控制水泵水轮机的方法

专利名称：控制水泵水轮机的方法
技术领域：
本发明涉及一种控制水泵水轮机的方法，这种控制方法改变叶轮方向而起到一个水泵和水轮机的作用(通过改变叶轮的旋转方向)。
一般来说，水泵水轮机，尤其是扬程较高的水泵水轮机，其叶轮可设计成能获得一种充分的离心泵送作用，从而在泵送运转过程中得到较高的压力扬程。
然而，这种设计对水泵水轮机的水轮机工况会产生不利的影响。特别是例如当出现所谓的S特性时候，据称，要完全避免这种S特性是很难。
人们已经认识到，特别是对于高扬程水泵水轮机来说，S特性在上游和下游水路的内部设计、安装高度等方面是一个瓶颈(薄弱环节)。因此，现在已经有各种控制这种S特性的方案。例如，公开号为S53-143842(1988)的日本待审专利提出了一种方法如附

图1所示的那样，在负荷衰减后，当水泵水轮机的运行点在S特性曲线上沿着流速降低的方向移动时，暂时打开水泵水轮机导流叶片以及当水泵水轮机运行点在S特性曲线上沿流速增加的方向移动或者当流速几乎变为零时迅速关闭导流叶片的方法。
然而，所设计的这种方案会使得转速(该转速在负荷衰减之后会暂时升高)一直减小到由调节装置设定而确定的一预定转速或者该预定转速值的附近。为此，被暂时打开的导流叶片就象在负荷衰减之后立即突然关闭一样迅速地被关闭，而不是象所谓的弯曲方式那样当导流叶片的开启度Y小于Ya时将导流叶片的关闭速度从“极限”变到“缓慢”。这种突然关闭在S特性调节装置失灵的情况下是非常危险的。而且，该方案作出如下假设，即，当流速(从流速下降的终点)开始增大或者当流速几乎变为零时，被暂时打开的导流叶片就开始关闭。然而，在水泵水轮机的瞬时状态下，很难精确地检测出流速(以较高的分辨率)。即使检测到精确度较高的流速，也很难将导流叶片的动作突然逆转过来，并且可以很容易地推出，导流叶片将开得过大。尤其是，当你即使在S特性曲线上的运行点终止沿着流速减小的方向移动并且开始沿着流速增大的方向移动之后保持导流叶片的继续运转时，S特性所产生的影响会更大。
由上可推断出，在多个水泵水轮机共用同一个导流管的情况下或者尤其是当一个水泵水轮机的流速不仅由其自身的运转状态而且由其它水泵水轮机的相互水锤而产生各种各样的改变时，公开号为S53-143842(1988)的日本待审专利的方法不能确保稳定的性能。
在正常的负载工况下，水泵水轮机装置与巨大的电力系统相连，并且速度控制的稳定性不再是所要关心的主题。因此，设置调节装置是为了有利于响应速度而不是有利于稳定性。然而，在负荷衰减之后，水泵水轮机必须单独地继续无负载运转。因此，有必要对调节装置进行设置，以确保速度控制有足够的稳定性。
水泵水轮机运转点不稳定地穿过的S特性区域现在已经不被看作一个用来设定与空载工况相应的调节装置增益的条件。调节装置增益仅仅在位于S特性区域之外的第一区域内(在该区域中，Q1值随着N1值增大而减小)足以确保该稳定性，但是，在进行正反馈运转的S特性区域内还不足以确保运转的稳定性。
当实际速度比预设速度高得多时、当断路器打开时、或者当发生负荷衰减这种情况时，可以自动从对应于负载工况(这有利于调节装置中的运算器的较高响应)的设置转换到对应于空载工况(有利于稳定性)的设置。
因此，本发明的目的是为了提供一种控制水泵水轮机的方法，以抑制由于S特性或类似的特性以及其它瞬时现象所导致的水锤而产生的影响，并稳定水泵水轮机的运转。
本发明提供了一种控制水泵水轮机的方法以解决上述问题。
换句话说，本发明通过设计和/或设置调节装置的运算器获得预期的效果，因而，在一次完全负荷衰减(这会突然切断由发电机马达产生的电力)时上升的速度越过第一峰值转向下降后，当水泵水轮机在产生动力模式下运转时，被关闭的流量控制器至少在第一次速度下降曲线的前半段暂时开启，从而使得第一次速度下降在比额定旋转速度高第一峰值速度和额定速度之间的差值的三分之一或高得更多的一个点上停下来，并使得速度从该点处开始转向上升。
既然这样，水泵水轮机在负荷衰减后最终稳定在一种空载工况下之前，本发明会对将要自动转换调节装置的运算器的设置进行控制以便提高响应速度。当流量控制器在负荷衰减之后关闭到一预定开启度或之下时，本发明还可以自动地转换调节装置的运算器的设置。而且，当旋转速度在负荷衰减之后下降到一预定值或之下时，本发明还自动地转换调节装置的运算器的设置。此外，由于本发明可自动地转换调节装置的设置，因而调节装置的响应速度可以按下列顺序排列正常负载工况(最快)，空载稳定工况，以及刚刚经过负荷衰减之后第一次速度下降的早期阶段(最慢)。
调节装置的设置的这种转换在进行时不会有冲击。调节装置是一种PID调节装置，带有比例、积分以及微分元件，并且仅有其积分增益可以转换。本发明的水泵水轮机的调节装置包括一个关闭速度限制器，它根据流量控制器的开启度来限制流量控制器的关闭速度。当流量控制器的开启度大于第一预定值时，该关闭速度限制器将流量控制器的关闭速度限制到一个相对更高的第二预定值或之下；而在流量控制器的开启度变得低于第一预定值后，该调节装置将该关闭速度限制到一个相对较低的第三预定值或之下。控制或调节调节装置的运算器，以便直到流量控制器的开启度度在负荷衰减之后低于第一预定值为止才启动正在关闭的流量控制器的暂时开启动作。
也可以在负荷衰减时旋转速度向着第一峰值的上升越过该峰值后转向下降后，控制或调节调节装置的运算器以启动流量控制器的暂时开启动作，并使得暂时开启动作持续进行，直到速度达到旋转速度曲线由凸曲线转变成凹曲线的一个拐点为止。也可以调节或控制调节装置的运算器从而比在紧接着负荷衰减停止后速度就开始上升的一时间点早一点的时刻启动流量控制器的暂时开启动作。
而且，也可以调节或控制调节装置的运算器从而在比负荷衰减停止后速度紧接着就开始上升的某一时间点早一点时刻启动流量控制器的暂时开启动作，并且使得暂时开启动作持续进行，直到速度达到旋转速度曲线从凸曲线变为凹曲线的一拐点为止。当旋转速度超过一个比额定旋转速度还高的预定值时，也可以调节或控制调节装置的运算器而自动地将调节装置的增益设定从对应于负载工况的响应速度优先设置转变为稳定性优先设置(适于抑制S特性的负面影响)。
本发明涉及一种含有调节装置的水泵水轮机，该调节装置监测叶轮的旋转速度并控制流量控制器平稳地将叶轮的速度稳定在一预定值。调节和控制所述调节装置的运算器(这被称为S特性设置)，以便刚好在速度曲线的第一峰值(完全的负荷衰减时速度的上升在此处越过该峰值转向下降)之前或者在一次完全负荷衰减(这会切断由发电机马达产生的电力)时的第一速度下降曲线的前半段开启正在关闭的流量控制器，并在第一峰值与一个等于额定速度和一个相应于速度固定偏差设定值的速度偏差的总和的速度值之间形成一个时间段，该时间段是第一速度上升的起点与第一峰值之间的时间段的两倍或更长。
如果在产生动力模式下，出现了伴随有速度上升的负荷衰减或紧急停止的话，调节装置就会进行控制，以便在速度开始上升之后立即迅速地关闭流量控制器，但是，调节装置就会进行控制以使得正在关闭的流量控制器在速度上升的前半段转向开启，以使得流量控制器的开启动作持续进行，几乎直到速度达到峰值为止，使得流量控制器在峰值处停止下来保持开启，接着使得流量控制器转向关闭。
如果在产生动力模式下，出现了伴随有速度上升的负荷衰减或紧急停止的话，调节装置就会进行控制以便在速度开始上升之后立即迅速地关闭流量控制器，但是，调节装置就会进行控制以逐渐地降低流量控制器的关闭速率，使得流量控制器在速度上升的前半段平缓地转向开启，使得流量控制器的开启动作持续进行，几乎直到速度达到峰值为止，逐渐地降低流量控制器的开启速率，接着又使得流量控制器平缓地转向关闭。
如果在产生动力模式下，出现了伴随有速度上升的负荷衰减或紧急停止的话，调节装置就会进行控制，以便在速度开始上升之后立即而迅速地关闭流量控制器，但是，调节装置会进行控制，以使得正在关闭的流量控制器在速度上升的前半段转向开启，使得流量控制器持续开启动作几乎直到速度达到峰值为止，使得流量控制器停止下来在该峰值处开启，接着使得流量控制器转向关闭。结果，在完全负荷衰减时或者几乎完全负荷衰减时，调节装置进行控制，使得负荷衰减出现时刻与速度到达第一峰值时的时刻之间的时间段为第一峰值与速度到达负荷衰减之前的初始速度加上第一峰值与负荷衰减之前的初始速度之间的差值的三分之一的和的时刻之间的时间段的1.5倍或更长。
如果在产生动力模式下，出现了伴随有速度上升的负荷衰减或紧急停止的话，调节装置就会进行控制，以便在紧接着速度开始上升之后迅速地关闭流量控制器，但是，调节装置会进行控制，以便在速度上升的前半段逐渐地降低流量控制器的关闭速率，使得流量控制器平缓地转向开启，使得流量控制器的开启动作持续进行，几乎直到速度达到峰值为止，逐渐地降低流量控制器的开启速率，接着使得流量控制器平缓地转向关闭。结果，在完全负荷衰减时或者几乎完全负荷衰减时，调节装置进行控制，使得负荷衰减出现时刻与速度到达第一峰值时的时刻之间的时间段为第一峰值与速度到达负荷衰减之前的初始速度加上第一峰值与负荷衰减之前的初始速度之间的差值的三分之一的和的时刻之间的时间段的1.5倍或更长。
如果在产生动力模式下，出现了伴随有速度上升的负荷衰减或紧急停止的话，调节装置会进行控制，以便在速度开始上升之后立即迅速地关闭流量控制器，但是，调节装置会进行控制，以使得正在关闭的流量控制器在速度上升的前半段转向开启。结果，在完全负荷衰减时或者几乎完全负荷衰减时，调节装置进行控制，使得负荷衰减出现的时刻与速度到达第一峰值时的时刻之间的时间段为第一峰值与速度到达负荷衰减之前的初始速度加上第一峰值与负荷衰减之前的初始速度之间的差值的三分之一的和的时刻之间的时间段的1.5倍或更长。
如果在产生动力模式下，出现了伴随有速度上升的负荷衰减或紧急停止的话，调节装置就会进行控制，以便在速度开始上升之后立即迅速地关闭流量控制器，但是，调节装置会进行控制，以使得正在关闭的流量控制器在速度上升的前半段转向开启，使得流量控制器的开启动作持续进行直到速度达到峰值为止，然后停止打开流量控制器，并使得流量控制器转向关闭。
当速度在负荷衰减后上升的同时，正在关闭的流量控制器能够通过暂时调节或转换调节装置的设置而转向开启。
其实施方式就是对调节装置进行修正控制，使得在紧接着负荷衰减或产生一个紧急停止指令之后叶轮的目标速度会暂时比较高。
或者另一个实施方式就是对调节装置进行修正控制，以使得叶轮的目标速度仅仅在紧接着负荷衰减后的瞬时状态下才会显著地高于稳定状态下的目标值。
而且本发明的特征在于，通过对调节装置进行修正控制，以便随着速度在紧接着负荷衰减后的增加而显著地增加目标速度，在速度转向下降后逐渐解除(或减小)修正控制，并在稳定状态下基本上完全解除修正控制。
本发明的特征还在于，通过将流量控制器的快速关闭动作平缓地转变为上述开启动作，使得在紧接着负荷衰减后的流量控制器的快速关闭期间上升的上游导流管水压因此而保持在几乎同一值上，直到速度达到峰值为止。
调节装置是一种配备有比例、积分、以及微分元件的PID调节装置。通过暂时降低比例元件的增益、积分元件的增益、或者同时降低两者，可以实现这种控制，即，当速度在负荷衰减后增加的同时，使得正在关闭的流量控制器转向开启。
而且，通过自动地转换调节装置的设置，可以实现这种控制，即，当速度在负荷衰减后增加时，使得正在关闭的流量控制器转向开启，因此，调节装置的响应速度可以以正常负载工况、空载稳定工况、以及紧接着负荷衰减后的第一次速度上升阶段的顺序排列。
而且，当速度超过一高于额定速度的预定值时，自动地将调节装置的运算器从对应于负载工况的响应优先设置转换为稳定性优先设置。
而且，当流量控制器被关闭到一预定开启度或之下时，或者当速度变得低于一预定值时，可以自动地将调节装置运算器的设置从对应于上述暂时开启动作的设置转换为对应于其后的空载工况的设置。
调节装置进行控制以使得流量控制器在产生动力模式下在切断由发电机产生的电力的这种负荷衰减时暂时开启。
在产生动力模式下，以及在象切断由发电机产生的电力的这种负荷衰减时，流量控制器至少在叶轮的速度下降在峰值之后被过度加速之前暂时被打开一次。
也可以设置一个修正信号发生器向调节装置提供一个修正值以修正调节装置的输出信号。在负荷衰减时，修正信号发生器输出一个修正值使得叶轮旋转速度的下降速率比旋转速度的上升速率要慢的多。
也可以设置一个修正信号发生器向调节装置提供一个修正值来修正调节装置的输出信号。修正信号发生器对调节装置的信号进行修正以消除在水轮机的上游一侧的第二次水锤峰值，该峰值是在切断了发电机与产生动力系统所造成的负荷衰减后紧接着叶轮旋转速度开始下降之后出现的。
也可以设置一个修正信号发生器向调节装置提供一个修正值来修正调节装置的输出信号。修正信号发生器对调节装置的输出信号进行修正以消除在水轮机的上游一侧的第二次水锤峰值，该峰值是在切断了发电机与产生动力系统所造成的负荷衰减后紧接着叶轮旋转速度开始下降之后出现的。
在负荷衰减后或者在负荷衰减后的瞬时状态下，通过转换、改变、或修改调节装置的运算器的传递函数，可以暂时开启流量控制器。
而且，本发明设有一个流量控制器的开启度限制器，该限制器可以在负荷衰减后或者在负荷衰减后的瞬时状态下按照预定程序被关闭，因此，暂时被打开的流量控制器的开启度得到限制并且确保了流量控制器在随后的关闭动作。
图1所示的是一种惯用的控制图表。
图2所示的是一个具有三个抽水蓄能单元的动力装置的模块图。
图3所示的是用来解释S特性的两个图表。
图4是一个由于S特性而引起的回摆动作的流程图。
图5是另一个由于S特性而引起的回摆动作的流程图。
图6是一个解释导流叶片的关闭方式与水锤效应之间关系的图。
图7是一个解释按照传统控制方法所存在的水锤效应相互干扰的图表。
图8是一个解释按照传统控制方法所存在的水锤效应相互干扰的图表。
图9是一个解释按照传统控制方法所存在的水锤效应相互干扰的图表。
图10是一个解释水泵水轮机按照传统控制方法在负荷衰减时的瞬时状态的图表。
图11是一个解释水泵水轮机按照传统控制方法在负荷衰减时其运行点的轨迹的图表。
图12是调节装置的一个原理性模块图。
图13是一个解释调节装置的速度控制的图表。
图14是一个解释调节装置的动力控制的图表。
图15是一个解释限制导流叶片打开速度的图表。
图16是一个解释限制导流叶片关闭速度的图表。
图17是一个解释PID控制元件的增益Kp、Ki、以及Kd的变换图表。
图18是一个解释按照本发明在负荷衰减时水泵水轮机的瞬时状况的图表。
图19是一个解释按照本发明在负荷衰减时水泵水轮机的运行点的轨迹的图表。
图20是一个调节装置的PID控制响应的图表。
图21是另一个表示按照本发明在负荷衰减时水泵水轮机的瞬时状况的图表。
图22是一个在一次接着另一次负荷衰减时水泵水轮机#1的瞬时现象。
图23是一个在一次接着另一次负荷衰减时水泵水轮机#2的瞬时现象。
图24是一个在一次接着另一次负荷衰减时水泵水轮机#3的瞬时现象。
图25是本发明另一个实施例的调节装置的原理性模块图。
图26是本发明另一个实施例的修正控制电路的原理性模块图。
图27是修正电路的原理性模块图。
图28是本发明第三个实施例的调节装置的原理性模块图。
图29是本发明在负荷衰减时水泵水轮机的瞬时状况的图表。
图30是本发明在负荷衰减时水泵水轮机的运行点的轨迹的图表。
图31是一个解释修正电路的响应的图表。
图32是一个解释修正电路的响应的图表。
图33是一个表示修正电路的响应的图表。
下面将会参考附图对本发明的一些优选实施例进行解释。
下面将参见图2将对本发明的水泵水轮机的整体结构进行解释。汇集在上部蓄水池101中的水被引进导流管102中，接着被导流管103α-103γ分别分流到水泵水轮机14α-14γ。
从导流管103α-103γ流进水泵水轮机14α-14γ的叶轮114α-114γ中的水量由导流阀112α-112γ控制，这些导流阀各自受的调节装置110α-110γ的控制。俯冲而下的水流的力量使得叶轮114α-114γ旋转，叶轮的动力被传递给发电机111α-111γ。由发电机产生的电力被输送给电力系统。
流过水泵水轮机14α-14γ的水由水路104α-104γ引入调压塔105以减弱冲击。接着，水经过水路106被导入下部的蓄水池107中。如果例如在晚上时会剩下大量没有使用的电力，水泵水轮机14α-14γ就被反向旋转将水从下部蓄水池中抽到上部蓄水池中。采用这种方式，该系统就为下一次发电做好了准备，以备紧急用电之需。
下面将解释一个以并列方式使用三个这种水泵水轮机的例子。具有S特性的水泵水轮机的上游侧、下游侧、或其两侧象图2所示的那样连在一起。
S特性下面将参照图3具体针对一个水泵水轮机来解释S特性。
通常，水泵水轮机的流量特性是通过一组特性曲线来表达的，这组特性曲线表示每单位水头的转数(N1=N/H]]>)和每单位水头的流量(Q1=N/H]]>)之间的关系，该关系利用导流叶片的开启度作为一个参数。另一方面，水泵水轮机的力矩特性由一组表示每单位水头的转数(N1=N/H]]>)和每单位水头的力矩(T1=T/H)之间关系的特性曲线来表达，该关系利用导流叶片的开启度作为一个参数。这两种特性曲线通常被术称为完美特性。
在水轮机工况下，流量特性曲线具有一个Q1值随着N1值上升而降低的第一区域以及一个Ql值随着N1值降低而降低的第二区域。为了易于理解，在本说明书中，第二区域被称之为一个S特性区域。
而且，水泵水轮机在S特性区域内的特性以下被称之为S特性。对于处于s特性区域内的水轮机工况，每单位水头的力矩(T1)也随着每单位水头转数(N1)的降低而降低。
在水轮机模式下的正常水泵水轮机工况在第一区域内进行。然而，当每单位水头的转数(N1)在负荷衰减时突然增加时，水泵水轮机的运转就处于S特性区域。
当水泵水轮机的运转在S特性区域内的某一点上开始时，水泵水轮机的运行点就沿着S特性区域内的曲线从一端移动到另一端。最初，每单位水头的流量(Q1)和每单位水头的转数(N1)会下降。接着，水泵水轮机的运行点沿着S特性区域内的曲线回摆(就象钟摆一样)。相应地，每单位水头的流量(Q1)和每单位水头的转数(N1)两者都会(随着回摆而)增加。这种在s特性区域内的往复运动就会无休止地持续进行直到导流叶片被关闭为止．与此同时，每单位水头的力矩(T1)也在上升和下降之间摆动。这种摆动现象在Ql值((或T1值))随着N1值上升而上升的区域内是很显著的。然而，其Q1相对于N1的特性为垂直的水泵水轮机也显示出这种现象。这是因为由调节装置控制的速度控制系统随着梯度δQ1/δN1或δT1/δN1变得越大(陡)就变得越不稳定。这种S特性不仅包含Q1值(或T1值)随着N1值上升而上升的区域，而且包含即使在梯度δQ1/δN1(或δT/δN1)小于零时梯度δQ1/δN1(或δT1/δN1)都比较大(陡)的区域。因此，不用说，本发明也可适用于具有这样陡的梯度的水泵水轮机。
在水轮机工况下具有S特性的水泵水轮机的特性在图3(A)和图3(B)中表示出来。图3(A)中水泵水轮机的特性表示出了每单位水头的转数(N1)和每单位水头的流量(Q1)之间的关系，该关系采用导流叶片的开启度作为一个参数。同样，图3(B)中水泵水轮机的特性表示出了每单位水头的转数(N1)和每单位水头的力矩(T1)之间的关系，该关系采用导流叶片的开启度作为一个参数。
在上述说明中，符号N、Q、H，以及T分别表示水泵水轮机的转数、流量、有效水头，以及力矩。
当导流叶片的开启度相对较大时可获得特性曲线1和1’并将之设为预定值。当导流叶片的开启度较小时可获得特性曲线2和2’。当导流叶片的开启度更小时可获得特性曲线3和3’。
在特性曲线1的线段a-d-h中，Q1值随着N1值的下降而下降。这条线段在本说明书中被称为S特性区域。同样，线段b-e-i也被称为特性曲线2的S特性区域，而线段c-f-j也被称为特性曲线3的S特性区域。乍一看就能看出，特性曲线1的线段a-d-h比线段b-e-i长，而线段b-e-i又比线段c-f-j长。这就意味着S特性线段随着导流叶片的开启度变得越来越小而变得越来越短。
和图3(A)一样，在图3(B)中，线段a’-d’-h’、b’-e’-i’、以及c’-f-j’是特性曲线1’、2’、以及3’的S特性区域。
图3(B)与图3(A)非常相关。例如，在图3(A)中的曲线3(A)上的点x与图3(B)中的曲线3’上的点x’相对应，该x点满足Q1=Q1x以及N1=Nix，而点x’满足T1=T1x’和N1=Nix’(=N1x)。类似地，图(A)中的点a、b、c、d、e、f、h、i、以及j分别与图3(B)中a’、b’、c’、d’、e’、f’、h’、i’、以及j’相对应。
曲线nr是空载流量曲线。曲线nr和曲线1、2、以及3的交点α、β、以及γ分别对应于直线T1=0和曲线1’、2’、以及3’的交点α’、β’、以及γ’。
下面将参考特性曲线1和1’对水泵水轮机的(用于发电的)水轮机工况进行解释。如上所述，当导流叶片的开启度相对较大时，可以获得与特性曲线1到1’相对应的特性。通常，在特性曲线1上方表现为水泵水轮机的水轮机工况，也就是说，在S特性区域的线段a-d-h之上一条曲线上。然而，例如，当水泵水轮机上突然失去负载，水泵水轮机的转数N会急剧地上升，N1值也会急剧地上升。水泵水轮机开始在S特性区域运行。当运行点进入S特性区域时，水泵水轮机的转数(N)下降且N1值和Q1值下降结果，水泵流量(Q)下降。图4详细地解释了这种情况。相反，水泵水轮机的进口和出口之间的水头(即H值)随着流量Q降低而上升。一旦N1值下降，流量Q就下降。流量Q的下降会造成水泵水轮机的有效水头的上升。而且有效水头H的上升会造成N1的下降，而N1的下降会导致Q1的下降。这样，一旦水泵水轮机开始在S特性区域运行时，Q1以及N1就会随着速度从点a增加到点d而降低(从而降低S特性区域内的Q1值)。不用说，Q的下降进度会受到象导流管摩擦力以及类似力这样的衰减力的抑制。无论如何，Q1和N1会以和它们在正反馈回路中一样的上升速度下降。
当水泵水轮机的运行点在S特性区域内(从点a)到达点h时，上述现象就会和在负反馈回路中一样逐渐得到减轻。运行点开始从点h稍后一点的地方向上移动到S特性区域内的点a(以增加Q1)。运行点的这种反向运动以和在正反馈回路中相同的方式而进行。图5解释了这种回摆运动。
如上所述，当水泵水轮机的导流叶片在负荷衰减后没有被关闭时，水泵水轮机的运行点会在与导流叶片相应的S特性曲线上摆动。因此，在一些特殊的情况下，依赖于水泵水轮机特性的运转是有害而危险的。因为水泵水轮机的流量会反复地上升和下降，并且会在水力发电站的导流管中反复地产生强烈的水锤。
当S特性区域变得较短时，在S特性区域内运转期间所产生的有害影响就会下降。例如，当水泵水轮机沿着包含线段b-e-i(该线段由于导流叶片的开启度比较小而比较短)的特性曲线2运行时，这种影响就能得到减弱。
水泵水轮机在S特性区域内的运转也会对水泵水轮机的力矩T产生有害的影响。如图3(B)所示，当N1值在S特性区域内减小时，T1的值也减小。在此，需要指出的是，图3(A)所示的特性曲线1上的点a和h分别与图3(B)所示的特性曲线1’上的点a’和h’相对应。
假设有效水头H是不变的，T1的减小就表示水泵水轮机的力矩的减小。而且，很显然，水泵水轮机的力矩T的减小会导致水泵水轮机转数N的下降。随着水泵水轮机的转数N下降，N1和T1也依次降低。在实际运转中，这种下降随着有效水头如上面所提到的那样增长而增速进行。因此，水泵水轮机的运行点沿着特性曲线1’从点a’移动到点h’，同时沿着特性曲线1向较小的Q1方向移动。该运动和在正反馈回路中的一样。当该运动在S特性区域内被反向时，运行点就在特性曲线1’上从点h’移回到点a’。从上述内容很显然表明，这种力矩波动是不能被人们所接受的。
当水泵水轮机的运行点在负荷衰减后沿着S特性曲线向下移动时，迅速地关闭导流叶片是很危险的。这是因为施加了一个促进N1降低的动作。
相互水锤干扰在水轮机模式下，通过在导流叶片的开启度小于例如80％时设置上部叶片关闭速度，或通过在导流叶片的开启度为如80％或更大时设定一个低于上部叶片关闭速度的值，S特性的影响能够得到抑制。一旦负荷衰减开始，紧接着运行点进入S特性区域之前，叶片关闭速度就从“快”转变为“慢”。因此，在这种关闭方式中会产生一种弯曲。参见图6，例如，假设在导流叶片的开启度几乎为100％时进行一次负荷衰减(在t0时刻)。起初，导流叶片关闭得相对较快。当导流叶片的开启度达到一预设开启度值Ya时，就会选择一个较小的关闭速度限制。
因此，当运行点进入S特性区域内(在该区域内水泵水轮机的速度开始下降越过一最大值)并一直向一个较小的流量方向移动时，叶片关闭速度被限制到一个相对较慢的速度。这就会抑制由于上述N1的下降而导致的过度正反馈现象的加剧，并因此而防止了过度水锤。
图6表示了叶片关闭方式和水锤之间的关系，特别是表示出了在负荷衰减时随着导流叶片的关闭与叶片关闭速度的转变相关的位于上部蓄水池一侧的导流管压力Hp的上升。换句话说，就是当增大导流叶片的开启度Ya时(此Ya处叶片关闭速度从“快”转变为“慢”，)，位于上部蓄水池一侧的第一峰值导流管水压Hpx下降到Hpx1，但第二峰值导流管水压Hpy上升到Hpy1。在下部蓄水池一侧的导流管水压Hd的波形刚好象将波形Hp翻转过来的图形一样(尽管在图6中看不见它)并且第二峰值的的衰减量Hdy1低于Hdy。换句话说，当梯度被限制到一个较小的值时，第一峰值Hpx下降而第二峰值Hpy上升。最典型的例子是这样一种情况，即快速关闭速度变得等于弯曲点之下的缓慢关闭速度。
因此，仅仅依靠导流叶片关闭方式中的弯曲，叶片关闭方式就已被确定，因而，在紧接着负荷衰减之后较快的叶片关闭期间显示的位于上部蓄水池一侧的导流管水压的峰值Hpx几乎等于在速度开始下降后由于S特性而表现出的位于上部蓄水池一侧的导流管水压的峰值Hpy。实质上，这可以通过调节弯曲开启度Ya来做到，当Y＞Ya时限定为较快的叶片关闭速度，而当Y＜Ya时限定为较慢的叶片关闭速度。
本发明的发明者认识到，仅仅依靠叶片关闭方式的弯曲是不够的。例如，如果一些具有S特性水泵水轮机被连接在上游一侧、下游一侧、或如图2所示连接在两侧的话，那么，众所周知的是，相互水锤干扰将会导致上游水压的异常上升或下游水压的异常下降。假设水泵水轮机都具有相同的规格，那么就会存在各种问题。问题之一是，连续负荷衰减(即一次接一次地衰减水泵水轮机的负荷)时的最大上游水压比一次自发负荷衰减时的最大上游水压要高。另一个问题是，连续负荷衰减(即一次接一次地衰减水泵水轮机的负荷)时的最小下游水压比一次自发负荷衰减时的最小下游水压低并在极端的情况下会产生分裂的水柱。更糟糕的是，由于这些不正常的水锤现象与沿着S特性精确计时极为相关，所以象那种使得情况更为糟糕的时间差的情况很难被预知。图7、图8以及图9是一些用来解释为什么在连续负荷衰减时象这样的情况很难预知的图表。这些图假设了三个水泵水轮机一起连接在一个上游导流管和一个下游导流管上的情况。在该例子中，水泵水轮机#1在20秒的时间点处处于完全负荷衰减状态。在该完全负荷衰减之后的Td1秒后，水泵水轮机#2处于完全负荷衰减状态。在第二次完全负荷衰减之后的Td2秒后，水泵水轮机#3处于完全负荷衰减状态。结果，水泵水轮机#1的下游水压在时间点33.6秒处或在一次负荷衰减后13.6秒处急速下降。
这种相互水锤干扰会导致突兀的尖峰状的下游水压下降产生。然而，为了在水泵水轮机的下游导流管中抑制水柱分开，必须尽可能地将水泵水轮机安装得低一些，并确保在下部蓄水池之上有一个充足的水位差。这极大地增加了建设成本和为了安装水泵水轮机而需要挖掘的土石方的数量。
在这种情况下，因为叶片关闭方式被设置成使得在叶片关闭期间的上游导流管水压峰值Hpx比在每一个水泵水轮机处于完全负荷衰减时在旋转速度开始下降后由于S特性而表现出来的上游导流管水压峰值Hpy高(见图10)，因此由相互干扰造成的不正常的水锤出现在上游一侧不是太明显。换句话说，这种情况假设，Hpx被设定得至少要高于Hpy并且上游水压被设计得充分高，牺牲上游的建设成本。当然，Hpx必须比较小以降低上游的建设成本。为此，必须被消除上游导流管中的相互水锤干扰。即使在由于上游导流管中的相互水锤干扰而引起的异常压力上升通过利用图10中的叶片关闭方式被消除时，由于下游导流管内的相互干扰而造成的尖峰依然存在(见图7、图8、以及图9)。
电路结构下面将参考图12对水泵水轮机的调节装置的电路结构进行解释。该方块图包含一个用来检测水泵水轮机100的旋转速度N的速度检测器1；速度检测信号Xn；一个用来设置参考旋转速度的速度控制器2；一个来自于速度控制器2的设置值X0；一个加法器3；一个来自于速度控制速率设定单元的还原信号Xσ；一个由加法器3输出的并输送给紧接着下面的PID操作电路的信号Xε；一比例元件4a(P元件)，该元件用于正常产生动力模式中，在该模式下发电机与大型电力系统相连；以及一个比例元件4b(P元件)，该元件用于负荷衰减后的空载工况。比例元件4a的增益Kpa大于比例元件4b的增益Kpb。
积分元件5a(I元件)在正常的产生动力模式下被起用。积分元件5b1(I元件)用于负荷衰减后的空载工况并且在导流叶片检测器20a和20b不工作时被起用。积分元件5b2(I元件)于导流叶片检测器20a和20b在负荷衰减之后立即开始工作后被起用。它们的积分增益Kia、Kib2、以及Kib1满足Kia＞Kib2＞Kib1。
接触器19a和19b去检测发现发电机处于负荷衰减(即，当速度超过一额定速度值时)并在负荷被衰减的同时摆动以打开下触点并关闭上触点。在每一侧上都设有两个接触器19a或19b，以同时既能转换P元件又能转换I元件。接触器20a和20b去检测发现导流叶片被关闭到一预定的开启度Yz或之下并在导流叶片关闭到一预定开启度Yz的同时摆动以开启下触点关闭上触点。
微分元件6(D元件)输出一个信号Zd。比例元件输出一个信号Zp并且积分元件输出一个信号Zi。微分元件6的增益Kd是可以调节的，但是其时间常数T1被确定为一个约为0.1的较小值。
加法器7将这些信号加在一起。加法器7输出的信号Z是比例元件的输出量Zp、积分元件的输出量Zi、以及微分元件的输出量Zd的总和。信号Z是叶片开启指令信号。一低值选择电路23自动地在叶片开启指令信号Z和一限制器的设定值Z1中选择一个较小的值并最终输出一个叶片开启指令信号ZZ。
实际的叶片开启度由信号Y来表示。加法器8、限制器9、以及油压伺服马达10组成了一种油压放大器。它构成了一个起到传递函数作用的带有一限制器的第一阶滞后元件，并将叶片开启信号Z放大成一个叶片开启度Y，该开启度产生一行程以及一个强大得足以直接操纵作为流量调节装置的导流叶片的操纵力。信号Yε1表示最终的叶片开启度指令ZZ和实际叶片开启度Y之间的差值。
信号Yxxxx是一个间断信号，当输入一个与调节装置的来自于上游的自然控制信号无关的且通常为零的紧急停止信号时，该间断信号绝对值大到足以迅速地关闭导流叶片。
加法器24将信号Yε1和Yxxxx相加并输出一个结果Yε2。限制器9包括θR和θL,θR将叶片开启速度限制到θR.Cy,θL将叶片关闭速度限制到θL.Cy。可以通过对与所述的叶片开启和关闭速度极限值有关的差值信号Yε2进行限制而获得信号Yε3。一个来自于输出控制器13的理想的叶片开启设定信号Yb被输送到加法器11。如果实际叶片开启度Y小于Yb(或Y＜Yb)，则开启信号σ(Yb-Y)被不间断地输送到PID控制单元，直到差值(Yb-Y)变成零为止。最后，实际叶片开启度Y等于叶片开启设定信号Yb，并且开启信号σ(Yb-Y)停止输送。
速度控制速率设置模块12设定上述系数σ。换句话说，系数σ是一个增益，该增益确定了叶片开启度Y的变化与速度检测信号Xn变化之间的比值。通常，它是根据动力系统中相关装置的作用或负载分配的比率来确定的。一旦将其确定下来，它就不会再改变。水泵水轮机的调节装置也包括含有一个导流管系统的水轮机14的一些元件。相关装置的负载电力L被输送到直接与水轮机的轴相连的发电机。负载电力RL由电力系统来供应。信号Pg是负载电力L和RL或发电机负载的结合。负载特性17b由电力系统给定。水轮机100的自我控制性能模块17a是一个特性模块，该模块统计随着速度的增加、效率的降低等而增加的机械损失。因此，信号RT表示由自我控制性能而引起的伴随有旋转速度的变化的2水轮机输出损失。因此，对于水轮机来说，可以认为RT以及Pg是一种负载。换句话说，可以假设它们的和为负载的和L∑=Pg+RT，这些负载消耗了水轮机的输出量Pt。信号(Pt-L∑)被输送到转子的惯性效应部分16，并且转子的惯性效应部分16的输出量就成为转速N。
在负荷衰减后，信号Pg等于信号L。
下面，将参照图13和图14对速度控制器2、输出控制器13、以及速度控制速率设置模块12的作用进行解释，假设空载叶片开启度为0.2(pu)。在图13中向右降低的实线表示正好在动力装置与电力系统相连之前的导流叶片的开启度。换句话说，该实线和额定速度N(同步速度)线的交点表示导流叶片的开启度。当前的空载叶片开启度是0.2。该实线设定得比水轮机启动之前低。例如，在图13中该线位于虚线处。在该图中可以看出，速度控制器2使该实线在图14中的实线下方平行地向上或向下移动。当交点(空载叶片开启度0.2)垂直上下移动时就出现了名称“速度控制器”。
下面将参照图14解释在动力装置连接到电力系统之后交点的状况。起初，实线和额定速度线的交点位于Y=1.0。这表示“在100％负载下运行”。这条线在图13中是虚的。
这样，输出控制器13通过使该实线向左或向右平行移动而控制导流叶片的开启。然而，当动力装置连接到许多的电力系统，旋转速度基本上固定为1.0。当线N=1.0上的交点随着该实线的水平运动而左右移动时，就给出了名称“速度控制器”。
在这种稳定状态。水泵水轮机在如图14中的实线所示的点(N=1.0,Y=1.0)处运转。假设动力系统的频率增加3％，并且额定速度N移动到1.03。
叶片开启度Y达到0.2。同样，假设动力系统的频率增加了1.5％，叶片开启度Y设定为0.6。这样，速度控制速率设置模块12给出了频率变化宽度和叶片开启宽度之间的比例关系。当速度控制速率设置模块12的增益增加时，图14中的实线会更急剧地向右降低。而且叶片开启响应宽度相对于频率变化的增益降低。因此，如果水泵水轮机在额定速度(N=1.0)和满负荷(100％)(在图14中的实线上)情况下运行的同时出现负荷衰减的话，调节装置会进行运算以最终将旋转速度N设定为1.03(比额定值要高一个受控的速度增量)。
图15是一个典型的例子，其表示了水泵水轮机的叶片关闭速度极限。
按照惯例，水泵水轮机的旋转速度受到限制，因而，如果叶片开启度Y大于预设的叶片开启度Ya的话，则该线的梯度可能不会大于θ1a，或者，如果叶片开启度Y小于预设的叶片开启度Ya的话，则该线的梯度可能不会大于θ1a(其小于θ1a)。换句话说，如果叶片开启度Y大于预设的叶片开启度Ya的话，则图12中所示的元件9的θL被设定为相对较大的tanθ1a/Cy，或者，如果叶片开启度Y小于预设的叶片开启度Ya的话，则它被设定为相对较小的tanθ1b/Cy。另一方面，当叶片开启动作与在叶片关闭动作中一样不受S特性影响时，θL被设定为θ2，该θ2满足|θ1a|＞|θ2|＞|θ1b|并与叶片开启度无关。
下面将解释一种设置积分增益Kib1和Kib2、比例增益Kpb、以及微分增益Kd的方法，这是有利的要点。在负荷衰减之后的水泵水轮机的稳定状态下，或者，当导流叶片在负荷衰减后被关闭到一个预设开启度且几乎不再需要反S特性控制的时候，这些增益以与在传统的空载工况下相同的方式进行设置。例如，Kpb和Kib2可以由上/下游导流管时间常数Tw(=∑Li.Vi/(g.H))和一个转子惯性效应的时间常数Tm(=0.00274GD2NO2/kw)来确定。最终的增益是Kpb=0.3Tm/Tw,Kib2=0.25Kp/Tw，以及Kd=0.3Kp.Tw。
换句话说，该增益可以由时间常数Tw和Tm决定而与S特性无关。在上述时间常数的表达式中，Li、Vi、g、H、GD2、NO、以及Kw分别是每根导流管的长度(米)、每根导流管中水的速度(米/秒)、重力加速度(米/秒2)、有效水头(米)、转子的惯性常数GD2(吨-米2)、额定转速(转/分钟)、以及额定输出(千瓦)。然而，为了反S特性控制或为了暂时开启在第一速度下降曲线的前半段内正在关闭的流量控制器，并接着在某一旋转速度(该速度比额定速度高第一峰值减去额定速度的值的三分之一或更多)处使得第一速度下降停止，并且转换流量控制器以增大该速度，这就必须大大地增加稳定性。尤其是，增益Kib1必须要小得多。Kp、Ki、以及Kd可以如图17中的那样设置。Kp以及Ki可以在负荷衰减或Y＜Yz时改变。
图18、图19、以及图20表示用于本发明的500米导流管水泵水轮机的瞬时现象。该实施例假设Kd=3.45、Kpb=0.5、Kib1=0.02、以及Kib2=0.1。由于在负荷衰减后只有增益Kpb不经转换就被用作Kp(见图12)，所以与反S特性控制有关的Kpb就比通常的要小(约为1/5)。尽管在Y＜Yz的条件下当反S特性控制模式被转变为空载稳定运转模式时提出了另一种将增益从Kpb1变化为Kpb2方法，但是只有积分元件被转化而抑制冲击。
因此，正如所期望那样，在导流叶片被关闭的同时(见图18)，进行反S特性控制。因此，流量速率在没有造成任何回流的情况下平缓地汇集为一个空载流量速率。同样，水锤Hp的第二峰值Hpy几乎消失了。图19表示出了水泵水轮机的变化过程(N1-Q1运动状态)。如图19中所示，很明显，导流叶片在运行点沿着S特性曲线向较小的流量移动时开启，或者在运行点沿着S特性曲线向较大的流量移动时关闭，并且S特性的振动特性也得到显著地抑制。
图20表示在这种状态下调节装置的响应或者PID元件的输出响应。由于在负荷衰减之后20秒导流叶片的开启，叶片开启检测器20a和20b检测到Y＜Ya。这就是为什么Zi曲线在负荷衰减后20秒的时间点处急剧弯曲的原因。
图21是一个图表，用来解释当增益Kpb和Kib2相对于Kd=3.45、Kpb=1.0、以及Kib1=Kib2=0.1条件下的空载运转的设定值更近时会发生什么情况。详细地说，Kib1和Kib2的值大约为通常空载稳定运转状态下的三分之一，并且Kpb大约为通常空载稳定运转状态下的一半。对于这样一种不充分的增益设定值(其增益不足够小)，导流叶片会在第一速度下降曲线的后半段开始开启。这就不会抑制由于S特性造成的振动。相反，它还会促进振动。如上所述，在没有参考的情况下很难对反S特性控制进行设置，但是，本发明能够提供这种参考并很容易地进行这种设置。
尽管也能够让反S特性控制的设置用于稳定状态，但是，正如你能从上述说明中所看到的那样会产生一些缺点。这些缺点就是，调节装置的响应太滞后，并且负荷衰减之后的速度下降延迟得太多。
图22、图23、以及图24表示出了三个水泵水轮机的过渡过程，这三个水泵水轮机共用同一条导流管并在图18和图19给定的条件下依次进行负荷衰减。当它们和图7、图8、以及图9相比时，本发明的作用就变得很明显了。换句话说，在下游水压中不会出现由于异常水锤干扰造成的尖峰。上游水压也极其平缓。
在图12、图18、以及图19中，只需要通过转换P和I增益就可以进行反S特性控制。
然而，能够进行这样的控制以便在适当的标记时间处通过将其合并起来增加速度控制器2的设定值x0的有效性。
如上所述，本发明的水泵水轮机能极大地压缩由于S特性造成的异常流量波动的幅度，这也能极大地减弱对水泵水轮机的瞬时水流的推力变化。这使得推力轴承的结构合理化。传统上，为了抑制异常水锤干扰，在某些情况下必须对共用一条上游或下游导流管的水泵水轮机中的每一台的运转进行限制。然而本发明能够使得这些水泵水轮机不受这样限制。
而且，本发明的方法能抑制负荷衰减时的过度流量波动。这能减弱振动、噪声等等，改进水泵水轮机的运行状态，并延长其使用寿命。不用说，本发明的效果都有助于降低建造抽水动力装置的成本，而且，本发明的目的能够完全通过改变调节装置的设置方法来实现。
由于本发明的方法可以将水的流量平稳地汇集为空载流量而不会有任何负荷衰减时的过度流量波动，所以，尤其是通过降低第二峰值Hpy几乎可以消除上游水压上升的幅度。因此，在始终保持第一峰值Hpx高于第二峰值Hpy的任何情况下，能够极大地降低第一峰值Hpx。因此，本发明的方法能够极大地降低上游导流管内以及水泵水轮机自身内部的设计水压。
而且，对于下游导流管，本发明的方法也能够极大地降低由于S特性造成的跌水宽度。特别是，该方法能够极大地减少由于共用一条下游导流管的水泵水轮机之间的相互水锤干扰造成的异常尖峰。
因此，几个水泵水轮机能够安装在同一个较低的蓄水池的水平面之上的较高位置上，这会减少所需挖掘土石方的数量以及最终的建设成本(如果是地下动力站的话)。
如已经解释的那样，即使在水泵水轮机的运行点处于S特性区域内时，本发明的方法也能够稳定而廉价地并且充分地减少由于S特性对水泵水轮机的性能造成的影响。
即使在水泵水轮机的运行点处于S特性区域内时，本发明的方法或水泵水轮机也能够充分地减少由于S特性造成的影响。换句话说，“在负荷衰减时的第一速度上升越过第一峰值转变为下降以后的第一速度下降曲线的前半段”的意思是水泵水轮机运行点沿着S特性曲线向着较小流量向下移动的性能曲线的区域。在这种状态下，例如，当调节装置是一个PID调节装置时，有必要降低调节装置的增益，特别是积分和比例增益，直到受到调节装置控制而正在关闭的流量控制器暂时转向下降为止。这会突出微分元件的影响并在第一速度下降曲线的前半段启动流量控制器(或导流叶片)的暂时开启动作。对于一种在恢复电路中含有不完全微分元件的缓冲型调节装置，可以通过增加缓冲增益和时间常数来减小积分增益和比例增益。
如果上述增益下降的不够，导流叶片的暂时开启动作就会被推迟并在第一速度下降曲线的后半段启动。这就降低了反S特性控制的效果，并且更糟糕的是，会对水泵水轮机的运转带来有害的影响。这是因为水泵水轮机的运行点在这个阶段停止了沿着S特性向较小的流量方向的移动并返回而向上移向一较大的流量。如果导流叶片在这个阶段开启，S特性就会得到有力的增加。
而且，暂时的叶片开启宽度必须大到足以引起反S特性控制的作用。为此，第一速度下降必须停在一个比额定速度还高第一峰值与额定速度差值的三分之一的旋转速度处，并且速度又从那开始上升。这是一个实现反S控制的估计参考值，尽管它有点依赖于水泵水轮机的特性。例如，本发明的实施例(采用PID调节装置)具有对应于空载稳定工况的参考值Kp=0.5、Ki=0.1、以及Kd=3.45以及对应于反S特性控制的参考值Kp=0.5、Ki=0.02、以及Kd=3.45。
调节装置的运算器的设置在负荷衰减时在适当的条件下自动地开始。
尽管只解释了用于反S特性控制的PID增益控制，但是，通过将所述控制和某一种控制结合起来以暂时增加调节装置的目标速度的控制设定值以及类似的设定值，可以获得更多的效果。
在水泵水轮机的运行点穿过S特性区域之后最终稳定到空载工况之前，自动地将调节装置的运算器重新设置为一个设定值以改进响应速度(对应于空载工况的设置)是有必要的，该响应速度比反S特性控制的设定值要快。
这是因为，缓慢的速度下降将会使得水泵水轮机和发电机一直高速运转，使得速度在负荷衰减之后返回得更慢，并且在水泵水轮机以平行的方式重新连接到动力系统上时使得响应更慢。
自动地将反S特性控制的设定转换为空载稳定工况的设定的第一例示状况将会发现流量控制器在负荷衰减之后(Y＜Yz)会被关闭到一预定开启度或更低。
自动地将反S特性控制的设定转换为空载稳定工况的设定的另一例示状况将发现负荷衰减之后的速度会变得低于一预定值。对于负荷衰减后的反S特性，调节装置的设置应该是与在通常负载工况下(在这种工况下可以采用动力系统的稳定性)的稳定性有关的响应优先设置，并立即重新设置为位于S特性区域之外的空载稳定工况的中间设定值。因此，调节装置应该具有按下列顺序排列的标引为“正常负载工况”、“空载稳定工况”、以及“紧接着负荷衰减之后的反S特性控制”的三个响应速度，并自动地改变这些响应速度。
改变调节装置的这些设定值应平稳地进行(不应有冲击)。尤其是，如果导流叶片在反S特性控制控制下有跳跃，共用一条导流管的水泵水轮机可能会产生异常的水锤干扰。
具有这种无冲击转换的一个例子将会在调节装置是一种具有比例、积分、以及微分元件的PID调节装置时仅仅转换积分增益。
本发明的水泵水轮机的调节装置包括一个关闭速度限制器，该限制器根据流量控制器的开启度限制导流叶片的关闭速度。如果关闭速度限制器设计成能在导流叶片的开启度越过第一预定值时将流量控制器的关闭速度限制到相对较高的第二预定值或其之下，或者在流量控制器的的开启度变得低于第一预定值之后将流量控制器的关闭速度限制到相对较低的第三预定值或其之下，那么调节装置的运算器可得到控制，从而最起码直到导流叶片紧接着负荷衰减之后被关闭到预定开启度或其之下为止，才会启动正在关闭的导流叶片的暂时开启动作。这是因为有必要在运行点进入S特性区域之前尽可能快地关闭导流叶片，使得随后的S特性尽可能地小。如果这被省略掉，负荷衰减后的第一速度峰值将会增加得太多。
水泵水轮机的运行点停止沿着S特性曲线移动的时间点大约就是拐点或在其附近，在该拐点处速度下降曲线从凸曲线转变为凹曲线，尽管其与水泵水轮机的特性有关。因此，采用修正控制的导流叶片的暂时开启动作将会从负荷衰减后的旋转速度开始下降越过第一峰值的一个时间点开始至少持续到速度曲线从“峰顶”变化到“谷底”的一个时间点。调节装置的运算器将会采用上述参考方式设定。
在许多情况下，在比旋转速度到达第一峰值早一点点的时候就启动导流叶片的暂时开启动作可能会更有效。这是因为第一速度峰值将再也不会得到增加和返回，如果暂时开启的时间点被推迟，反S特性控制性能将会急剧地下降。
最终，在比负荷衰减后速度上升停止(第一峰值)之前稍早一点的时候进行导流叶片的暂时开启，以及该暂时开启动作一直持续到速度下降曲线的从凸曲线转变为凹曲线所在的一个拐点或其附近是比较合理的。
当负荷衰减正好被检测到时，将调节装置的运算器的设置转换为反S特性控制设置是应该的。为此，断路器触点仅用于电力装置是不够的。因此，当速度超过一个比额定速度(该额定速度在水泵水轮机的通常的负载工况下不会出现)高得多的预定值时就应该进行转换。
下面将参考图22解释第二个实施例。该实施例还包括一个负载限制器22。该实施例的其它部分与第一个实施例的那些类似部分具有相同的功能，在此略去对它们的解释。
如果负荷衰减后的反S特性控制具有一种故障，该故障使得退出S特性区域和到达空载工况之间的时间拉长，或者该故障增大了流量控制器的暂时开启宽度，这种故障可以通过同时操纵一个保护性调节装置而得到消除，这种保护性调节装置可以根据负荷衰减后的预定程序限制流量控制器的开启度。一种推荐的方案是根据负荷衰减后的预定程序关闭负载限制器22。(负荷衰减之前的上极限大约为1.0每单位)采用这种方式，即使由于调节装置的运算器的输出量Z造成的故障猛然间开启流量控制器时，该故障也能由于低值选择电路能够自动地选择负载限制器的输出量而得到避免。
结果，本发明的方法一次就能达到下述效果在负荷衰减时降低上游水压的上升降低上游导流管内的以及水泵水轮机自身内部的设计水压导致成本下降在负荷衰减时减小下部水压降的宽度改进水泵水轮机的安装高度降低建设成本消除共用一条上游导流管、下游导流管或者两者共用的水泵水轮机之间的相互水锤干扰，并降低作用在水泵水轮机的水的推力使得推力轴承设计合理化，并使得水泵水轮机在负荷衰减时稳定运转。
下面参照附图对第三个实施例进行解释。图24是本发明的第三个实施例的水泵水轮机调节装置的示意性模块图。
该模块图包括一个用来检测水泵水轮机14α-14γ的旋转速度N的速度检测器1；速度检测信号Xn；一个用来设定参考旋转速度的速度调节装置302；一个来自于速度调节装置302的设置值X0；一个加法器303；一个来自于速度控制率设定单元的还原信号Xσ；一个由加法器303输出的信号Xε；以及一个来自于修正控制电路400的修正控制信号X400。
通过采用修正控制信号X400对Xε进行修正得到的信号X320A正好在该信号下被输送给PID控制电路。一比例元件304a(P元件)被用于正常产生动力模式中，在该模式下发电机与巨大的电力系统相连。一个比例元件304b(P元件)用于一次负荷衰减之后的空载工况。比例元件304a的增益KPa大于比例元件304b的增益KPb。积分元件305a(I元件)在正常的产生动力模式下被起用。积分元件305b(I元件)用于一次负荷衰减后的空载工况。积分元件305a的积分增益Kia大于积分元件305b的积分增益Kib。接触器319a和319b直接或间接地检测发电机的断路器的开/关状态(这在图26中未示出)。当断路器打开时，接触器319a和319b同时摆动以打开下触点并关闭上触点。在每一侧上都需要两个接触器319a或319b以同时既能转换P元件又能转换I元件。
微分元件306(D元件)输出一个信号Zd。接触器319b输出一个来自于比例元件的信号Zp和一个来自于积分元件的信号Zi。
加法器307将这些信号加在一起。信号Z是比例元件的输出量Zp、积分元件的输出量Zi、以及微分元件的输出量Zd的总和。信号Z是叶片开启指令信号。实际的叶片开启度由信号Y来表示。
加法器308、限制器309、以及油压伺服马达310组成了一种油压放大器。它构成了一个起到传递函数作用的带有一限制器的第一命令滞后元件，并将叶片开启信号Z放大成叶片开启度Y，该叶片的开启度具有一行程和一个强大得足以直接控制作为流量调节装置的导流叶片的操纵力。信号Yε1表示叶片开启指令Z和实际叶片开启度Y之间的差值。限制器309包括θR和θL,θR将叶片开启速度限制到θR.Cy,θL将叶片关闭速度限制到θL.Cy。可以通过对与所述的叶片开启和关闭速度极限值有关的差值信号Yε1进行限制而获得信号Yε2。一个从来自于输出调节装置313输出的理想叶片开启设定信号Tb被输送到加法器311。如果实际叶片开启度Y小于Yb(或Y＜Yb)，则开启信号σ(Yb-Y)就会不间断地输送给PID控制单元，直到差值(Yb-Y)变成零为止。最后，实际叶片开启度Y会等于叶片开启设定信号Ya，并且开启信号σ(Yb-Y)停止输送。速度控制速率设置模块312对上述系数σ进行设定。换句话说，系数σ是一个增益，该增益确定了叶片开启度Y的变化与速度检测信号Xn变化之间的比值。通常，它是根据动力系统中相关装置的作用或负载分配率来确定的。一旦将其确定下来，它就不会再改变。信号314表示带有导流管系统的水轮机的输出特性。相关装置的负载电力L被输送到直接与水轮机的轴相连的发电机。负载电力RL由电力系统来供应。信号Pg是发电机负载，该负载是负载电力L和RL之和。负载特性317b由电力系统给定。水轮机12α-12γ的自我控制性能模块317a是一个特性模块，该模块统计随着速度的增加、效率的降低等而增加机械损失。因此，信号RT表示由于与旋转速度的变化相伴随的自我控制性能而引起的水轮机输出损失。因此，对于水轮机来说，RT和Pg一样可以被看成一种负载。换句话说，它们的和能够被设为负载的总和L∑=Pg+RT，这些负载消耗了水轮机的输出量Pt。信号(Pt-L∑)被输送到转子的惯性效应部分316，并且转子的惯性效应部分316的输出变成速度N。在一次负荷衰减之后，信号P等于信号L。
速度调节装置302、输出调节装置313、以及速度控制速率设置模块312具有和第一以及第二实施例中的那些部分相同的功能，因此，在此略去对它们的解释。
图27是图28中的调节装置内的修正控制电路400的示意性模块图。
修正控制电路400包括一个加法器409和一个积分器410。修正控制电路接收到速度检测信号Xn并输出X400。在负荷衰减开始时，积分器410具有一个初值1.0，该初值相当于额定旋转速度。加法器409的输出值X409是Xn的不完全微分。你能够通过X409知道Dn/dt是正(增加速度)还是负(降低速度)。当X409为正值时，转换电路411输出1.0，而当X409为负值时，转换电路输出0。电路401起到一个无源性元件的作用，该元件仅仅使得大于预定值Xc1的Xn通过。Xc1的值必须大于相当于额定速度的Xn=0.1，并且该值在发电机与电力系统处于相连的正常工况下不能获得而仅仅在负荷衰减时才能获得。
例如，将值Xc1设定为1.04至1.05。当转换电路411的输出量X411为正值时，继电器403输出一个来自于加法器402的信号X402，而当转换电路411的输出量X411为负值时，继电器403输出为零。积分器404接收到从继电器输出的信号X403。如上所述，在速度正在下降的同时，当旋转速度增加或保持在某一值(该值恰好位于速度开始下降之前)不变时，信号X404对信号X401的响应是时间常数1/Kc1的第一阶迟滞响应。时间常数1/Kc1比时间常数1/Kc3要小得多(将会在下面解释)。加法器405从信号X404中减去信号X407(将会在下面解释)并产生一个信号K405。当转换电路411的输出值X411为负值时，继电器406输出一个来自于加法器405的信号X405，或者，在转换电路的输出值X411为正值时，继电器406输出为零。积分器407接收到来自于继电器406的信号X406。
如上所述，信号X405对信号X404的响应是一个不完全微分，该微分在速度下降的同时使得信号X404按指数级缓慢下降。其时间常数为1/Kc3且增益为1(不完全微分)。
另一方面，随着信号X404的值在速度增加的同时增加且信号X407在紧挨着速度开始增加之前保持为一个值，信号X405的值也随之增加。换句话说，信号X405的值随着速度的增加而增加，并且在速度开始下降时按指数级缓慢下降。这就相当于负荷衰减时的速度变化模型曲线。
图28是一个修正电路的示意性模块图，该电路是图26所示电路的改进。
微分元件306(D元件)输入Xε。PI控制电路的输入值X320B可以通过用修正控制信号X400对信号Xε进行修正而获得。换句话说，修正控制电路仅仅对比例元件(P元件)和积分元件(I元件)直接产生影响。其它的电路结构与图26中的其它结构相同。其详细解释在此略去。
图29所示的是采用图28和图27中的上述实施例的水泵水轮机在负荷衰减时的时间响应特性。图29示出了水轮机在负荷衰减时叶片开启度Y、旋转速度N、流量Q、进口水压Hp、以及出口水压Hp的变化过程。
当负荷衰减后的速度开始上升时，相应于速度的上升，调节装置就开始迅速地关闭导流叶片。当速度上升且速度检测信号Xn超过预定值Xc1时，信号X401就被输送到修正控制电路400。修正控制电路开始运转并输出修正控制信号X400。当速度调节装置302的预定值X0受到修正控制信号X400的修正，叶片关闭速度会逐渐地下降并最终导流叶片转向开启。图31表示出了修正控制电路400中的信号X401、X404以及X400的变化过程。而且图32表示出了被输送到比例元件(P元件)和积分元件(I元件)的信号X320B在经过上述修正后变化过程。
换句话说，图28中的实施例可以这样设计，以使得修正信号K400不会对微分元件306(D元件)直接地产生影响。这将会使得微分元件306尽可能精确地与速度波动相符。
加法器307将比例元件(P元件)304b的作为对信号X320B响应的输出值Zp、积分元件305b(I元件)的作为对信号X320B响应输出值Zi、以及微分元件306(D元件)的作为对来自于加法器303的信号Xε响应的输出值Zd加起来并输出一个图33中的叶片开启指令信号Z。结果，如图29所示，导流叶片在快速关闭后平稳地转向开启，并一直开启到速度达到峰值。当然，在该时间段内，叶片开启动作随着速度增加率降低而受到调节装置的控制而逐渐减速。
水轮机的流量下降速率在速度由于导流叶片的开启动作而到达峰值之前(也就是说，在运行点进入S特性区域之前)变得充分低。图30表示出了在负荷衰减后水泵水轮机运行点的轨迹。该图勾勒出了运行点越过S特性曲线的一峰值(在该峰值处N1最大)向着空载运行点在每一个时间点，也就是，沿着一条不受限制(NR)的速度曲线的平缓收敛。尽管该例子显示出了一点波动，但是在调节装置的稳定性得到增加时曲线会更加平滑。
换句话说，当流量下降率在运行点进入S特性区域之前变得充分低时，并且如果调节装置的稳定性在该时间点处及时受到响应，将会获得理想流量下降曲线。
在这种情况下，之所以调节装置的稳定性无论在多高的旋转速度下都会得到响应，是因为速度调节装置的设置被修正为瞬时高值。
如果第一快速叶片关闭的幅度增加较大的话，上游导流管水压会变得较低。然而，这对降低成本不太有效。在图29所示的那样之后，通过使得曲线变得几乎水平会更有效地降低最大水压。
当与图10和图11中的实施例进行对比时，该实施例的效果会显得更清楚。图10和图11表示出了共用一条上游导流管的三个水泵水轮机中的每一个在连续负荷衰减时的瞬时现象，其中假设它们的流道差别很小。在这种条件下，你会发现，水的流量会在瞬时间猛烈地掉转其方向并产生第二次水锤。
而且，你也会发现由S特性造成的象出口水压以及旋转速度方面的剧烈波动这样的其它影响。
当将本发明用于700米导流管的抽水动力装置上时，最大上游导流管水压会被极大地降低到大约7.5MPa(传统的大约为8.5MPa)，并且出口跌水宽度会降低几十米。
在出现紧急停止的情况下(这在图26和图28中没有显示出来)，导流叶片会迅速地关闭而Yε1绝对地保持在-θL之下。通过在预定值之下降低速度或在预定值之下开启导流叶片，几乎能够分辨出在S特性区域内的运转收敛的末端。
根据上述说明，本发明的效果已经很明显。换句话说，如图29所示，在负荷衰减后流量可以平稳地大幅度降低。因此，上游水压上升的宽度能够得以最小化。
因此，大幅度地降低上游导流管内的以及水泵水轮机自身内部的设计水压是可能的。大幅度地降低由于水轮机的下游导流管中的S特性现象造成的水压降宽度也是可能的。特别地，通过共用一条下游导流管的水泵水轮机之间的相互水锤干扰来消除异常尖峰是可能的。因此，多个水泵水轮机能够安装在同一较低蓄水池之上的较高位置上，这会降低所要挖掘的土石方的量以及最终的建设成本(万一是地下动力站的话。)。而且，由于本发明的方法能够极大地降低由于S特性现象造成的异常流量波动的宽度，作用在水泵水轮机上的水的瞬时推力波动能得到极大地降低。这就使得推力轴承的结构合理化。传统上，为了抑制共用一条上或下游导流管的水泵水轮机之间的相互水锤干扰，每台水泵水轮机的运转都会受到某种程度的限制。然而，本发明能使得水泵水轮机不受这些限制。而且，本发明的方法能够在负荷衰减时抑制一种过度的流动波动。这能降低振动、噪声等等，改进水泵水轮机的运行状态，并且延长其使用寿命。不用说，本发明的效果都会有助于降低抽水动力装置的建设成本。仅仅通过为调节装置增加一个修正控制电路或暂时调节预设值就能够以极低的成本实现本发明的效果。特别的是，对于能从外部加载运转程序的微处理器型调节装置，仅仅通过更新运转程序就能够获得本发明的效果。
而且，本实施例能够急剧地降低上游水压在负荷衰减时的上升。这就使得上游导流管内的以及水泵水轮机自身内部的设计水压能得到降低，从而导致密封设计方面的成本降低。而且由于本发明的效果能够降低下游水压在负荷衰减时下降的幅度，因此水泵水轮机可以安装在较浅的位置，这就能减少所需要挖掘的土石方的量以及最终的建设成本。
而且，本发明的效果能够抑制共用一条上游或下游导流管的水泵水轮机之间的有害的相互水锤干扰。因此，就能消除对水泵水轮机的传统运转限制。
本发明的效果能够抑制负荷衰减时的流量波动，这使得推力轴承的设计合理化，这就能减弱瞬时状态下的水的推力。
本发明的效果能够使得水泵水轮机的运转在负荷衰减时变得稳定。
在图11中，在负荷衰减后水泵水轮机的运行点总是冲进S特性区域，这可能是由在运行点沿着N1-Q1曲线的第一区域随着N1值的增加而向着较低的Q1值移动并到达该区域的末端之前流量下降速度的过度加速造成的。因此，以致于太迟开启导流叶片，而不能在运行点冲进S特性区域之后或稍早一点之前开启导流叶片以降低由于S特性造成的振动(如在公开号为S53-143842(1988)的日本待审专利中所公开的那样)。为了防止这种情况，有必要在最佳的时机使得正在关闭的导流叶片转向开启而通过修正控制调节装置或者从速度增加的开始自动临时调节调节装置的预设值来降低流量的降低速率。在旋转速度增加的同时，在相同的运转条件N1下开启导流叶片会增加流量。因此，与由N的增加导致的流量下降的信号相反的信号对抑制作用有效。由于流量的下降在速度增加期间会加速，因此最好在这种加速的同时一直开启导流叶片。
通常，导流叶片在负荷衰减后运转以关闭并且接着打开。然而，恰好在旋转速度达到峰值之前或运行点冲进S特性区域之前，导流叶片的开启度应尽可能地小。这是因为在导流叶片的开启度较小时S特性现象的影响也较小。因此，在负荷衰减后总是要求有一个较快的叶片关闭动作。
上述创造性的导流叶片控制将最终使得流量下降平缓。最好是导流叶片能平缓地从快速关闭(负荷衰减后)转向开启。
如果在旋转速度达到峰值时流量下降能得到充分地减速，运行点就不能进一步进入S特性区域，即使当它是在该区域中时。换句话说，在负荷衰减后速度增加的同时，通过在适当的时机将调节装置的目标旋转速度修正到一个较高的值，调节装置就试图保持修正后的速度不变并控制导流叶片，即使在速度维持在峰值附近较高的地方时也是如此。这是因为它能消除由于S特性现象造成的影响。换句话说，如果旋转速度易于被S特性快速地降下来，导流叶片开启并且这会有力地减小S特性造成的影响。
当受到适当的控制时，在运行点保持在S特性区域入口附近的情况下，调节装置起作用，逐渐降低旋转速度并逐渐关闭导流叶片。这种对S特性的抑制作用将会使得速度下降率减速。因此，你能从速度曲线中了解反S特性控制的效果。采用实验的方法，你可以设想，如果第一峰值与速度达到总和三分之一之间的时间段是负荷衰减后速度达到峰值所需时间段的1.5倍或更长，反S特性控制的效果就会显示出来，其中所述的总和是负荷衰减前的速度加上第一峰值与负荷衰减前的速度之间的差值的和。
如上所述，当反S特性控制效果出现且速度缓慢下降的同时，调节装置的上述短暂的速度增加修正会被逐渐消除。
通过即使在运行点进入S特性区域之后连续地暂时开启叶片就能够有效地防止运行点冲进S特性区域。
还有另一种在负荷衰减后旋转速度依然增加的同时使得电路导流叶片从关闭动作转向开启动作的方法。
当调节装置是配备有比例、积分、以及微分元件的PID调节装置时。其可以通过暂时降低比例元件的增益、积分元件的增益、或者降低两者来实现。
当调节装置是一种在恢复电路中含有不完全微分元件的缓冲型调节装置时，可以通过增加阻尼增益和时间常数来替代上述增益下降(P以及I增益)。
由于在反S特性控制中的导流叶片的跳跃会在共用一条导流管的水泵水轮机之间导致异常的相互水锤干扰，所以应该对调节装置值进行平缓的转换。
在上述说明中，调节装置的响应速度在通常负载工况下最高。在空载稳定工况下调节装置响应速度次之。而在紧接着负荷衰减后调节装置响应速度则最低。
存在一种仅仅利用负荷衰减刚结束后的调节装置响应速度而不需在空载稳定工况下的调节装置响应速度与负荷衰减刚结束后的调节装置响应速度之间转换的方法。然而，这就使得速度在后半段(与负荷衰减时的瞬时现象相关)降低得太慢并使得水泵水轮机和发电机一直在较高的速度下运行。负荷衰减后缓慢恢复旋转速度的水泵水轮机在运转上很不便利，并且会花费太多的时间用于将水泵水轮机与动力系统重新连接起来。
当导流叶片被关闭到预定开启度或之下时，或者当旋转速度变得低于预定值时，将负荷衰减刚刚结束后的设置转换成空载稳定工况设置的方法被起用。
降低上游导流管水压的最合理的方法之一包括以下步骤控制导流叶片平缓地从快速关闭动作转向开启动作并且使得在负荷衰减后导流叶片的快速关闭动作期间已经上升了的上游导流管水压保持在相同值的周围，一直到速度达到作为由旋转速度的上升导致的水压上升效应以及叶片开启动作导致的水压下降的抵销值的峰值为止。
在上面，增加调节装置的目标旋转速度的方法和降低运算器的比例增益和积分增益的方法被描述为在速度紧接着负荷衰减后增加的同时在适当的时机开启正在关闭的导流叶片的方法。当然，这些方法是能够结合起来。
实质上，前述的反S特性控制应该被设计成仅仅在伴随有速度增加的负荷衰减时或在紧急停止的情况下起作用。因此，作为一种可能的方法，反S特性控制应该在旋转速度超过正常工况不会达到的预定值时被启用。
该方法能够将流量非常平缓地收敛为一个空载流量(或零流量)而不会产生任何湍流，即使在水泵水轮机具有象由于负荷衰减后(或在给出一个紧急停止指令信号之后)的S特性现象导致的过度冲击以及回流这样的S特性也能如此。从位于N1-Q1平面上的运行点在负荷衰减后的轨迹可以得出，该方法能够使得运行点沿着NR线(不受限制的速度线)移动一直到流量稳定在空载流量水平上，而不会使得运行点进入S特性区域。结果，由于S特性导致的第二次水锤消失。因此，第一次水锤能够得以自由降低，从而水锤能得以最小化。换句话说，至于上游导流管水压，将导流管水压控制到最小水平的合理的方法是控制调节装置从而使得导流叶片在一个几乎同一水压下可以被平缓地从快速关闭动作转变为开启动作，直到由于导流叶片的快速关闭动作在速度峰值处停止而水压上升为止。
由于该方法能够将水锤效应减弱到最小水平，所以该方法在降低上游导流管中的设计水压以及水泵水轮机的抽水高度方面具有极好的效果。特别是，抽水高度的降低能使得水泵水轮机安装在较浅的位置上，这就会导致所需挖掘的土石方的数量以及最终的建设成本的降低(如果是地下动力站的话)。
而且，反S特性的避免以及第二次水锤的消除导致了连续负荷衰减时在上游以及下游导流管中的异常相互水锤干扰的消除。因此，仅仅可以研究在完全负荷衰减时的水锤效应。
而且，这种方法能够使得负荷衰减后(或者在给出一个紧急停止指令信号时)的流量波动最小化，减弱过度的振动，并且也使得作用在水泵水轮机上的瞬时的水的推力最小化。该方法也能改进水泵水轮机的瞬时运行状态，这使得系统更安静且更稳定。
本发明的方法的特征在于能带来上述效果的反S特性控制能够通过改变调节装置内运算器的逻辑来实现。换句话说，系统的改进成本极其小。
而且，反S特性控制能够在不干扰调节装置固有控制性能的条件下进行安装，以确保系统的安全性和可靠性。
尽管导流叶片在负荷衰减后(或者在给出一个紧急停止指令信号时)暂时开启并且速度上升宽度会增加，但是由于S特性的优点，速度的上升宽度能够受到抑制下降到一个较小的百分比。换句话说，这种优点就是，旋转速度将不会在导流叶片的S特性曲线的峰值处越过一个N1值，也就是，旋转速度将不会越过一个相当于在第一和第二区域的连接点处的N1值的值。
权利要求
1．一种控制水泵水轮机的方法，包括以下步骤控制流经与发电机相连的叶轮的水量，改变所述叶轮的旋转方向使得所述叶轮能在抽水模式或产生动力模式下运转，并且这样控制水量，即，在产生动力模式下，当所述发电机的负载衰减时，在负荷衰减时的第一次速度上升转变为速度下降后，叶轮的旋转速度会在一个至少比额定旋转速度或初始速度高第一峰值与额定旋转速度或初始速度之间的差值的三分之一的速度处转向上升，
2．如权利要求1所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括通过流量控制器控制所述水量；在负荷衰减时的第一速度增加转向速度下降之后，在速度下降的前半段，暂时开启流量控制器。
3．如权利要求1所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括使得所述流量控制器在负荷衰减后处于旋转速度调节装置的控制之下，这种控制至少具有两种可供选择的设置设定，一种是用于较高的稳定性，其将被用于负荷衰减后的过渡时期的早期阶段；而另一种用于较高的响应速度，其将被用于负荷衰减后的过渡时期的后期阶段。
4．如权利要求3所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括在所述流量控制器在负荷衰减后关闭到预定开启度之下时自动地转换所述旋转速度调节装置的设置。
5．如权利要求3所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括当旋转速度在负荷衰减后变得低于预定值时，自动地转换所述旋转速度调节装置的设置。
6．如权利要求3所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括自动地转换所述旋转速度调节装置的设置，使得正常负载工况响应速度、空载稳定工况响应速度、以及负荷衰减后的过渡时期的早期阶段的响应速度按上述顺序越来越慢。
7．如权利要求3所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括进行所述设置的所述改变时不会有冲击。
8．如权利要求3所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于所述旋转速度调节装置包括比例、积分、微分元件，且所述的积分元件可以转换，而所述比例元件以及微分元件保持不变。
9．如权利要求1所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括通过流量控制器控制所述水量；根据所述流量控制器的开启度限制所述流量控制器的关闭速度；将流量控制器的关闭速度限制到一相对更高的第二预定值或之下，同时流量控制器的开启度要高于第一预定值；当流量控制器的开启度位于第一预定值之下时，将该所述流量控制器的关闭速度限制到一相对较低的第三预定值或之下；防止所述的正在关闭的流量控制器开启，直到所述流量控制器在紧接着负荷衰减后被关闭到所述第一预定开启度。
10．如权利要求1所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括当旋转速度在负荷衰减后越过第一峰值转向下降后，启动暂时开启动作；并使得所述开启动作持续进行，直到旋转速度达到旋转速度曲线从凸曲线转变为凹曲线的拐点处为止。
11．如权利要求1所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括使得所述流量控制器在负荷衰减后受到速度调节装置的控制，该控制受到调节，以使得所述流量控制器比负荷衰减停止后速度开始上升的时间点稍早一点的时候开始开启。
12．如权利要求11所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括控制所述水量，使得所述开启动作持续进行，直到旋转速度达到旋转速度曲线从凸曲线转变为凹曲线的一点(拐点)处为止。
13．如权利要求3所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括当所述旋转速度超过一高于额定旋转速度的预定值时，自动地将与负载工况相应的响应优先设定转换为与改进后稳定性相应的反S特性控制。
14．一种控制水泵水轮机的方法，包括以下步骤控制流量控制器以调节流经叶轮的水量，该叶轮将力矩传递给发电机；改变所述叶轮的旋转方向以抽水或产生动力；在紧挨着第一旋转速度峰值之前或在第一速度下降曲线前半段内，暂时开启所述流量控制器；使所述流量控制器受到负荷衰减后的旋转速度调节装置的控制，该控制根据运转阶段调节其设置，从而当所述发电机的额定功率或其相当功率受到衰减时，第一旋转速度峰值和旋转速度返回到正常状态下的时刻之间的时间段比速度开始上升时的时刻与第一旋转速度峰值之间的时间段的两倍还长。
15．一种控制水泵水轮机的方法，包括以下步骤控制流经与发电机相连的叶轮的水量；改变所述叶轮的旋转方向以使得水泵水轮机在抽水模式或产生动力模式下运行；紧接着速度在负荷衰减时的上升之后关闭所述流量控制器，该负荷衰减是在产生动力模式下或在紧急停止的情况下切断动力输出而造成的；使得所述流量控制器在速度上升的前半段转向开启；继续所述的开启动作直到速度几乎达到一峰值为止；在该峰值处使得开启动作停止；并关闭流量控制器。
16．如权利要求15所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于在负荷衰减时的第一次速度上升越过第一峰值转向速度下降后，正在关闭的流量控制器在第一次速度下降的前半段被暂时开启。
17．一种控制水泵水轮机的方法，包括以下步骤控制流经与发电机相连的叶轮的水量；改变所述叶轮的方向以使得水泵水轮机在抽水模式或产生动力模式下运行；紧接着速度在负荷衰减时的上升之后关闭所述流量控制器，该负荷衰减是在产生动力模式下或在紧急停止的情况下切断动力输出而造成的；使得所述流量控制器的关闭速度在速度上升的前半段逐渐下降；以使得所述流量控制器转向开启；继续所述的开启动作直到速度达到一峰值为止；使得所述开启动作逐渐减速；从而重新开始流量控制器的关闭动作。
18．一种控制水泵水轮机的方法，包括以下步骤控制流经与发电机相连的叶轮的水量；改变所述叶轮的方向以使得水泵水轮机在抽水模式或产生动力模式下运行；紧接着速度在负荷衰减时的上升之后关闭所述流量控制器，该负荷衰减是在产生动力模式下或在紧急停止的情况下切断动力输出而造成的；其中，在完全负荷衰减时的第一速度增加越过第一峰值而转变为第一速度下降后，正关闭着的所述流量控制器在第一速度下降的前半段暂时开启。
19．一种控制水泵水轮机的方法，包括以下步骤控制流经与发电机相连的叶轮的水量；改变所述叶轮的方向以使得水泵水轮机在抽水模式或产生动力模式下运行；紧接着速度在负荷衰减时的上升之后关闭所述流量控制器，该负荷衰减是在产生动力模式下或在紧急停止的情况下切断动力输出而造成的；在速度上升的前半段使得所述流量控制器转向开启；继续所述的开启动作直到速度达到一峰值为止；在该峰值处使得开启动作停止；并关闭流量控制器；其中，在一次完全负荷衰减或几乎完全负荷衰减时，所述第一峰值出现时刻与旋转速度返回到负荷衰减之前的初始速度和所述第一峰值之间的差值的三分之二的时刻之间的时间间隔是负荷衰减的时刻与第一速度峰值之间的时间间隔的1.5倍以上。
20．一种控制水泵水轮机的方法，包括以下步骤控制流经与发电机相连的叶轮的水量；改变所述叶轮的方向以使得水泵水轮机在抽水模式或产生动力模式下运行；紧接着速度在负荷衰减时的上升之后关闭所述流量控制器，该负荷衰减是在产生动力模式下或在紧急停止的情况下切断动力输出而造成的；使得所述流量控制器的关闭速度逐渐减速以使得所述流量控制器在速度上升的前半段转向开启；继续所述的开启动作直到速度达到一峰值为止；使得开启动作逐渐减速；并关闭流量控制器；其中，在一次完全负荷衰减或几乎完全负荷衰减时，所述第一峰值出现时刻与旋转速度返回到负荷衰减之前的初始速度和所述第一峰值之间的差值的三分之二的时刻之间的时间间隔是负荷衰减的时刻与第一速度峰值之间的时间间隔的1.5倍以上。
21．一种控制水泵水轮机的方法，包括以下步骤控制流经与发电机相连的叶轮的水量；改变所述叶轮的方向以使得水泵水轮机在抽水模式或产生动力模式下运行；紧接着速度在负荷衰减时的上升之后关闭所述流量控制器，该负荷衰减是在产生动力模式下或在紧急停止的情况下切断动力输出而造成的；在速度上升的前半段使得所述流量控制器转向开启；其中，在一次完全负荷衰减或几乎完全负荷衰减时，所述第一峰值出现时刻与旋转速度返回到负荷衰减之前的初始速度和所述第一峰值之间差值的三分之二的时刻之间的时间间隔是负荷衰减的时刻与第一速度峰值之间的时间间隔的1.5倍以上。
22．如权利要求15所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括使得所述正在关闭的流量控制器转向开启；在紧接着速度达到一峰值之后使得开启动作持续进行；使得所述开启动作停止；并重新开始流量控制器的关闭动作。
23．如权利要求15所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括使得所述流量控制器在负荷衰减后受到速度调节装置的控制；在负荷衰减后速度依然上升的同时，暂时调节或转换所述调节装置的设置使得所述的正在关闭的流量控制器转向开启。
24．如权利要求16所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括使得所述流量控制器在负荷衰减后受到速度调节装置的控制；在负荷衰减后速度依然上升的同时，暂时调节或转换所述调节装置的设置使得所述的正在关闭流量控制器转向开启。
25．如权利要求23所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括当负荷衰减时或给出一个紧急停止指令信号时，立即暂时增大所述调节装置的指令值。
26．如权利要求23所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括紧接着负荷衰减后的瞬时状态下的目标速度受到控制，并基本上高于稳定状态下的目标值。
27．如权利要求26所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括当速度在负荷衰减后立即上升时，进行修正使得目标速度上升；在速度下降开始后逐渐解除所述目标速度修正；并在稳定状态下完全解除所述修正控制。
28．如权利要求15所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括控制所述正在关闭的流量控制器平缓地开启，因而在所述流量控制器在紧接着负荷衰减后正在关闭的同时上升了的上游导流管水压可以保持在几乎同一值上，直到修正速度达到一峰值为止。
29．如权利要求20所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括控制所述正在关闭的流量控制器平缓地开启，因而在所述流量控制器在紧接着负荷衰减后正在关闭的同时上升了的上游导流管水压可以保持在几乎同一值上，直到修正速度达到一峰值为止。
30．如权利要求23所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于所述调节装置包括比例、积分、以及微分元件，并且所述比例和积分元件中至少一个的增益在速度当负荷衰减后上升的同时被暂时降低以将所述正在关闭的流量控制器转向开启。
31．如权利要求23所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于自动地转换所述调节装置设置，从而所述调节装置在正常负载工况下的响应速度、所述调节装置在空载稳定工况下的响应速度、以及所述调节装置在紧接于负荷衰减后的第一速度上升情况下的响应速度以上述顺序越来越小。
32．如权利要求23所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于当所述速度超过一高于额定速度的预定值时，所述调节装置的设置自动地从对应于负载工况的响应优先设置转换为稳定性优先设置。
33．如权利要求23所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于当所述流量控制器在负荷衰减后被关闭到一预定开启度时，所述调节装置设置自动地从一个暂时开启所述流量控制器的设置转换为一个对应于空载稳定工况的设置。
34．如权利要求23所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于当速度在负荷衰减后变得低于一预定值时，所述调节装置设置自动地从一个引出所述暂时开启动作的设置转换为一个对应于空载稳定工况的设置。
35．如权利要求31所述的控制水泵水轮机的方法，该方法还包括在负荷衰减或给出一个紧急停止指令信号之后，立即暂时增加叶轮的目标速度。
36．一种控制水泵水轮机的方法，包括以下步骤通过流量控制器控制流经与发电机相连的叶轮的水量；改变所述叶轮的方向以抽水或产生动力；当由发电机产生的动力在产生动力模式下被切断时，暂时开启流量控制器。
37．一种控制水泵水轮机的方法，包括以下步骤通过流量控制器控制流经与发电机相连的叶轮的水量；改变所述叶轮的方向以抽水或产生动力；当由发电机产生的动力在产生动力模式下被切断时，至少在叶轮速度达到速度下降率开始加速越过第一峰值处的一点之前，暂时开启流量控制器。
38．如权利要求36所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于执行所述流量控制器的暂时开启动作以便在负荷衰减后不会导致瞬时回流。
39．如权利要求37所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于执行所述流量控制器的暂时开启动作以便在负荷衰减后不会导致瞬时回流。
40．如权利要求36所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于所述流量控制器的所述暂时开启动作受到控制，从而叶轮速度下降的速率会小于负荷衰减后叶轮速度上升的速率。
41．如权利要求37所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于控制所述流量控制器的暂时开启动作以便在负荷衰减后不会导致瞬时回流。
42．如权利要求36所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于控制所述流量控制器的暂时开启动作以便当叶轮速度在负荷衰减时转向下降之后立即消除水泵水轮机的上游一侧内第二次水锤峰值。
43．如权利要求37所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于控制所述流量控制器的暂时开启动作以便在叶轮速度在负荷衰减时转向下降之后立即消除水泵水轮机的上游一侧内第二次水锤峰值。
44．如权利要求36所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于通过在负荷衰减后的瞬时状态下转换、改变、或修改所述水泵水轮机的旋转速度调节装置的传递函数，所述流量控制器得以暂时开启。
45．如权利要求37所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于通过在负荷衰减后的瞬时状态下转换、改变、或修改所述水泵水轮机的旋转速度调节装置的传递函数，所述流量控制器得以暂时开启。
46．如权利要求36所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于所述流量控制器的开启度上限通过一个独立限制器基本上得到限制，该限制器在负荷衰减后的一预定结构下被关闭。
47．如权利要求37所述的控制水泵水轮机的方法，其特征在于所述流量控制器的开启度上限通过一个独立限制器基本上得到限制，该限制器在加负荷后的一预定结构下被关闭。
全文摘要
本发明的目的是为了提供一种能够通过充分地减小S特性造成的影响而改进调节装置的稳定性的水泵水轮机。在含有与发电机相连的叶轮、用来控制流经叶轮的水量的流量控制装置、以及用于控制所述流量控制装置而将叶轮速度保持在一预定速度上的调节装置的水泵水轮机中,所述调节装置的运算器受到控制而在速度下降的前半段或在负荷衰减时的第一次速度上升转向负荷衰减时的速度下降之后较早的时候暂时开启所述的正在关闭的流量控制装置。
文档编号F16D33/08GK1312432SQ0013714
公开日2001年9月12日 申请日期2000年11月9日 优先权日1999年11月9日
发明者桑原尚夫, 片山庆, 中川博人, 萩原春树 申请人:株式会社日立制作所, 关西电力株式会社