 因此，上述线性模式的系数β还保持为正数。因此，由控制器控制速度 相当地稳定，因而能迅速地完成启动操作。即使操作点可以在相对短 的时间内从①移动到，不难暂时使点的速度稳定，以解决水锤问 题。而且，通过在操作点到达之前使用速度延迟19的触点，控制器 的增益在稳定侧从Kpa和Kia分别转换到Kpb和Kib是非常有效的。
因此，如图3所示，控制器内的变速器设定的相当缓和(或者超静 态(meta-statically))，其从等于N1＝N1Q的值上升到等于N1＝N1P 的值。特别是，操作变速器要足够缓和，以防止水锤受到激励而在此 达到有害值，这种现象在操作点处一次得到解决。在这种情况下， 如图6所示，操作点沿着NR线(一条跑远的速度线)从点逐渐移动 到点③。
在最后速度增大阶段，打开同步器25。此时开始自动速度连接， 同时将速度与电力系统的频率比较，在这种方法中，当速度响应不能 抵消上述超静态移动的主要部分时，速度响应必须受到充分的抑制。
图15到17表示本发明上述实施例中泵水轮机启动的模拟分析示例 的示意图，并且，它们分别与图9到11所示的现有技术的技术对应。在 这些示例中，速度的目标值设定为0.95(p.u.)一直到100sec，这样， 瞬时响应暂时被稳定住。之后，在40sec、100sec之后，速度目标值从 0.95(p.u.)上升到1.0(p.u.)。此时，当速度到达0.94(p.u.)或者 更多时，控制器的增益Kp和Ki设计成分别自动从1.07转换到0.503，并 从0.0743转换到0.0372。图15可以清楚地看出，启动之后的瞬时响应可 以被全部解决，直到100sec的时间为止，因此，在100sec时间之后，N 可以按照设想超静态地增大。顺便说一句，尽管因为图15所示的示例 中启动时的目标速度从1.0(p.u.)下降到0.95(p.u.)，负载极限设定值还 可以自然地下降到0.4(p.u.)或者更少，保持设定在0.4(p.u.)，以便如图 9所示更好地准备在启动时诱发同样的瞬时现象。
图7表示本发明另一个优选实施例的示意图。在本实施例中，变速 器按如图4所示进行调整，操作点N1从在点②的零正好上升到超过等 于额定速度的N1P的点处的N1P。在点处，操作点暂时保持，直 到N足够稳定且水锤现象得到满意的解决。当操作点从②移动到时， 特别是在后半程中时，通过由S-特性引起的流量的减小量，加速了 点的稳定性。即，由梯度的升高引起的流量的减小，利用 由导叶开口操作引起的流量增大(即由()ΔY引起的流量增 大)抵消上述减小。图13是一个实现上述迅速稳定目的控制变速器的 方案的示例。在增速过程中，当速度接近额定速度时，控制器的增益 Kpa和Kia借助速度延迟19的触点分别自动地转换为Kpb和Kib，因此， 提高了速度控制系统的稳定性。
此后，操作点慢慢转换到点③，同时通过在图4的后半部分所示的 变速器、在超静态的减小操作当中，操作点基本上保持在点得到的 稳定状态。在这种情况下，因为速度与缓慢的减小同步，同步器在从 点移动到点③的后半部分内打开。
可以理解，本发明不局限于上面给出的特殊实施例，所增加的各 种改进和变型都不偏离本发明的范围。