用于将包括至少两个水力发电单元的水力发电厂耦合到电网的方法与流程

1.本发明涉及一种用于将水力发电厂（hydroelectric power plant）耦合到电网（包括在涡轮模式中启动和/或从泵转变到涡轮模式）的方法，特别是涉及包括至少两个水力发电单元的类型的水力发电厂，每个水力发电单元包括能够由水驱动旋转的转子。本发明还旨在提出一种以比现有技术方法更快的方式将这样的水力发电厂耦合到电网的方法。


背景技术：

2.为了确保电网稳定性和/或防止网络断电（blackout），必须实现电功率生产和电功率消耗之间的电网平衡。
3.水力发电厂具有经由包含在储存器（reservoir）中的水储备的电功率储备，其可以根据需要通过启动水力发电涡轮来提供，以便补偿电功率的消耗和/或生产的任何变化。
4.为此，用于提供这样的电功率储备的时间响应因此是关键因素，基于此，电力生产者可以期望或多或少有利的补偿（remuneration）。
5.现有技术的方法例如从ep3361088中已知，以便借助于第一控制回路和第二控制回路来启动涡轮，所述回路中的一个回路包括连接到电网的变频驱动器。
6.然而，变频驱动器是昂贵的装置。
7.此外，现有技术没有提供用来启动包括至少两个发电机的水力发电厂的任何解决方案。因此，本发明的目的是要提出一种以比已知的现有技术方法更快的方式将水力发电厂耦合到电网的方法，特别是将包括至少两个水力发电单元的类型的水力发电厂耦合到电网的方法。
8.而且，本发明的目的是要提出一种用于将水力发电厂耦合到电网的方法，特别是将包括至少两个水力发电单元的类型的水力发电厂到电网的方法，这不要求任何额外的投资。


技术实现要素：

9.上述目的至少部分地通过一种方法来实现，该方法用于将在涡轮模式中的水力发电厂耦合到电网，以便产生待注入到所述电网中的功率，所述水力发电厂包括至少第一水力发电单元和第二水力发电单元，所述第一水力发电单元和所述第二水力发电单元各自提供有：转轮，所述转轮机械地耦合到轴线并且机械地耦合到发电机；分配器，所述分配器包括用来控制到所述转轮的水流的导向叶片，所述水力发电厂还包括变频驱动器，所述方法在启动两个水力发电单元的旋转之后依次包括：-将第一水力发电单元的发电机连接到变频驱动器，并且然后连接到电网，从而将在涡轮模式中的第一水力发电单元耦合到电网；-然后将第二水力发电单元的发电机连接到变频驱动器，并且然后连接到电网。
10.如果水力发电厂具有多于2个水力发电单元，所述方法在上述步骤之后还包括：-将第三水力发电单元的发电机连接到变频驱动器，并且然后连接到电网；-并且然后将任何其他水力发电单元的发电机依次连接到变频驱动器，并且然后连接到电网。
11.上述方法或用于将在涡轮模式中的水力发电厂耦合到电网以便为所述电网生成或产生功率或将功率注入到所述电网中的方法的更特定实施例，所述水力发电厂包括至少第一水力发电单元和第二水力发电单元，所述第一水力发电单元和所述第二水力发电单元各自提供有：转轮，所述转轮机械地耦合到轴线并且机械地耦合到发电机；分配器，所述分配器包括用来控制到所述转轮的水流的导向叶片，所述水力发电厂还包括变频驱动器，所述方法按以下顺序至少包括：a）启动至少第一水力发电单元和第二水力发电单元两者的旋转；b）将所述第一水力发电单元的发电机连接到所述变频驱动器，并且稳定所述第一水力发电单元的速度；c）将所述第一水力发电单元的发电机连接到所述电网，并且将所述第一水力发电单元的发电机从所述变频驱动器断开；d）将所述第二水力发电单元的发电机连接到所述变频驱动器，并且稳定所述第二水力发电单元的速度；e）将所述第二水力发电单元的发电机连接到所述电网，并且将所述第二水力发电单元从所述变频驱动器断开。
12.上述方法中的任何方法或用于将在涡轮模式中的水力发电厂耦合到电网以便为所述电网生成或产生功率或将功率注入到所述电网中的方法的另一特定实施例，所述水力发电厂包括至少第一水力发电单元和第二水力发电单元，所述第一水力发电单元和第二水力发电单元各自提供有：转轮，所述转轮机械耦合到轴线并且机械地耦合到发电机；分配器，所述分配器包括用来控制到所述转轮的水流的导向叶片，所述水力发电厂还包括变频驱动器，所述方法至少包括：a）启动至少第一水力发电单元和第二水力发电单元两者的旋转；b）然后将第一水力发电单元的发电机连接到所述变频驱动器，并且稳定第一水力发电单元的速度；c）然后将所述第一水力发电单元的发电机连接到所述电网，并且将所述第一水力发电单元的发电机从所述变频驱动器断开；d）然后将第二水力发电单元的发电机连接到所述变频驱动器，并且稳定所述第二水力发电单元的速度；e）然后将所述第二水力发电单元的发电机连接到所述电网，并且将所述第二水力发电单元从所述变频驱动器断开。
13.在根据本发明的方法的上述实施例中的任何实施例中，步骤a）或启动两个水力发电单元的旋转的步骤可包括部分地打开第一水力发电单元和第二水力发电单元的分配器的导向叶片。
14.变频驱动器对于两个或所有水力发电单元是共用的。
15.在步骤c）之后或在将第一水力发电单元的发电机连接到电网的步骤之后和/或在步骤e）之后或在将第二水力发电单元的发电机连接到电网的步骤之后，第一水力发电单元
和/或第二水力发电单元的分配器的导向叶片可以被进一步打开。
16.在特定实施例中，在步骤a）的开始（或启动两个水力发电单元的旋转的开始）和步骤c）的开始（或第一水力发电单元的发电机到电网的连接步骤的开始）之间的时间跨度的一部分期间，第一水力发电单元的分配器的导向叶片比第二水力发电单元的分配器的导向叶片更加打开。
17.优选地，在将第一水力发电单元连接到电网之后的小于20s或25s将第二水力发电单元连接到变频驱动器。
18.本发明还涉及一种水力发电厂，所述水力发电厂包括至少第一水力发电单元和第二水力发电单元，所述第一水力发电单元和第二水力发电单元各自提供有机械耦合到轴线并且机械地耦合到发电机的转轮，并且包括分配器，所述分配器包括用来控制到所述转轮的水流的导向叶片，所述发电厂还包括变频驱动器和控制器，其用来将所述水力发电厂耦合到电网，以便实施例如如上所述的根据本发明的方法。
19.在根据本发明的方法中：-第一水力发电单元和/或第二水力发电单元或任何另外的水力发电单元的分配器的导向叶片的打开可通过第一控制回路控制；-和/或特别是在步骤b）和/或c）和/或d）和/或e）期间，或在将第一水力发电单元的发电机连接到变频驱动器并且然后连接到电网的步骤期间，和/或在将第二水力发电单元的发电机连接到变频驱动器并且然后连接到电网的步骤期间，可通过第二控制回路控制变频驱动器。
20.该水力发电厂可以包括至少第三水力发电单元，所述第三水力发电单元还提供有：转轮，所述转轮机械耦合到轴线并且机械地耦合到发电机；分配器，所述分配器包括导向叶片，其用来控制到所述第三水力发电单元的所述转轮的水流，所述方法进一步包括：a'）与所述第一水力发电单元和所述第二水力发电单元一起或同时启动所述第三水力发电单元的旋转；b'）在步骤e）之后（或在将第二水力发电单元的发电机连接到电网之后），将所述变频驱动器连接到第三水力发电单元的发电机并且连接到电网，并且稳定第三水力发电单元的速度；c'）然后将第三水力发电单元连接到电网，并且将第三水力发电单元的发电机从所述变频驱动器断开。
21.第三水力发电单元的分配器的导向叶片可以在步骤c'）之后进一步打开。
22.在步骤b'）期间，可以通过包括变频驱动器的第二控制回路来控制所述变频驱动器。
23.本发明还涉及一种水力发电厂，所述水力发电厂包括至少第一水力发电单元和第二水力发电单元，所述第一水力发电单元和第二水力发电单元各自提供有机械耦合到轴线并且机械地耦合到发电机的转轮，并且包括分配器，所述分配器包括导向叶片，其用来控制到所述转轮的水流，所述发电厂还包括变频驱动器和控制器。
24.可以配置所述控制器，并且可以使用所述水力发电厂来实施根据本发明的方法。
25.在根据本发明的水力发电厂或方法中，每个水力发电单元包括涡轮，所述涡轮可以是francis或kaplan或灯泡或pelton或可逆francis或泵涡轮类型。
26.按照根据本发明的方法或水力发电厂的特定实施例：-第一水力发电单元和/或第二水力发电单元通过第一连接部件和/或第二连接部件连接到变频驱动器；和/或：-所述第一水力发电单元和/或所述第二水力发电单元通过第三连接部件和/或第四连接部件连接到所述电网；和/或：-所述变频驱动器通过第五连接部件连接到电网。
27.在根据本发明的水力发电厂中，水力发电单元中的每个水力发电单元可包括：-第一控制回路，所述第一控制回路用来控制导向叶片的打开；-第二控制回路，所述第二控制回路用来控制为所述水力发电厂的所有水力发电单元共用的变频驱动器。
28.根据本发明的水力发电厂的实施例可以包括至少第三水力发电单元，所述第三水力发电单元还提供有：转轮，所述转轮机械耦合到轴线并且机械地耦合到发电机；分配器，所述分配器包括导向叶片，其用来控制到所述第三水力发电单元的所述转轮的水流，所述变频驱动器和所述控制器被配置成将所述水力发电厂耦合到电网，以便实施根据本发明的用于在涡轮模式中将水力发电厂耦合到电网的方法，所述水力发电厂包括至少第三水力发电单元。
29.本发明还涉及一种水力发电厂，所述水力发电厂包括多个水力发电单元，每个水力发电单元提供有机械耦合到轴线并且机械地耦合到发电机的转轮，并且包括分配器，所述分配器包括导向叶片，其用来控制到所述转轮的水流，所述发电厂还包括变频驱动器和控制器，涡轮中的每个还包括。-第一控制回路，所述第一控制回路用来控制导向叶片的打开；-第二控制回路，所述第二控制回路用来控制所述变频驱动器，所述变频驱动器为所述水力发电厂的所有水力发电单元共用。
30.可以配置所述控制器，并且可以使用所述水力发电厂来实施根据本发明的方法。
31.所述水力发电厂还可包括根据本发明的发电厂的上述特征。
32.本发明还涉及一种计算机程序，其包括用于实施例如如上所述的根据本发明的方法的指令。
33.本发明允许减少时间响应，该时间响应被定义为在接收用来向电网提供给定功率电平的命令与向电网提供该功率电平的时刻之间的时间。
附图说明
34.参照附图，其他特征和优点将在通过非限制性示例给出的根据本发明的用于将水力发电涡轮耦合到电网的方法的实施例的以下描述中显现，其中：-图1是包括一个水轮机的水力发电单元的示意表示；-图2是可结合本发明使用的变频驱动器的示意表示；-图3是在水力发电单元和电网络（电网）之间的变频驱动器的连接的示意表示；-图4是包括2个液压水力发电单元和相关联的变频驱动器和开关的水力发电厂的示意表示；-图5a-5c和图6a-6c图示根据本发明的用于将水力发电厂耦合到电网的方法的不
同步骤；-图7a和7b是根据本发明（图7a）和根据现有技术（图7b）的水力发电厂的启动顺序的时序图。
具体实施方式
35.图1中图示可用于本发明的框架中的水力发电单元（泵-涡轮）10的示例。所述水力发电单元可以在水力发电厂中实现，所述水力发电厂具有位于所述厂的上游的一个储存器和位于所述厂的下游的一个储存器。它可用作泵，以将水从所述厂的下游侧泵送到上游侧。备选地，它在涡轮模式中操作，以根据上游和下游储存器之间的水头差向电网产生电力。
36.水力发电单元10包括转轮2，分配器4，尾水管6和轴线8。蜗壳12将水流从连接到主入口阀14的管道13引导到压力管道（penstock）的下游的分配器。
37.经由轴线8，转轮2机械耦合到发电机的转子；当旋转时，转轮驱动转子在定子绕组内旋转。定子绕组本身经由电路断路器和变压器连接到电网。
38.分配器4包括导向叶片并且在关闭位置中是不透水的。
39.主入口阀14可以是例如球形阀或蝶形阀。两个阀都需要一定时间来被打开，例如30s，其可以包括5s到10s，以例如通过打开一个或多个旁通管17来平衡阀的上游侧和下游侧之间的压力。在该压力平衡之后，可以打开阀14。
40.如在ep3361088中所公开的，变频驱动器可以用来在涡轮机模式中辅助泵-涡轮10的启动模式。
41.电扭矩可以通过连接到电网和液压机器10的交流发电机的变频驱动器提供；它包括例如静态频率转换器，其可以是电压源逆变器或电流源逆变器。在图2上给出变频驱动器20的示例：它在这里是静态频率转换器，包括整流器和逆变器；所述静态频率转换器包括晶闸管的网络，其将来自电网的以固定频率（在这个示例中为50hz）的电流转换为以可变频率的电流；它形成以可变频率工作的控制的电扭矩提供器。
42.如从图3中可以理解的，静态频率转换器20可以连接到涡轮的发电机并且可以通过第一连接部件或开关26以固定频率（在这个示例中为50hz）连接到电网。涡轮的发电机也可以通过第二连接部件或开关28（或发电机电路断路器）连接到电网。第三开关29具有与开关32和34（图4）相同的功能，所述开关32和34用来将每个水力发电单元连接到变频驱动器20/从变频驱动器20断开。
43.在包括2个（或更多个）水力发电单元10、100（图4）的水力发电厂中，单个共用变频驱动器20可用于两个（或所有）发电机，每个发电机例如通过对应的连接部件或开关32，34（所谓的起动隔离开关）连接到变频驱动器20，并通过两个其他连接部件或开关42，44（所谓的发电机电路断路器）和两个变压器43，45连接到电网。变频驱动器20本身可以通过连接部件或开关46连接到电网。每个连接部件或开关可以包括一个或多个igbt（绝缘栅双极晶体管）。结合图1描述水力发电单元10的示例；水力发电单元100（以及在所述厂具有多于2个水力发电单元时的任何另外的水力发电单元）与水力发电单元10相同。
44.水力发电单元10和/或100的转速通过第一控制回路21和/或121来控制，所述第一控制回路21和/或121基于目标速度n10_sp和/或n100_sp和对应的机器的转速n10和/或n100之间的差来控制所述对应的机器的导向叶片定向。转速可以利用速度传感器测量，例
如使用与齿轮相反放置的感应传感器来测量；备选地，速度测量可以通过转换从频率信号（所述信号从主发电机的电压变压器的次级取得）而获得。所述第一控制回路21和/或121包括导向叶片控制器22和/或122和导向叶片致动器24和/或124，其为水力发电单元10和/或100的导向叶片提供导向叶片定向10和/或100。所述第一控制回路21和/或121提供粗调整。如果所述厂具有多于2个水力发电单元，则任何另外的水力发电单元也具有类似于控制回路21或121的第一控制回路。
45.第二控制回路23，123通过变频驱动器控制器36（其为两个回路23，123共用）来控制变频驱动器20的电扭矩。这个第二控制回路的输入是测量转速n10，n100与目标转速n10_sp和n100_sp之间的差。所述第二控制回路23和/或123提供精调整。
46.控制回路21，121，23，123将不在图5a-6c上示出，而是包括在图5a-6c上表示的水力发电厂中。
47.现在描述根据本发明的方法的示例，特别是用于将水力发电厂如上所述的那样耦合到电网的方法的示例。
48.在这个示例中，这个方法用于将水力发电厂或水力发电厂的两个水力发电单元10，100中的每个耦合到电网，使得发电厂在最短的可能时间中产生最大功率。
49.每个水力发电单元10，100在涡轮模式中被驱动为旋转，其中水从上游储存器流到下游储存器。优选地，两个水力发电单元10，100同时被驱动为旋转。每个涡轮的导向叶片由第一控制回路21，121中的每个控制回路控制，并且部分地打开，并且每个涡轮的速度逐渐增加。
50.借助于变频驱动器20（通过第二控制回路23）稳定第一水力发电单元10的速度，使得第一水力发电单元可以直接连接到电网。换言之，第一水力发电单元的速度变得等于以电网的频率（例如50hz）产生功率所要求的速度。
51.然后，借助于变频驱动器20（通过第二控制回路123）稳定第二水力发电单元100的速度，使得第二水力发电单元可以直接连接到电网。换言之，第二水力发电单元的速度变得等于以电网的频率（例如50hz）产生功率所要求的速度。
52.发明人已注意到，将第一水力发电单元直接连接到电网造成第二水力发电单元100（如上所述，第二水力发电单元100被驱动为与第一水力发电单元同时旋转）的速度的扰动。为此，在第一水力发电单元连接到电网之后，第二水力发电单元的速度由变频驱动器尽可能快地稳定。
53.现在结合图5a-5c和图6a-6c更详细地阐述这个示例的不同步骤。
54.两个水力发电单元10，100被同时驱动为旋转，它们中的每个的导向叶片通过控制回路21和/或121控制。
55.如图5a上所图示，连接部件32，34中的一个（例如32）首先在导通状态下接通，以便将对应的水力发电单元10连接到变频驱动器20，所述变频驱动器20本身通过连接部件46连接到电网。因此，当水力发电单元10的速度超过耦合范围的上限时，变频驱动器20可以降低水力发电单元10的转速（通过回路23）。当其速度已经达到对应于电网频率的规定速度目标时，连接部件42可以在导通状态下接通，从而将水力发电单元10连接到电网（图5b）。然后可以断开连接部件32和46（图5c）。必须注意的是，在接通连接部件42之后，第一水力发电单元10的导向叶片（如同第二水力发电单元100的那些导向叶片）仅部分打开，并且然后逐渐打
开，直到由水力发电单元10产生的功率处于所预期水平（或设定点），例如处于最大功率。
56.然后可以接通连接部件34，以便将对应的水力发电单元100连接到变频驱动器20，所述变频驱动器20本身通过连接部件46连接到电网（图6a）。必须注意的是，断开连接部件32和接通连接部件34可能花费一些时间，例如在10s和20s之间，例如16s。变频驱动器20在水力发电单元100的速度超过耦合范围的上限时降低水力发电单元100的转速（通过回路123）。当所述速度已经达到对应于电网频率的规定速度目标时，连接部件44可以在导通状态下接通，从而将水力发电单元100连接到电网（图6b）。然后可以断开连接部件34和46（图6c）。必须注意的是，在接通连接装置44之后，第二水力发电单元100的导向叶片仅部分打开，并且逐渐打开直到由发电机100产生的功率是最大的。
57.如上已所述，接通用于将第一水力发电单元10连接到电网的连接部件42（图5b）造成第二水力发电单元100的速度的扰动。为此，在连接部件42接通以将水力发电单元10连接到电网之后，尽可能快地将连接部件32断开并且将连接部件34接通。由于切换时间，第二水力发电单元100仅在10s到20s之后耦合到变频驱动器20。
58.图7a是示出当实施根据本发明的方法时第一水力发电单元10和第二水力发电单元100的若干参数的简图：-s1和/或s2表示第一水力发电单元和/或第二水力发电单元的速度；-gv1和/或gv2是第一水力发电单元和/或第二水力发电单元的导向轮叶的打开；-p1和/或p2是由第一水力发电单元和/或第二水力发电单元产生的功率。
59.在接收到启动命令之后，两个水力发电单元在相同的时间t1被驱动为旋转，两个水力发电单元的导向叶片如由曲线gv1和gv2所图示的那样快速地部分打开。两个水力发电单元的速度因此从t1增加。在接收到启动命令之后例如一些秒（在图7a的示例中：在大约20s）将第一水力发电单元耦合到变频驱动器允许速度的早期稳定和第一水力发电单元到电网的早期耦合（图7a上的大约37s处的《u1耦合》）。
60.如从这个简图可以理解的，根据特定实施例，在t1之后不久，在t1（两个涡轮的启动）和第一水力发电单元到电网的连接（“u1耦合”）之间，或者在启动两个水力发电单元的旋转之后不久，gv1可以比gv2更加打开。第一水力发电单元的导向叶片的这种动态打开可以干扰其速度，变频驱动器20在其耦合期间吸收液压波动。备选地，有可能具有gv1和gv2两者的相同打开。
61.第一水力发电单元产生通过变频驱动器20注入到电网的功率p1。备选地，所述第一水力发电单元吸收来自电网的功率。在两种情况下，在水力发电涡轮耦合到电网（《u1耦合》）之后，由第一水力发电单元产生的功率与导向叶片gv1的进一步打开一起增加。
62.如在图7a上可以看到的，第一发电机到电网的负载斜变上升造成用于两个机器的压力下降，并且特别是造成第二水力发电单元的速度s2的扰动：曲线s2示出在《u1耦合》之后不久的倾角（dip）d。然而，在第二水力发电单元耦合到变频驱动器20之后（在图7a的示例中：在大约53秒），s2是稳定的，这然后允许所述第二水力发电单元耦合到电网（《u2连接》）。第二水力发电单元产生通过变频驱动器注入到电网的功率p2。备选地，所述第二水力发电单元吸收来自电网的功率。在两种情况下，在第二水力发电单元耦合到电网之后，由第二水力发电单元产生的功率与导向叶片gv2的进一步打开一起增加。
63.由两个水力发电单元一起产生的总功率总计为p1＋p2。在t1之后的大约60s产生
全功率，其中p1＋p2接近其最大值。
64.图7b是示出在没有变频驱动器的情况下，当实施根据现有技术的启动方法时，第一水力发电单元10和第二水力发电单元100的相同参数s1，s2，gv1，gv2，p1和p2的简图。
65.由于缺少变频驱动器，第一水力发电单元涡轮10的导向叶片gv1的初始打开小于在图7a上的打开。
66.第一水力发电单元10的耦合（《u1耦合》）也晚于在图7a上的耦合。
67.如同在图7a上，第一水力发电单元到电网的耦合造成第二水力发电单元的速度s2的扰动。然而，由于缺少变频驱动器，s2比在图7a上的s2更晚稳定，并且第二水力发电单元到电网的耦合（《u2耦合》）也更晚发生（在大约80s）。
68.在上述示例中，所述厂系统包括两个水力发电单元。然而，本发明也适用于包括例如连接到共用变频驱动器的3或4个水力发电单元的厂。第三（和/或第四）水力发电单元可以与第一和第二水力发电单元（以及可能的第三水力发电单元）同时启动，但是在第二（和/或第三）水力发电单元连接到电网（图5a上的《u2耦合》）之后并且在第三水力发电单元（和/或第四水力发电单元）的导向叶片处于进一步打开的过程中的同时，第三（和/或第四）水力发电单元将连接到变频驱动器。换言之，上面关于第一水力发电单元对于第二发电机所述的相同步骤序列可以关于第二水力发电单元（和/或这个第三水力发电单元）应用到第三（和/或第四）水力发电单元等。
69.图4的系统并且特别是变频驱动器20、连接部件的接通/断开、主入口阀（图1，附图标记14）的打开和关闭以及两个水力发电单元的导向叶片的打开和关闭由一个或多个处理器或计算机16控制，或由计算机系统控制，其被配置或编程，以便特别是按顺序实施根据本发明的方法：-最初启动两个水力发电单元10，100，并且增加它们的速度；-将变频驱动器20连接到第一水力发电单元10，以便稳定第一水力发电单元10的速度；-将第一水力发电单元连接到所述电网；-将变频驱动器20连接到第二水力发电单元100，以便稳定第二水力发电单元100的速度；-将第二水力发电单元连接到所述电网。
70.例如，所述（一个或多个）处理器或计算机16或所述计算机系统实施包括用于实施根据本发明的方法的指令的计算机程序。
71.在特定实施例中，实施根据本发明的方法的计算机系统包括监督一个或多个控制器的中央控制系统，所述控制器中的每个控制器控制包括两个或更多个水力发电单元的水力发电厂的部分。
72.本发明提出一种用于比已知的现有技术方法更快的方式将水利发电厂耦合到电网的方法，所述厂包括2个或更多个水力发电单元。这减少用来将所述水力发电厂连接到电网的时间。