用于对水电站进行初级调整的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于对水电站进行初级调整的方法，该水电站具有-双调整涡轮机，-至少一个第一促动器，-至少一个第二促动器，其中根据接收所产生的电功率的电网的网络频率的实际值来校准第一和第二促动器用于影响涡轮机功率，以达到网络频率的目标值。本发明的特征在于，第一促动器只以定义预设的作动步距移动，并且然后-通过调节第二促动器来实现到网络频率目标值的调节。
【专利说明】用于对水电站进行初级调整的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据在权利要求1的前序部分中详细定义的类型的用于对水电站进行初级调整的方法。
【背景技术】
[0002]水电站在普遍的现有技术中是已知的。这些水电站利用在所谓的上层水和所谓的下层水之间的高度差，在水从上层水流向下层水时将其引导经过涡轮机。由高度差而产生的压力差在涡轮机的范围内被转换成机械能。涡轮机然后驱动发电机，发动机将机械能转换成电能，以便为用电器提供电能。这样典型地使用水电站，即将在水电站的范围内产生的电功率提供给电能供给网。现在是，通常电能供给网典型地具有预设的网络频率。为了确保网络的功能，重要的是，将该网络频率保持在某个预设限度内。为此这样调节所馈送的电能，使得它有助于稳定的电网频率。在电站技术中，这就是所谓的初级调整。
[0003]现在典型地这样实现在水电站的范围内的初级调整，即为了影响在涡轮机上的电功率而根据网络频率的实际值来校准促动器用于影响涡轮机功率，以便达到网络频率的目标值。这种方法在普遍的现有技术中是已知的。它需要涡轮机具有相应的促动器，以便能满足在涡轮机上进行初级调整的需求，可以利于相对多个以时间单元为单位的作动运动来校准该促动器。
[0004]对于所谓的双调整的涡轮机而言，可以特别有效和准确地在水涡轮机的范围中使用促动器。这种涡轮机例如可以是冲击式水轮机或自由喷射涡轮机，其中，存在所谓的转向器作为促动器，其使得朝向涡轮机的自由射束至少部分地以影响功率，而另一方面存在喷嘴作为第二促动器，它相应地影响自由射流的流体横截面。双调整的涡轮机的另一种非常常见的例子特别是轴流式水轮机，其具有可调节涡轮叶片或翼作为第一制动器，并且其典型地具有带有导向叶片的导向装置作为第二促动器。在正常情况下，叶轮叶片和导向叶片的作动运动都通过所谓的“最佳关联”相耦联。这保证了可以一直仅仅这样实现这两个促动器的彼此设定，从而达到了轴流式水轮机的最优效率。因此，所谓的最佳关联描述了第一和第二促动器的作动运动的效率最优化的强制耦联。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，在使用双调节的涡轮机用于在水电站中进行初级调整时，在高控制精度时，实现了轴承和该系统的机械促动器的长使用寿命。
[0006]根据本发明，此目的通过权利要求1的特征部分提到的特征来实现。根据本发明的方法的其他有利的构造由与此相关的从属权利要求来实现。
[0007]根据本发明的方法提出，第一个促动器只以定义预设的作动步距移动，并且通过第二个促动器来实现到网络频率的目标值的调整。
[0008]本发明主要以第一个促动器仅仅以预设的步距来移动为基础。这个步长因此根据一个优选的改进方案中大于第一促动器总作动路径的0.25%,优选为在总作动路径的0.5%到5%之间。这种将第一促动器调整了一个相对较大的预设步的情况然后需要对第二促动器进行再调整或调节，用于基于涡轮机的设定功率而理想地达到网络频率的目标值。根据本发明的该方法因此能够实现效率方面的最小损失。然而，通过本发明的方法，能够达到至少是第一促动器的较少的作为运动，这些作动运动除此之外有一个较长的作动路径。通过减少作动运动的数量，已经实现了限制地减轻轴承和机械促动器的载荷，以便在此可以实现在很大程度上提高延长的使用寿命，或者，在相同的使用寿命时，可以对于第一促动器使用明显更简单和更便宜的轴承。除此之外，单独的作动运动较大。由此，会显著改善润滑或者在使用滑动轴承液力时形成润滑膜的可能性。这在轴承结构相同时对于使用寿命具有积极作用，或者在期望的使用寿命相同时对于轴承进行的有可能的简化也具有积极作用。
[0009]在平均效率损失明显小于0.1 %时，在相应的尝试中，能够实现将第一促动器的作动运动减少了 10至20倍。在模拟和测量中，效率损耗往往几乎是O%，甚至在个别情况下会检测到极小的效率升高。关于结构，可以由此得到较高的使用寿命，或正如已经提到的，在使用寿命相同时实现对轴承进行的显著简化。这在结构消耗、安装空间、重量和成本方面都具有优势。
[0010]在根据本发明的方法的一个特别适合和有利的改进方案中提出，根据涡轮机或由涡轮机和发电机组成的机组的当前工作点预设作动步距。这种根据涡轮机工作点的作动步距大小的变化实现了在作动运动数量最小时的非常高质量的调整。
[0011]在根据本发明的方法的另一个特别合适和有利的构造中进一步提出，对于必须使第一促动器移动多于一个作动步距的情况，取消对所定义的作动步距进行的预设，并且一次性地达到第一促动器的新位置。根据本发明的方法对于特殊情况、即第一促动器的待预期的作动运动大于当前有效地步距，也提出取消根据本发明的此方法。在上面已经提到的轴流式水轮机的实例将意味着，然后再一次产生所谓的最佳关联，使得第一促动器以唯一一次性的、即在唯一的运动中经过所需的总步距。随后，只要待预期的作动运动小于或者等于作动步距，则根据本发明的方法就再次有效。根据本发明的方法具有特别的优点，以避免大量的小作动步距，并且通过设定所定义步距值来相应地减少作动步距。然而如果出现第一促动器所需的移动路径过大时，取消根据本发明的方法会是特别有效和有利的，以阻止更多紧密连续的作动步距并以唯一一次性地经过所要求的作动值。
[0012]在一个根据本发明的方法的有利的构造中还提出，在网络频率的实际值被用作用于调节或移动第一和第二促动器的输入变量之前，利用电子滤波器过滤对其进行过滤。这样的电子滤波器可以以有利的方式被使用，以便使网络频率的信号噪声最小化。联系根据本发明的构思、即第一促动器仅以定义预设的作动步距移动，那么仍进一步地使所需的作动运动的数量最小化，而并不会由此影响初级控制的质量。
[0013]在该方法的根据本发明的设计一个特别有利的改进方案中还提出，该电子滤波器设计为具有滑动死区的死区滤波器。特别地，这种具有滑动死区的死区滤波器实现了对噪声的非常有效的过滤，这是因为滑动死区滑动地跟随实际信号的平均值，围绕它通过死区过滤掉噪声。这实现了将所需的作动运动特别有效地最小化。
[0014]在其中的另一个特别适合和有利的设计中进一步提出，确定死区滤波器的输入信号的梯度和振幅改变，其中在梯度大于预设的限定值并且在振幅改变也大于预设的限定值时，将死区滤波器暂时取消。通过该附加的方法技巧实现了对具有滑动死区的死区滤波器的进一步优化。一旦记录了该信号的非常强的变化，这些改变伴随着输入信号一个非常高的梯度，就将死区过滤暂时取消，使得因此对于非常强的动态变化能够快速反应。由于滑动死区总是会引起一定的延时，这个根据本方法的设计是非常适合的，即对于例如网络频率的急剧增加或减少快速地反应。
[0015]在其中的一个特别有利的改进方案中进一步提出，只要取消死区滤波器，还是可以通过电子滤波器来实现噪声抑制。因此可以这样设计优化的死区滤波器的电子滤波，即当将死区滤波器取消时，例如通过一个积分器来抑制信号噪声，以保证即使在这些情况下也快速、可靠和准确地调节。
[0016]根据本发明的方法的其他有利的设计方案还由其剩余的从属权利要求得出。此夕卜，根据参照附图详细描述的实施例来对这些设计方案加以说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]在此示出:
[0018]图1是一个水电站的与本发明相关的部段的原理图；和
[0019]图2是网络频率以及作为调整输入参量的实际值的测出的变化曲线，由网络频率产生该实际值并对其进行了滤波。
【具体实施方式】
[0020]在图1的描述中可以识别出一个水电站I的与本发明相关的部段，水电站并没有在其整体性方面被示出。机组2构成了所示出的部段的核心，该机组包括一个发电机3以及一个轴流式水轮机4。发电机和轴流式水轮机通过共同的总轴5相连，总轴5在所示出的实施例中平行于重力设计。轴流式水轮机4自身有一个所谓的、也被称作翼的叶轮叶片6。这些叶轮叶片6可调节地设计,如在叶轮叶片6的实例中通过双箭头表明的那样。这些叶轮叶片构成了轴流式水轮机4的第一促动器，其总体上设计为双调整的涡轮机4。第二促动器由导向装置中的导向叶片7构成，该导向装置影响了将水向轴流式水轮机4供给的情况。通过按原理示出的促动器8，使得导向叶片7是可以调节的。这些导向叶片因此影响通过所谓的压力管由水电站I的上层水经由螺旋部9流向轴流式水轮机4的水量。在经过涡轮机4之后，水经由所谓的吸管10向下流入下层水中。
[0021]通过在上层水和下层水之间的下降情况产生了水中的压差，其驱动了轴流式水轮机4。然后通过共有的总轴5驱动发动机3并且提供电功率。该电功率经由所示出的电子设备11到达供电网12中，它在图1的描述中由陆路线路的天线杆来表示。
[0022]为了现在在供电网12的范围内提供足够的网络稳定性，重要的是，在供电网12中将网络频率不变地保持在相对狭小的极限中。这个典型的网络频率在欧洲是大约50Hz，在美国是60大约Hz。水电站I通过所谓的初级调整有利于网络频率不变。这就意味着，根据网络频率来调节发电机3到电网12中的功率输出。为此实现了对双控制的涡轮机4以及它的两个促动器、即作为第一促动器的叶轮叶片6和作为第二促动器的导向叶片7的控制。
[0023]现在，在根据现有技术的初级调整中，所谓的最佳关联适合用于优化在作为第二促动器的导向叶片7和作为第一促动器的叶轮叶片6的作动运动之间的双控制涡轮机4的效率。这意味着，作动运动一直在相互间最佳的关联中进行。由此可以优化涡轮机4的效率。因为在典型的网络频率中会出现很大的波动，并且除此之外还会有噪音，所以通过网络频率对双控制涡轮机4的控制导致了非常多的作动运动。在这里描述的轴流式水轮机4的实例中，对于由实践中记录的关于时间t的频率变化曲线f而言，其如图2的描述中根据用A表示的线条能识别出的那样，在一个运行时间内记录下对翼叶片6和导向叶片7的控制的大约2500到3000次变化。翼叶片6和导向叶片7的轴承必须也设计用于相对大量的作动运动，这些作动运动部分地具有仅仅很小的移动路径。这使得轴承相对较大、耗费成本和昂
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[0024]在达到该数量的所需作动运动时，根据本发明的方法现在启动。其目的是降低该数量，以便因此以更简单并且成本低廉的轴承实现可相比的使用寿命或以可相比的轴承实现更长的使用寿命。这可以由此来实现，即仅仅仍以定义预设的作动步距来实现对作为第一促动器的叶轮叶片6的调节。通过导向叶片7则可以保持调整的质量。在此，由于轴承在固定的导向装置中可以比在自身旋转的流式水轮机4的范围内更简单并且有效更有效的设计，因此该轴承的问题较少。更可能较大地预设第一促动器的预设作动步距，优选地在调节路径的0.5% -5%的数量级中进行预设。这因此意味着每个单个步是叶轮叶片6 —次取消和另一次取消之间的可能的总位移路径的至少0.5并且直至5%。通过该预设和使第一促动器仅以这些步来移动的强制，减少了涡轮叶片6的所需的作动运动数量。导向装置的导向叶片7然后调节到网络频率的目标值。
[0025]作动运动、尤其是叶轮叶片6的数量因此减少。同时，每个单独作动运动内的移动路径增加。因此，基于更长的位移路径有可能出现的是，在典型地设计为滑动轴承的轴承中形成更好的液力润滑膜。这除了减少作动运动数量以外还至关重要地有助于改善轴承。由此可以以可比较地设计的轴承来实现非常高的使用寿命，或轴承可以设计地更简单、并由此价格低廉并节省安装空间。
[0026]除此之外可以提出的是，通过电子滤波器过滤网络频率的实际值，以便抑制噪声并且因此影响在轴流式水轮机4的范围中所需作动运动的最小化。为此例如可以使用简单的PTl滤波器，它仅仅降低网络频率的实际信号中的噪声。然而优选的是使用死区滤波器，它可以将例如作为频率信号中的高次谐波的相应频率完全过滤掉。一个以所谓的滑动死区工作的死区滤波器是尤其理想的。这就意味着，死区滤波器滑动地跟随输入信号的平均值。滑动死区滤波器的唯一问题会在当输入信号突然增加或者降低时出现。对于这种情况因此在带有滑动死区的优化的死区滤波器中可以提出，当输入信号出现突然并且显著的增加或者降低时，暂时关断死区滤波器。为此可以观察到输入信号的梯度和振幅改变。如果它改变了一个以上的预设极限值，那么死区滤波器被暂时取消并仅仅在梯度和振幅改变降低之后重新接通。为了在这种具有取消的死区滤波器的情况下获得噪音抑制，可以这样设计电子滤波器，从而例如通过PTl滤波器或者尤其通过在关断关闭的死区滤波器时的积分来实现噪声抑制。
[0027]这种带有滑动死区和在输入信号快速和明显变化时用来关闭死区的功能模块的死区滤波器接下来被称作优化的死区滤波器。
[0028]如果使用这种优化的死区滤波器，那么从网络频率的实际值A得到通过线条B表示的过滤值。优化的死区滤波器确保的是，输出信号、即过滤值B更加快速并且以明显较小的衰减、并且进而非常更精确地跟随输入信号，即网络频率的实际值A。这个过滤值B然后能够用作用于控制叶轮叶片6和导向叶片7的输入信号B。由此实现了对于轴流式水轮机4的两个促动器的优化控制。如果对上面已经说明的实例进行研究，那么非常简化的仅仅抑制信号噪音的PTl滤波器与根据本发明的构思、即将叶轮叶片6以预设的作动步距调节相结合，已经能实现对于叶轮叶片6而言将作动运动数量的减少了直至20倍，例如从3000个调节运动减少到大概150个。导向叶片7的作动运动在此减少了大约3倍，从大约2500减少到800个作动运动。如果相反地使用死区滤波器，那么可能进一步少量地减少叶轮叶片6的作动运动，然而由此使得导向叶片7的作动运动再次减少了 1.5-2.5倍。总体而言，通过将所述的方法结合优化死区滤波器，实现了将叶轮叶片6的作动运动减少了 20倍以上，并且实现了将导向叶片7的作动运动的减少到小于原始所需作动运动的1/6。初级调整因此并不经受相关的质量损失。然而由于为了使用根据本发明的方法而必须取消在导向叶片7和叶轮叶片6的作动运动之间的最佳关联，因此由此出现在平均功率下的最小损失，然而其典型地明显低于0.1%。然而基于使用寿命延长以及对于轴承的消耗降低和与此相联系的节省，该优点典型地具有优势。
[0029]如果现在使用根据本发明的方法出现在实际-频率中的跳动，那么原则上根据作动步距骤的设定大小会需要的是，将必须紧接着一个接一个地执行更多的作动步距骤。具有一个作动步距以上的移动路径的运动是待预期的，对此情况而言，根据本发明的方法可以短时间地取消。在轴流式水轮机4的实例中，然后再次暂时形成最佳关联，并且导向叶片7和叶轮叶片6按照该关联移动到由调节器设定的终点。然后此方法又开始起作用，用于减少作动运动。由此避免了在作动运动较多时以多个单个步来执行这些作动运动。这在轴承方面、并且在此特别是在液力润滑膜方面将宁可是缺点而并非优点，这是因为由此必须中断这个否则会被不间断执行的运动。取消在此说明的方法对于相对很少出现的特殊情况也是有意义的，并且能够有利于减小轴承的载荷。
【权利要求】
1.一种用于对于水电站(I)进行初级调整的方法，所述水电站具有 1.1双调整的涡轮机(4) 1.2至少一个第一促动器(叶轮叶片6) 1.3至少一个第二促动器(导向叶片7)，其中 1.4根据接收所产生的电功率的电网(12)的网络频率的实际值(A)来校准所述第一促动器和所述第二促动器(6，7)用于影响涡轮机功率，以达到所述网络频率的目标值， 其特征在于， 1.5所述第一促动器(6)只以定义预设的作动步距移动，并且，随后 1.6通过调节所述第二促动器(7)实现到所述网络频率的所述目标值的调整。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一促动器(6)的所述作动步距预设具有所述第一促动器(6)的总作动路径的最少0.5%、优选为在所述总作动路径的0.5%到5%之间的值。
3.根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于，根据所述涡轮机(4)当前的工作点预设所述作动步距。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，对于必须使所述第一促动器(6)移动多于一个作动步距的情况，取消对所定义的所述作动步距进行的所述预设，并且一次性地达到所述第一促动器(6)的新位置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在将所述网络频率的所述实际值用作输入信号(B)用来调节所述第一促动器和第二促动器之前，利用电子滤波器过滤所述网络频率的所述实际值(A)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电子滤波器可以设计为带有滑动死区的死区滤波器。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定所述死区滤波器的输入信号的梯度和振幅改变，其中在梯度大于预设的极限值并且在振幅改变大于预设的极限值时，将所述死区滤波器暂时取消。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，只要取消所述死区滤波器，就通过所述电子滤波器来实现噪声抑制。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，带有作为所述第一促动器的转向器和作为所述第二促动器的喷嘴针的冲击式水轮机用作所述涡轮机。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，带有作为所述第一促动器的所述叶轮叶片(6)和作为所述第二促动器的、导向装置的所述导向叶片(7)的轴流式水轮机(4)用作所述涡轮机。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，一旦所述第一促动器以预设的所述作动步距移动，就取消所述叶轮叶片(6)和所述导向叶片(7)之间的最佳关联。
【文档编号】F03B3/18GK103998769SQ201280043034
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年7月25日 优先权日:2011年10月7日
【发明者】斯文·布劳泽韦特, 托马斯·凯歇勒, 沃尔夫冈·克勒, 曼弗雷德·施图默尔 申请人:沃依特专利有限责任公司