(57)【要約】  本発明は、水力発電所の一次調整の方法に関連し、二重調整タービンと、少なくとも１つの第１作動装置と、少なくとも１つの第２作動装置とを備え、ネットワーク周波数の目標値を達成するために、第１および第２作動装置は、タービン出力に影響するために、発生した電力を受信する電気ネットワークのネットワーク周波数の実際の値に応じて再設定される。本発明は、第１作動装置が所定の作動ステップのみで作動し、かつネットワーク周波数の目標値への調整が第２作動装置をリセットすることによって行われることを特徴とする。
2014532140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力発電所（１）の一次調整の方法であって、
二重制御タービン（４）と、
少なくとも１つの第１作動装置（タービンブレード６）と、
少なくとも１つの第２作動装置（ガイドブレード７）と、
を備え、
ネットワーク周波数の目標値を達成するために、発生した電力を受容する電気ネットワーク（２１）の前記ネットワーク周波数の実際の値（Ａ）に応じて、タービン電力に影響を与えるように、前記第１および第２作動装置（６，７）が調整される、方法において、
前記第１作動装置（６）が定められた所定の作動ステップのみで移動し、かつその後
前記第２作動装置（７）を調整することにより前記ネットワーク周波数の前記目標値への調整が行われることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記第１作動装置（６）の前記作動ステップが、前記第１作動装置の作動経路全体の少なくとも０．５％、好ましくは、０．５％から５％の間の値で予め定められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記作動ステップが前記タービン（４）の現在の動作点に応じて予め定められることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１作動装置（６）の２以上の作動ステップが必要となる場合に、前記定められた作動ステップの事前決定が停止され、かつ前記第１作動装置（６）の新しい位置に１つのパスで到達することを特徴とする、請求項１，２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１および第２作動装置の前記調整のための入力量（Ｂ）として使用される前に、前記ネットワーク周波数の前記実際の値（Ａ）が電子フィルターによってフィルター処理されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記電子フィルターがスライディング不感帯を有する不感帯フィルターとして構成されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記不感帯フィルターの入力信号の勾配および振幅変化が測定され、所定の制限値より大きい勾配および所定の制限値より大きい振幅変化がある場合に、前記不感帯フィルターが一時的に停止することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記不感帯フィルターが停止している限り、前記電子フィルターによるノイズ抑制が継続することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１作動装置としてのデフレクターと、第２作動装置としてのノズル弁とを有するペルトンタービンがタービンとして使用されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１作動装置としてのタービンブレード（６）と、第２作動装置としてのガイド装置のガイドブレード（７）とを有するカプランタービン（４）がタービンとして使用されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１作動装置（６）が所定の作動ステップで移動する限り、前記タービンブレード（６）および前記ガイドブレード（７）の間の最適な相関関係が停止していることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブルにより詳しく定められたタイプの水力発電所の一次調整の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電所は、一般的技術水準から公知である。それらは、いわゆる源流(headwater)といわゆる下流側（tailwater）の間の高低差を利用して、源流から下流側へ流れる水をタービンに導く。高低差を起因とする圧力差は、タービン領域で力学的エネルギーに変換される。そしてタービンは、発電機を駆動し、発電機は、電気の消費者に電力を提供するために力学的エネルギーを電力に変換する。水力発電所は、水力発電所の領域で生成された電力が電力供給ネットワークへ提供されるように通常用いられる。実際は、電力供給ネットワークは、通常所定のネットワーク周波数を有している。ネットワークの機能性を確実にするために、このネットワーク周波数を特定の、所定の範囲内に維持することが重要である。この目的のために、供給された電力は、安定したネットワーク周波数のサポートに寄与するように調整される。発電所工学においては、これは一次調整(primary adjustment)または一次制御(primary control)として知られている。
【０００３】
水力発電所領域における一次調整は、ネットワーク周波数の目標値を達成するために、タービン電力に影響を与えるネットワーク周波数の実際の値に応じて、作動装置がタービンにおける電力に影響を与えて調整されるように、通常行われる。この手順は、一般技術水準から公知である。タービンに配置された一次調整の要求を満たすために、タービンには、比較的多数の単位時間当たりの作動動作によって調整可能なそれぞれの作動装置が必要である。
【０００４】
水力タービンの領域における作動装置の利用は、いわゆる二重制御タービンにおいて特に効率的かつ正確である。このようなタービンは、ペルトンタービン、または自由噴流タービンとすることができ、一方で電力に影響を与えるために自由噴流をタービンへ少なくとも部分的にそらすいわゆるデフレクターが作動装置として存在し、他方で第２作動装置としてノズル弁が存在し、それぞれ自由噴流中の流れ断面に影響を与える。二重制御タービンのさらなる、非常に一般的な例は、特にカプランタービンであり、それは第１作動装置として調整可能なタービンブレードまたは羽根を備え、かつ第２作動装置としてガイドブレードを有するガイド装置を通常備える。タービンブレードおよびガイドブレードの作動動作は、いわゆる「最適な相関関係」によって通常連結されている。これは、カプランタービンの最適な効率が達成されるように互いに対する２つの作動装置が常に設定できることを確実にする。したがっていわゆる最適な相関関係は、第１および第２作動装置の作動動作の効率が最適化された強制結合を表す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、水力発電所における一次調整のために二重制御タービンを用いて、高い制御精度下における軸受および設備の機械的な作動装置の高い運転寿命を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１に特徴部分に記載された特徴によって本発明により達成される。本発明による方法のさらなる好都合な実施形態は、それに従属する請求項によって提供される。
【０００７】
本発明による方法は、第１作動装置が所定の作動ステップにおいてのみ移動し、かつネットワーク周波数の目標値への調整は、第２作動装置の調整によって起こるということを提供する。
【０００８】
本発明は特に、第１作動装置が所定のステップ幅においてのみ移動するという事実に基づく。好ましいさらなる発展形によると、これらのステップ幅は、第１作動装置の全作動経路の０．２５％より大きく、好ましくは、全作動経路の０．５％および５％の間である。比較的大きい所定のステップによる第１作動装置のこのような調整は、タービンの設定電力に基づいたネットワーク周波数の目標値を理想的に設定するために、次の第２作動装置の制御または調整が必要となる。カプランタービンに関する場合、構成は、最初に記載されたいわゆる最適な相関関係をキャンセルする。結果として、本発明による方法は、したがって効率に関して最低限の損失を伴う場合がある。しかし、本発明による方法は、より大きな作動経路がさらに設けられる少なくとも第１作動装置においてより少ない作動動作につながる。作動動作数の減少は、軸受および機械的な作動装置における大幅な軽減に既につながるため、この場合はより長い運転寿命を、または同じ運転寿命の場合は第１作動装置の著しく単純かつ格安な軸受概念を達成することができる。さらに、個々の作動動作は、より大きくなる。結果として、滑り軸受が使用される場合、潤滑油の注入、または流体潤滑フィルムを確立するための可能性が著しく改善される。これはまた、全く同一の軸受構成の場合に運転寿命において好ましい効果を有し、またはそれ自体が決定される運転寿命内を有する軸受の考え得る簡素化において好ましい効果を有する。
【０００９】
平均効率損失が０．１％未満の場合、テストに関して１０〜２０分の１の第１作動装置の作動動作の低減が達成される。シミュレーションおよび測定において事実上０％の効率損失もたびたび達成される個々の場合において、最小限の効率の増加すら検出することに成功した。したがってこの構成により、より高い運転寿命を達成することができ、または既に述べたように、同じ運転寿命と組み合わせて軸受の大幅な簡素化を達成することができる。これは、構造上の成果、全体空間、重量および費用に関する利点を提供する。
【００１０】
本発明による方法の特に適切、かつ好都合なさらなる発展形が提供され、タービンまたはタービンおよび発電機からなる機械セットの現在の動作点に応じて作動ステップが予め決定される。タービンの動作点に応じた作動ステップの大きさのこの変化により、最小数の作動動作との組み合わせで非常に高い制御の質が可能となる。
【００１１】
本発明の方法によるさらに非常に適切、かつ好都合な実施形態がさらに提供され、第１作動装置が２つ以上の作動ステップを必要とする場合、定められた作動ステップを予め決定する工程が省略され、第１作動装置の新しい位置に１つのステップで到達する。第１作動装置の予期された作動動作が現在適用できるステップ幅より大きい特別な場合、本発明による方法は、本発明による方法をキャンセルする。これは、カプランタービンの前述の例に関して、第１作動装置が１パス、つまり１つの単一の動きで全体の所望の作動幅を通過するように、いわゆる最適な相関関係が復活していることを意味する。予期された作動動作が作動ステップより小さい、または等しい場合、本発明による方法は、再適用される。本発明による方法は、複数の小さい作動ステップを回避し、かつ低減するために作動幅により定められた値を予め決定することにより特別な利点を提供する。より大きい所望の第１作動装置の変位経路が生じる場合、いくつかの直接連続する作動ステップを防ぐために、かつ１つの単一パスでの所望の作動値をカバーするために、本発明による方法が停止されることが特に効率的、かつ好都合であることがある。
【００１２】
本発明による方法の好都合な実施形態において、ネットワーク周波数の実際の値が、第１および第２作動装置の調整または移動のための入力量として使用される前に電子フィルターでフィルターをかけることがさらに提供される。ネットワーク周波数の信号ノイズを最小にするために、このような電子フィルターは、好都合に使用することができる。第１作動装置のみを所定の作動ステップで移動するための本発明によるアイディアの組み合わせにおいて、必要な作動動作の数は、このように一次調整の質を損なうことなくさらに最小化される。
【００１３】
本発明による方法のこの実施形態の特に適切なさらなる発展形において、電子フィルターがスライディング不感帯を有する不感帯フィルターとして配置されることをさらに提供することができる。スライディング不感帯が実際の信号の平均値にスライドして従い、かつその周りのノイズを不感帯によってフィルターで除去するため、スライディング不感帯を有するこのような不感帯フィルターにより、特にノイズの非常に効率的なフィルタリングか可能となる。これにより必要な作動動作における特に効率的な最小化が可能となる。
【００１４】
非常に適切、かつ好都合な実施形態において、不感帯フィルターの入力信号の勾配および振幅変化が決定されることがさらに提供され、所定の制限値より大きな勾配、および所定の制限値よりも大きな振幅変化において不感帯フィルターは一時的に停止する。方法のこの追加的なトリックの結果として、スライディング不感帯を有する不感帯フィルターのさらなる最適化が達成される。非常に高い勾配の入力信号を伴う信号の非常に強い変化が現れるとすぐに、非常に強い動的変化への速い応答を可能にするために、不感帯フィルタリングが一時的に停止する。スライディング不感帯が常に一定の遅延を伴うため、ネットワーク周波数の急上昇または急降下に対する速い反応が懸念される場合に、本発明によるこの実施形態は非常に好都合である。
【００１５】
特に好都合なさらなる発展形において、不感帯フィルターが停止される限り、電子フィルタリングによるノイズ抑制がなおも起こることがさらに提供される。したがって、不感帯フィルターが停止されている場合でも（例えば積分によって）、これらの状況においても速く、確実かつ正確な制御を保証するために信号のノイズが抑制されるように、最適化された不感帯フィルターの電子フィルタリングを配置することができる。
【００１６】
本発明による方法のさらに好都合な実施形態は、残りの従属請求項によってさらに提供される。それらはまた、図面を参照することによってより詳細に以下に説明される実施形態から説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に関連する水力発電所の部分の主要な図を示す。
【図２】ネットワーク周波数の測定曲線および制御入力量としてフィルターから生成されたフィルター処理された実際の値を示す。
【００１８】
図１の図は、本発明に関連し、全体は図示していない水力発電所１の部分を示す。図示された部分の主要部は、発電機３およびカプランタービン４を備える機械セット２によって形成される。それらは、図示された実施形態において重力と平行に配置された共通のシャフト５を介して接続される。カプランタービン４はそれ自体、羽根としても知られるいわゆるタービンブレード６を備える。例えば二方向矢印によってタービンブレード６の１つに基づいて示されるように、これらのタービンブレード６は調整可能に配置される。これらは、二重制御タービン４のようにその全体が配置されたカプランタービン４の第１作動装置を形成する。第２作動装置は、カプランタービン４への水の供給に影響を与えるガイド装置のガイドブレード７によって形成される。したがってそれらは、いわゆる圧力パイプを通り水力発電所１の源流かららせん９を通りカプランタービン４へ流れる水の量に影響を与える。一旦タービン４を通過すると、水は、いわゆるドラフト管１０を通り下流側へ流れる。
【００１９】
源流および下流側の間での水の落下によって水の圧力差が発生し、カプランタービン４を駆動する。そして発電機３は、共通のシャフト５によって駆動され、電力を提供する。この電力が示された電子システム１１を介して電気供給ネットワーク１２に届き、供給ネットワークは、図１では一例としてアンテナ塔として示されている。
【００２０】
電気供給ネットワーク１２領域における十分なネットワークの安定性を保証するために、電気供給ネットワーク１２においてネットワーク周波数を比較的狭い制限内に一定に保つことが重要である。ヨーロッパの典型的なネットワーク周波数は、約５０Ｈｚであり、アメリカでは約６０Ｈｚである。水力発電所１は、いわゆる一次調整によってネットワーク周波数の恒常性をサポートする。これは、電気のネットワーク１２への発電機３の電力供給がネットワーク周波数に基づいて調整されることを意味する。この目的のために、二重制御タービン４またはそれぞれの２つの作動装置、つまり第１作動装置としてのタービンブレード６、および第２作動装置としてのタービンブレード７がそれに応じてトリガーされる。
【００２１】
いわゆる最適な相関関係は、二重制御タービン４の効率を最適化するために第２作動装置としてのガイドブレード７の作動動作および第１作動装置としてのタービンブレード６の間に適用されるということが、最先端の技術による一次調整に関する事実である。これは、互いに対して最適な相関関係で作動動作が常に行われることを意味する。タービン４の効率は、このように最適化することができる。典型的なネットワーク周波数において非常に急速な変動が発生し、かつノイズがさらに発生する場合があるため、ネットワーク周波数による二重制御タービン４のトリガーは、非常に多数の作動動作につながる。図２に示されるような、Ａで示される線に基づく時間ｔに対する周波数曲線ｆにおいて、ここに示されたカプランタービン４の例に基づくと１時間の運転においてタービンブレード６またはガイドブレード７のトリガーにおいて約２５００〜３０００の変化が表れた。したがってタービンブレード６およびガイドブレード７の軸受は、部分的に非常に短い移動経路のみを有する、比較的多数の作動動作に耐えるように設計されなければならない。これは、軸受を比較的大きく、複雑、かつ高価にする。
【００２２】
本発明による方法は、必要な作動動作の数に関する。より単純かつ格安な軸受と同程度の運転寿命、または同程度の軸受より長い運転寿命を達成するために、これらの動作を低減することが目標である。これは、第１作動装置としてのタービンブレード６の調整が、所定の作動ステップによってのみ起こるというような方法で達成される。制御の質は、ガイドブレード７を介して維持することができる。軸受は、回転カプランタービン４の領域より単純かつより効率的な方法で固定ガイド装置に配置することができるため、この場合ほとんど問題ない。第１作動装置の所定の作動ステップは、かなり大きく、好ましくはタービンブレード６の１つの停止および他の停止の間の考え得る全調整経路の０．５％〜５％の大きさで予め定められる。必要なタービンブレード６の数は、この事前決定および第１作動装置がステップで単に移動する必要性により低減される。ガイド装置のガイドブレード７は、ネットワーク周波数の目標値に調整する。
【００２３】
したがって作動動作、特にタービンブレード６の数は、低減される。同時に、移動経路は、各個々の作動動作内において増加する。より長い移動経路の結果として、通常すべり軸受として配置された軸受の改善した流体潤滑フィルムの可能性につながる。作動動作の数の減少に加えて、これは、基本的に軸受の改善に寄与する。この方法においては、同程度に配置された軸受に比べより高い運転寿命を達成することができる、または軸受を明らかに単純な方法で配置することができ、したがってより安価、かつよりコンパクトにすることができる。
【００２４】
ノイズを抑え、それによりカプランタービン４領域における必要な作動動作の最小化を生成するために、ネットワーク周波数の実際の値は、電子フィルターによりフィルターがかけられるということが加えて提供される。この目的のために、実際の信号のノイズを単に低減する単純なＰＴ１フィルターを使用することができる。例えば周波数信号の高調波として生じるそれぞれの周波数を完全にフィルターする不感帯フィルターを好ましく使用することができる。いわゆるスライディング不感帯を有して動作する不感帯フィルターが特に理想的である。これは、不感帯フィルターが入力信号の平均値にスライドして従うことを意味する。急速な上昇または低下が最適化された不感帯フィルターで発生した場合に、このようなスライディング不感帯フィルターでの唯一の問題が発生する。したがって、スライディング不感帯を有する最適化された不感帯フィルターにおけるこのような状況に対して、非常に急で、かつ非常に大きい、入力信号における上昇または低下が発生する場合、不感帯フィルターを一時的に無効化させることができる。この目的のために入力信号の勾配および振幅変化を監視することができる。それらが所定の制限値よりも変化する場合、不感帯フィルターは、一時的に停止し、かつ勾配および振幅変化が減少した後でのみ再度作動される。不感帯フィルターが停止したこの状況においてもノイズ抑制を得るために、ＰＴ１フィルター部材によって、または特に不感帯フィルターが停止している場合に積分によって、このノイズ抑制が生じるように電子フィルターを配置することができる。
【００２５】
スライディング不感帯を有するこのような不感帯フィルター、および入力信号の急速かつ大きい変化がある場合に不感帯を停止するための機能ブロックに関しては、最適化された不感帯フィルターとして以下に参照される。
【００２６】
このような最適化された不感帯フィルターが使用される場合、ラインＢによって示されるフィルター処理された値がネットワーク周波数の実際の値Ａから得られる。最適化された不感帯フィルターは、出力信号、すなわちフィルター処理された値Ｂが、入力信号、すなわちネットワーク周波数の実際の値に、より速い方法で、それによりほとんど減衰がない、つまりより正確な方法で従うことを確実にする。このフィルター処理された値Ｂは、タービンブレード６およびガイドブレード７をトリガーする入力量Ｂとして使用することができる。結果として、このようにカプランタービン４の２つの作動装置の最適化されたトリガーが達成される。前述の例、信号ノイズを単に抑制する非常に単純なＰＴ１フィルターも所定の作動ステップでタービンブレード６を調整する本発明によるアイディアと組み合わせて用いる場合も、２０分の１まで、例えば３０００〜約１５０の作動動作へのタービンブレード６における作動動作の低減を達成することが可能である。ガイドブレード７の作動動作は、約３分の１、約２５００〜約８００の作動動作に低減される。一方、最適化された不感帯フィルターが使用される場合、タービンブレード６の作動動作数のさらなる低減が可能となる、つまり、ガイドブレード７の作動動作は、さらに１．５〜２．５分の１に低減することができる。要約すると、最適化された不感帯フィルターとの組み合わせの記載された方法は、タービンブレード６の作動動作の２０分の１以上の低減、およびガイドブレード７の作動動作の当初必要な作動動作の１／６未満の低減を提供する。このように一次調整は、関連する品質損失の対象ではない。本発明による方法を適用するためにガイドブレード７およびタービンブレード６の作動動作の間の最適な相関関係を放棄する必要があるため、通常は明らかに０．１％より下ではあるが平均効率の最低限の減少がみられる。伸びた運転寿命および軸受の費用の低減、および得られた節約の結果として、この利点は、一般的に不利益を上回るだろう。
【００２７】
本発明による方法の利用中に実際の周波数において急上昇が発生する場合、−作動ステップの所定の大きさに応じて−直接連続する方法で実行される必要があるいくつかの作動ステップが主として必要となる場合がある。２以上の作動ステップの移動経路を有する動作が予期される場合、本発明による方法は、短時間停止することができる。カプランタービン４の例においては、最適な相関関係が再度一時的に作られ、かつガイドブレード７およびタービンブレード６は、この相関関係による制御によって所定の端点まで進む。作動動作を低減するための方法は、再度動作を開始する。このように、より大きな作動動作の場合に、それらがいくつかの個々のステップで実行されることを防ぐ。この場合、そうでなければ１つのパスで実行される移動がこのように中断されなければならないため、軸受に関して、および特に流体潤滑フィルムに関しては、好都合というよりも不都合である。比較的まれにしか発生しないこれらの特別な場合を説明した方法の停止は、したがって有用であり、かつさらに軸受の軽減をサポートすることができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  水力発電所
４  二重制御タービン
５  シャフト
６  タービンブレード（第１作動装置）
７  ガイドブレード（第２作動装置）
２１  電気ネットワーク
【図１】
2014532140.tif 000003
【図２】
2014532140.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成26年4月22日(2014.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブルにより詳しく定められたタイプの水力発電所の一次調整の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水力発電所は、一般的技術水準から公知である。それらは、いわゆる源流(headwater)といわゆる下流側（tailwater）の間の高低差を利用して、源流から下流側へ流れる水をタービンに導く。高低差を起因とする圧力差は、タービン領域で力学的エネルギーに変換される。そしてタービンは、発電機を駆動し、発電機は、電気の消費者に電力を提供するために力学的エネルギーを電力に変換する。水力発電所は、水力発電所の領域で生成された電力が電力供給ネットワークへ提供されるように通常用いられる。実際は、電力供給ネットワークは、通常所定のネットワーク周波数を有している。ネットワークの機能性を確実にするために、このネットワーク周波数を特定の、所定の範囲内に維持することが重要である。この目的のために、供給された電力は、安定したネットワーク周波数のサポートに寄与するように調整される。発電所工学においては、これは一次調整(primary adjustment)または一次制御(primary control)として知られている。
【０００３】
水力発電所領域における一次調整は、ネットワーク周波数の目標値を達成するために、タービン電力に影響を与えるネットワーク周波数の実際の値に応じて、作動装置がタービンにおける電力に影響を与えて調整されるように、通常行われる。この手順は、一般技術水準から公知である。タービンに配置された一次調整の要求を満たすために、タービンには、比較的多数の単位時間当たりの作動動作によって調整可能なそれぞれの作動装置が必要である。
【０００４】
水力タービンの領域における作動装置の利用は、いわゆる二重制御タービンにおいて特に効率的かつ正確である。このようなタービンは、ペルトンタービン、または自由噴流タービンとすることができ、一方で電力に影響を与えるために自由噴流をタービンへ少なくとも部分的にそらすいわゆるデフレクターが作動装置として存在し、他方で第２作動装置としてノズル弁が存在し、それぞれ自由噴流中の流れ断面に影響を与える。二重制御タービンのさらなる、非常に一般的な例は、特にカプランタービンであり、それは第１作動装置として調整可能なタービンブレードまたは羽根を備え、かつ第２作動装置としてガイドブレードを有するガイド装置を通常備える。タービンブレードおよびガイドブレードの作動動作は、いわゆる「最適な相関関係」によって通常連結されている。これは、カプランタービンの最適な効率が達成されるように互いに対する２つの作動装置が常に設定できることを確実にする。したがっていわゆる最適な相関関係は、第１および第２作動装置の作動動作の効率が最適化された強制結合を表す。
【０００５】
水力タービ設備の速度調整方法は、特許文献１から知られており、速度の大まかな設定およびさらなる装置を介して独立した細かい設定がなされる。方法は、ペルトンタービンの機械的な作動装置を介して説明される。発電機を介する調整がカプランタービンなどの他のタイプのタービンに提案される。
【０００６】
速度調整は、さらに特許文献２に説明される。この場合速度調整は、電子システムおよび遠心ガバナーの組み合わせにより行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】スイス特許出願公開第２３５１０６号明細書
【特許文献２】英国特許出願公開第１２２７３６８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、水力発電所における一次調整のために二重制御タービンを用いて、高い制御精度下における軸受および設備の機械的な作動装置の高い運転寿命を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、請求項１に特徴部分に記載された特徴によって本発明により達成される。本発明による方法のさらなる好都合な実施形態は、それに従属する請求項によって提供される。
【００１０】
本発明による方法は、第１作動装置としてのカプランタービンのタービンブレードが所定の作動ステップにおいてのみ移動し、かつネットワーク周波数の目標値への調整は、第２作動装置としてのガイド装置のガイドブレードの調整によって起こるということを提供する。
【００１１】
本発明は特に、第１作動装置が所定のステップ幅においてのみ移動するという事実に基づく。好ましいさらなる発展形によると、これらのステップ幅は、第１作動装置の全作動経路の０．２５％より大きく、好ましくは、全作動経路の０．５％および５％の間である。比較的大きい所定のステップによる第１作動装置のこのような調整は、タービンの設定電力に基づいたネットワーク周波数の目標値を理想的に設定するために、次の第２作動装置の制御または調整が必要となる。したがって構成は、最初に記載されたいわゆる最適な相関関係をキャンセルする。結果として、本発明による方法は、したがって効率に関して最低限の損失を伴う場合がある。しかし、本発明による方法は、より大きな作動経路がさらに設けられる少なくとも第１作動装置においてより少ない作動動作につながる。作動動作数の減少は、軸受および機械的な作動装置における大幅な軽減に既につながるため、この場合はより長い運転寿命を、または同じ運転寿命の場合は第１作動装置の著しく単純かつ格安な軸受概念を達成することができる。さらに、個々の作動動作は、より大きくなる。結果として、滑り軸受が使用される場合、潤滑油の注入、または流体潤滑フィルムを確立するための可能性が著しく改善される。これはまた、全く同一の軸受構成の場合に運転寿命において好ましい効果を有し、またはそれ自体が決定される運転寿命内を有する軸受の考え得る簡素化において好ましい効果を有する。
【００１２】
平均効率損失が０．１％未満の場合、テストに関して１０〜２０分の１の第１作動装置の作動動作の低減が達成される。シミュレーションおよび測定において事実上０％の効率損失もたびたび達成される個々の場合において、最小限の効率の増加すら検出することに成功した。したがってこの構成により、より高い運転寿命を達成することができ、または既に述べたように、同じ運転寿命と組み合わせて軸受の大幅な簡素化を達成することができる。これは、構造上の成果、全体空間、重量および費用に関する利点を提供する。
【００１３】
本発明による方法の特に適切、かつ好都合なさらなる発展形が提供され、タービンまたはタービンおよび発電機からなる機械セットの現在の動作点に応じて作動ステップが予め決定される。タービンの動作点に応じた作動ステップの大きさのこの変化により、最小数の作動動作との組み合わせで非常に高い制御の質が可能となる。
【００１４】
本発明の方法によるさらに非常に適切、かつ好都合な実施形態がさらに提供され、第１作動装置が２つ以上の作動ステップを必要とする場合、定められた作動ステップを予め決定する工程が省略され、第１作動装置の新しい位置に１つのステップで到達する。第１作動装置の予期された作動動作が現在適用できるステップ幅より大きい特別な場合、本発明による方法は、本発明による方法をキャンセルする。これは、カプランタービンに関して、第１作動装置が１パス、つまり１つの単一の動きで全体の所望の作動幅を通過するように、いわゆる最適な相関関係が復活していることを意味する。予期された作動動作が作動ステップより小さい、または等しい場合、本発明による方法は、再適用される。本発明による方法は、複数の小さい作動ステップを回避し、かつ低減するために作動幅により定められた値を予め決定することにより特別な利点を提供する。より大きい所望の第１作動装置の変位経路が生じる場合、いくつかの直接連続する作動ステップを防ぐために、かつ１つの単一パスでの所望の作動値をカバーするために、本発明による方法が停止されることが特に効率的、かつ好都合であることがある。
【００１５】
本発明による方法の好都合な実施形態において、ネットワーク周波数の実際の値が、第１および第２作動装置の調整または移動のための入力量として使用される前に電子フィルターでフィルターをかけることがさらに提供される。ネットワーク周波数の信号ノイズを最小にするために、このような電子フィルターは、好都合に使用することができる。第１作動装置のみを所定の作動ステップで移動するための本発明によるアイディアの組み合わせにおいて、必要な作動動作の数は、このように一次調整の質を損なうことなくさらに最小化される。
【００１６】
本発明による方法のこの実施形態の特に適切なさらなる発展形において、電子フィルターがスライディング不感帯を有する不感帯フィルターとして配置されることをさらに提供することができる。スライディング不感帯が実際の信号の平均値にスライドして従い、かつその周りのノイズを不感帯によってフィルターで除去するため、スライディング不感帯を有するこのような不感帯フィルターにより、特にノイズの非常に効率的なフィルタリングか可能となる。これにより必要な作動動作における特に効率的な最小化が可能となる。
【００１７】
非常に適切、かつ好都合な実施形態において、不感帯フィルターの入力信号の勾配および振幅変化が決定されることがさらに提供され、所定の制限値より大きな勾配、および所定の制限値よりも大きな振幅変化において不感帯フィルターは一時的に停止する。方法のこの追加的なトリックの結果として、スライディング不感帯を有する不感帯フィルターのさらなる最適化が達成される。非常に高い勾配の入力信号を伴う信号の非常に強い変化が現れるとすぐに、非常に強い動的変化への速い応答を可能にするために、不感帯フィルタリングが一時的に停止する。スライディング不感帯が常に一定の遅延を伴うため、ネットワーク周波数の急上昇または急降下に対する速い反応が懸念される場合に、本発明によるこの実施形態は非常に好都合である。
【００１８】
特に好都合なさらなる発展形において、不感帯フィルターが停止される限り、電子フィルタリングによるノイズ抑制がなおも起こることがさらに提供される。したがって、不感帯フィルターが停止されている場合でも（例えば積分によって）、これらの状況においても速く、確実かつ正確な制御を保証するために信号のノイズが抑制されるように、最適化された不感帯フィルターの電子フィルタリングを配置することができる。
【００１９】
本発明による方法のさらに好都合な実施形態は、残りの従属請求項によってさらに提供される。それらはまた、図面を参照することによってより詳細に以下に説明される実施形態から説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に関連する水力発電所の部分の主要な図を示す。
【図２】ネットワーク周波数の測定曲線および制御入力量としてフィルターから生成されたフィルター処理された実際の値を示す。
【００２１】
図１の図は、本発明に関連し、全体は図示していない水力発電所１の部分を示す。図示された部分の主要部は、発電機３およびカプランタービン４を備える機械セット２によって形成される。それらは、図示された実施形態において重力と平行に配置された共通のシャフト５を介して接続される。カプランタービン４はそれ自体、羽根としても知られるいわゆるタービンブレード６を備える。例えば二方向矢印によってタービンブレード６の１つに基づいて示されるように、これらのタービンブレード６は調整可能に配置される。これらは、二重制御タービン４のようにその全体が配置されたカプランタービン４の第１作動装置を形成する。第２作動装置は、カプランタービン４への水の供給に影響を与えるガイド装置のガイドブレード７によって形成される。したがってそれらは、いわゆる圧力パイプを通り水力発電所１の源流かららせん９を通りカプランタービン４へ流れる水の量に影響を与える。一旦タービン４を通過すると、水は、いわゆるドラフト管１０を通り下流側へ流れる。
【００２２】
源流および下流側の間での水の落下によって水の圧力差が発生し、カプランタービン４を駆動する。そして発電機３は、共通のシャフト５によって駆動され、電力を提供する。この電力が示された電子システム１１を介して電気供給ネットワーク１２に届き、供給ネットワークは、図１では一例としてアンテナ塔として示されている。
【００２３】
電気供給ネットワーク１２領域における十分なネットワークの安定性を保証するために、電気供給ネットワーク１２においてネットワーク周波数を比較的狭い制限内に一定に保つことが重要である。ヨーロッパの典型的なネットワーク周波数は、約５０Ｈｚであり、アメリカでは約６０Ｈｚである。水力発電所１は、いわゆる一次調整によってネットワーク周波数の恒常性をサポートする。これは、電気のネットワーク１２への発電機３の電力供給がネットワーク周波数に基づいて調整されることを意味する。この目的のために、二重制御タービン４またはそれぞれの２つの作動装置、つまり第１作動装置としてのタービンブレード６、および第２作動装置としてのタービンブレード７がそれに応じてトリガーされる。
【００２４】
いわゆる最適な相関関係は、二重制御タービン４の効率を最適化するために第２作動装置としてのガイドブレード７の作動動作および第１作動装置としてのタービンブレード６の間に適用されるということが、最先端の技術による一次調整に関する事実である。これは、互いに対して最適な相関関係で作動動作が常に行われることを意味する。タービン４の効率は、このように最適化することができる。典型的なネットワーク周波数において非常に急速な変動が発生し、かつノイズがさらに発生する場合があるため、ネットワーク周波数による二重制御タービン４のトリガーは、非常に多数の作動動作につながる。図２に示されるような、Ａで示される線に基づく時間ｔに対する周波数曲線ｆにおいて、ここに示されたカプランタービン４の例に基づくと１時間の運転においてタービンブレード６またはガイドブレード７のトリガーにおいて約２５００〜３０００の変化が表れた。したがってタービンブレード６およびガイドブレード７の軸受は、部分的に非常に短い移動経路のみを有する、比較的多数の作動動作に耐えるように設計されなければならない。これは、軸受を比較的大きく、複雑、かつ高価にする。
【００２５】
本発明による方法は、必要な作動動作の数に関する。より単純かつ格安な軸受と同程度の運転寿命、または同程度の軸受より長い運転寿命を達成するために、これらの動作を低減することが目標である。これは、第１作動装置としてのタービンブレード６の調整が、所定の作動ステップによってのみ起こるというような方法で達成される。制御の質は、ガイドブレード７を介して維持することができる。軸受は、回転カプランタービン４の領域より単純かつより効率的な方法で固定ガイド装置に配置することができるため、この場合ほとんど問題ない。第１作動装置の所定の作動ステップは、かなり大きく、好ましくはタービンブレード６の１つの停止および他の停止の間の考え得る全調整経路の０．５％〜５％の大きさで予め定められる。必要なタービンブレード６の数は、この事前決定および第１作動装置がステップで単に移動する必要性により低減される。ガイド装置のガイドブレード７は、ネットワーク周波数の目標値に調整する。
【００２６】
したがって作動動作、特にタービンブレード６の数は、低減される。同時に、移動経路は、各個々の作動動作内において増加する。より長い移動経路の結果として、通常すべり軸受として配置された軸受の改善した流体潤滑フィルムの可能性につながる。作動動作の数の減少に加えて、これは、基本的に軸受の改善に寄与する。この方法においては、同程度に配置された軸受に比べより高い運転寿命を達成することができる、または軸受を明らかに単純な方法で配置することができ、したがってより安価、かつよりコンパクトにすることができる。
【００２７】
ノイズを抑え、それによりカプランタービン４領域における必要な作動動作の最小化を生成するために、ネットワーク周波数の実際の値は、電子フィルターによりフィルターがかけられるということが加えて提供される。この目的のために、実際の信号のノイズを単に低減する単純なＰＴ１フィルターを使用することができる。例えば周波数信号の高調波として生じるそれぞれの周波数を完全にフィルターする不感帯フィルターを好ましく使用することができる。いわゆるスライディング不感帯を有して動作する不感帯フィルターが特に理想的である。これは、不感帯フィルターが入力信号の平均値にスライドして従うことを意味する。急速な上昇または低下が最適化された不感帯フィルターで発生した場合に、このようなスライディング不感帯フィルターでの唯一の問題が発生する。したがって、スライディング不感帯を有する最適化された不感帯フィルターにおけるこのような状況に対して、非常に急で、かつ非常に大きい、入力信号における上昇または低下が発生する場合、不感帯フィルターを一時的に無効化させることができる。この目的のために入力信号の勾配および振幅変化を監視することができる。それらが所定の制限値よりも変化する場合、不感帯フィルターは、一時的に停止し、かつ勾配および振幅変化が減少した後でのみ再度作動される。不感帯フィルターが停止したこの状況においてもノイズ抑制を得るために、ＰＴ１フィルター部材によって、または特に不感帯フィルターが停止している場合に積分によって、このノイズ抑制が生じるように電子フィルターを配置することができる。
【００２８】
スライディング不感帯を有するこのような不感帯フィルター、および入力信号の急速かつ大きい変化がある場合に不感帯を停止するための機能ブロックに関しては、最適化された不感帯フィルターとして以下に参照される。
【００２９】
このような最適化された不感帯フィルターが使用される場合、ラインＢによって示されるフィルター処理された値がネットワーク周波数の実際の値Ａから得られる。最適化された不感帯フィルターは、出力信号、すなわちフィルター処理された値Ｂが、入力信号、すなわちネットワーク周波数の実際の値に、より速い方法で、それによりほとんど減衰がない、つまりより正確な方法で従うことを確実にする。このフィルター処理された値Ｂは、タービンブレード６およびガイドブレード７をトリガーする入力量Ｂとして使用することができる。結果として、このようにカプランタービン４の２つの作動装置の最適化されたトリガーが達成される。前述の例、信号ノイズを単に抑制する非常に単純なＰＴ１フィルターも所定の作動ステップでタービンブレード６を調整する本発明によるアイディアと組み合わせて用いる場合も、２０分の１まで、例えば３０００〜約１５０の作動動作へのタービンブレード６における作動動作の低減を達成することが可能である。ガイドブレード７の作動動作は、約３分の１、約２５００〜約８００の作動動作に低減される。一方、最適化された不感帯フィルターが使用される場合、タービンブレード６の作動動作数のさらなる低減が可能となる、つまり、ガイドブレード７の作動動作は、さらに１．５〜２．５分の１に低減することができる。要約すると、最適化された不感帯フィルターとの組み合わせの記載された方法は、タービンブレード６の作動動作の２０分の１以上の低減、およびガイドブレード７の作動動作の当初必要な作動動作の１／６未満の低減を提供する。このように一次調整は、関連する品質損失の対象ではない。本発明による方法を適用するためにガイドブレード７およびタービンブレード６の作動動作の間の最適な相関関係を放棄する必要があるため、通常は明らかに０．１％より下ではあるが平均効率の最低限の減少がみられる。伸びた運転寿命および軸受の費用の低減、および得られた節約の結果として、この利点は、一般的に不利益を上回るだろう。
【００３０】
本発明による方法の利用中に実際の周波数において急上昇が発生する場合、−作動ステップの所定の大きさに応じて−直接連続する方法で実行される必要があるいくつかの作動ステップが主として必要となる場合がある。２以上の作動ステップの移動経路を有する動作が予期される場合、本発明による方法は、短時間停止することができる。カプランタービン４の例においては、最適な相関関係が再度一時的に作られ、かつガイドブレード７およびタービンブレード６は、この相関関係による制御によって所定の端点まで進む。作動動作を低減するための方法は、再度動作を開始する。このように、より大きな作動動作の場合に、それらがいくつかの個々のステップで実行されることを防ぐ。この場合、そうでなければ１つのパスで実行される移動がこのように中断されなければならないため、軸受に関して、および特に流体潤滑フィルムに関しては、好都合というよりも不都合である。比較的まれにしか発生しないこれらの特別な場合を説明した方法の停止は、したがって有用であり、かつさらに軸受の軽減をサポートすることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１  水力発電所
４  二重制御タービン
５  シャフト
６  タービンブレード（第１作動装置）
７  ガイドブレード（第２作動装置）
２１  電気ネットワーク
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力発電所（１）の一次調整の方法であって、
二重制御タービン（４）と、
少なくとも１つの第１作動装置（タービンブレード６）と、
少なくとも１つの第２作動装置（ガイドブレード７）と、
を備え、
ネットワーク周波数の目標値を達成するために、発生した電力を受容する電気ネットワーク（２１）の前記ネットワーク周波数の実際の値（Ａ）に応じて、タービン電力に影響を与えるように、前記第１および第２作動装置（６，７）が調整され、かつ
前記第１作動装置としてのタービンブレード（６）と、第２作動装置としてのガイド装置のガイドブレード（７）とを有するカプランタービン（４）がタービンとして使用される、方法において、
前記第１作動装置（６）が定められた所定の作動ステップのみで移動し、かつその後
前記第２作動装置（７）を調整することにより前記ネットワーク周波数の前記目標値への調整が行われることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記第１作動装置（６）の前記作動ステップが、前記第１作動装置の作動経路全体の少なくとも０．５％、好ましくは、０．５％から５％の間の値で予め定められることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記作動ステップが前記タービン（４）の現在の動作点に応じて予め定められることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１作動装置（６）の２以上の作動ステップが必要となる場合に、前記定められた作動ステップの事前決定が停止され、かつ前記第１作動装置（６）の新しい位置に１つのパスで到達することを特徴とする、請求項１，２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１および第２作動装置の前記調整のための入力量（Ｂ）として使用される前に、前記ネットワーク周波数の前記実際の値（Ａ）が電子フィルターによってフィルター処理されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記電子フィルターがスライディング不感帯を有する不感帯フィルターとして構成されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記不感帯フィルターの入力信号の勾配および振幅変化が測定され、所定の制限値より大きい勾配および所定の制限値より大きい振幅変化がある場合に、前記不感帯フィルターが一時的に停止することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記不感帯フィルターが停止している限り、前記電子フィルターによるノイズ抑制が継続することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１作動装置（６）が所定の作動ステップで移動する限り、前記タービンブレード（６）および前記ガイドブレード（７）の間の最適な相関関係が停止していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2014532140.tif 000005
2014532140.tif 000006
2014532140.tif 000007
2014532140.tif 000008