ES2358820B1

ES2358820B1 - PROCEDURE AND HYBRID SYSTEM ELECTRICAL GENERATION.

Info

Publication number: ES2358820B1
Application number: ES200900558A
Authority: ES
Inventors: Jose Miguel Garcia Sayes; Teresa Arlaban Gabeiras; Miguel Nuñez Polo
Original assignee: Acciona Windpower SA
Current assignee: Acciona Windpower SA
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2012-05-03
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: ES2358820A1

Abstract

Procedimiento y sistema híbrido de generación eléctrica.#La invención describe un sistema hibrido de generación eléctrica a partir de la potencia mecánica transmitida por una turbina que gira con velocidad variable, que comprende un generador principal (40, 50), movido por la turbina, cuyo estator está conectado a la red eléctrica a través de unos medios de conexión/desconexión (44), y un generador auxiliar (41), movido por dicha turbina, cuyo estator está conectado a la red eléctrica al menos a través de un convertidor de potencia (42), y donde el rotor del generador auxiliar (41) y el rotor del generador principal (40, 50) están eléctricamente y magnéticamente desacoplados.Method and hybrid system of electrical generation. # The invention describes a hybrid system of electrical generation from the mechanical power transmitted by a turbine that rotates with variable speed, comprising a main generator (40, 50), moved by the turbine, whose stator is connected to the mains through a means of connection / disconnection (44), and an auxiliary generator (41), moved by said turbine, whose stator is connected to the mains at least through a converter power (42), and where the auxiliary generator rotor (41) and the main generator rotor (40, 50) are electrically and magnetically decoupled.

Description

Procedimiento y sistema híbrido de generación eléctrica. Objeto de la invenciónProcedure and hybrid system of electricity generation. Object of the invention

El objeto de la presente invención es un procedimiento y un sistema híbrido que optimizan la generación eléctrica a partir de la potencia mecánica transmitida por una turbina que gira a velocidad variable. Este sistema y procedimiento es particularmente útil en el campo de la generación eólica, aunque también es aplicable a otros ámbitos en que se genera energía empleando una turbina movida por un ﬂuido en movimiento, como la generación empleando corrientes marinas, mareas, olas, etc. Técnica anterior The object of the present invention is a hybrid method and system that optimize electrical generation from the mechanical power transmitted by a turbine that rotates at variable speed. This system and procedure is particularly useful in the field of wind generation, although it is also applicable to other areas in which energy is generated using a turbine moved by a moving fluid, such as generation using sea currents, tides, waves, etc. Prior art

La energía eléctrica generada para su inyección en una red de potencia debe tener la misma frecuencia que la red. Este requisito es fácil de cumplir cuando la generación se realiza a velocidad constante y controlada. Sin embargo, cuando el eje que mueve el generador no gira a velocidad constante es necesario controlar de algún modo la frecuencia de la energía eléctrica generada. The electrical energy generated for injection into a power network must have the same frequency as the network. This requirement is easy to meet when the generation is carried out at a constant and controlled speed. However, when the axis that moves the generator does not rotate at a constant speed it is necessary to somehow control the frequency of the generated electrical energy.

Una solución conocida es el uso de un único generador asíncrono conectado directamente a la red eléctrica, de modo que la propia red fuerza a que la velocidad del rotor del generador se mantenga sustancialmente constante. Sin embargo, para optimizar la captura de energía de un ﬂuido en movimiento es necesario adaptar la velocidad del eje de la turbina a la del ﬂuido y por lo tanto esta topología presenta el problema de un mal aprovechamiento de la energía disponible. Para solucionar este inconveniente se puede emplear un generador con dos devanados, o bien dos generadores diferentes en paralelo, teniendo cada devanado o generador un número diferente de pares de polos. Así, dependiendo de la velocidad del eje en cada momento, únicamente se conecta uno de los dos generadores. Un inconveniente de este sistema es la aparición de transitorios durante la conmutación entre un generador y otro. Además, para dotar de ﬂexibilidad al sistema normalmente se emplean generadores de diferentes potencias, siendo la suma de las potencias individuales de los generadores mayor que la potencia total del sistema, produciéndose un exceso de tamaño, y en consecuencia también de coste. A known solution is the use of a single asynchronous generator directly connected to the power grid, so that the network itself forces the generator rotor speed to remain substantially constant. However, to optimize the energy capture of a moving fluid it is necessary to adapt the turbine shaft speed to that of the fluid and therefore this topology presents the problem of a poor use of the available energy. To solve this problem, a generator with two windings, or two different generators can be used in parallel, each winding or generator having a different number of pole pairs. Thus, depending on the speed of the axis at each moment, only one of the two generators is connected. A drawback of this system is the appearance of transients during switching between one generator and another. In addition, to provide the system with flexibility, generators of different powers are normally used, the sum of the individual powers of the generators being greater than the total power of the system, resulting in an excess of size, and consequently also of cost.

El tren de potencia, que transmite el par desde la turbina hasta el rotor del generador eléctrico, debido a los momentos de inercia y la rigidez torsional de los diferentes componentes posee determinados modos de vibración. Dichas vibraciones torsionales producen fatiga en los componentes mecánicos, especialmente en la multiplicadora caso de existir. Las topologías que generan energía con uno o varios generadores asíncronos conectados directamente a la red no tienen control sobre el par en el generador eléctrico y por lo tanto no disponen de medios para amortiguar las mencionadas vibraciones. The power train, which transmits the torque from the turbine to the rotor of the electric generator, due to the moments of inertia and the torsional stiffness of the different components has certain vibration modes. These torsional vibrations produce fatigue in the mechanical components, especially in the multiplier if there is one. The topologies that generate energy with one or more asynchronous generators connected directly to the network have no control over the torque in the electric generator and therefore do not have the means to dampen the aforementioned vibrations.

Otra conﬁguración se deﬁne en la solicitud US5083039, que describe el uso de un único generador conectado a la red a través de un convertidor de potencia, de modo que el generador puede operar a casi cualquier velocidad del eje. El convertidor de potencia, sin embargo, debe estar dimensionado al 100% de la potencia del generador, por lo cual el sistema también se vuelve excesivamente voluminoso y costoso. Another configuration is defined in application US5083039, which describes the use of a single generator connected to the network through a power converter, so that the generator can operate at almost any axis speed. The power converter, however, must be sized at 100% of the generator power, so the system also becomes excessively bulky and expensive.

Por último, la solicitud EP1153470 describe el uso de un generador de rotor bobinado, conectándose el rotor a la red a través de un convertidor de potencia, mientras que el estator se conecta directamente a la red. El convertidor del lado del generador permite actuar sobre la tensión del rotor en magnitud y frecuencia para controlar la velocidad de giro. Sin embargo, se requiere el uso de escobillas y anillos rozantes para conectar el rotor al convertidor, produciéndose los problemas de mantenimiento habituales de estos sistemas. Descripción de la invenciónFinally, application EP1153470 describes the use of a winding rotor generator, the rotor being connected to the network through a power converter, while the stator is connected directly to the network. The converter on the side of the generator allows to act on the rotor voltage in magnitude and frequency to control the speed of rotation. However, the use of brushes and friction rings is required to connect the rotor to the converter, causing the usual maintenance problems of these systems. Description of the invention

La presente invención describe un novedoso sistema y procedimiento para optimizar el aprovechamiento de la energía transmitida por una turbina que gira a velocidad variable. Aunque la invención es especialmente útil en el campo de la generación eólica, también es aplicable a otros campos donde una turbina es movida por un ﬂuido en movimiento cuya velocidad es variable, como la generación de energía eléctrica empleando turbinas movidas por corrientes marinas, por la fuerza de las olas o por la fuerza de las mareas. The present invention describes a novel system and method for optimizing the use of energy transmitted by a turbine that rotates at variable speed. Although the invention is especially useful in the field of wind generation, it is also applicable to other fields where a turbine is moved by a moving fluid whose speed is variable, such as the generation of electric energy using turbines moved by sea currents, by force of the waves or the force of the tides.

Así, un primer aspecto de la invención describe un sistema híbrido de generación eléctrica a partir de la potencia mecánica transmitida por una turbina de velocidad variable, que comprende: Thus, a first aspect of the invention describes a hybrid system for generating electricity from the mechanical power transmitted by a variable speed turbine, comprising:

--: Un generador principal cuyo estator está conectado a la red eléctrica a través de unos medios de conexión/desconexión. Este generador principal, por lo tanto, sólo funciona a velocidades cercanas a la velocidad de sincronismo, que es la correspondiente a la frecuencia de la red. En el presente documento, el término “medios de conexión/desconexión” pretende abarcar cualquier dispositivo para la capaz de conectar y/o desconectar una línea eléctrica, ya sea en vacío A main generator whose stator is connected to the mains through connection / disconnection means. This main generator, therefore, only works at speeds close to the synchronism speed, which is the one corresponding to the frequency of the network. In this document, the term "connection / disconnection means" is intended to cover any device capable of connecting and / or disconnecting a power line, whether empty

o en carga, incluyendo por tanto interruptores, disyuntores y dispositivos similares. or in charge, therefore including switches, circuit breakers and similar devices.

--: Un generador auxiliar cuyo estator está conectado a la red eléctrica al menos a través de un convertidor de potencia. El convertidor de potencia transforma la tensión de frecuencia variable generada por el generador auxiliar a la frecuencia de la red, y por lo tanto este generador puede funcionar a velocidad variable. Preferentemente, el convertidor de potencia está a su vez conectado a la red a través de unos medios de conexión/desconexión y/o de un transformador, pudiéndose así respectivamente desconectar el generador auxiliar de la red y/o adaptar la tensión generada a la tensión de la red. An auxiliary generator whose stator is connected to the mains at least through a power converter. The power converter transforms the variable frequency voltage generated by the auxiliary generator to the grid frequency, and therefore this generator can operate at variable speed. Preferably, the power converter is in turn connected to the network through connection / disconnection means and / or a transformer, thus being able to disconnect the auxiliary generator from the network and / or adapt the voltage generated to the voltage respectively of the network.

Así, en un principio se emplea el generador auxiliar para velocidades bajas de la turbina hasta que, a una determinada velocidad, se alcanza su potencia nominal, preferentemente entre el 20% y el 40% de la potencia nominal total de la turbina. En ese momento, el convertidor de potencia controla la velocidad de giro del generador auxiliar para hacer que ésta alcance la velocidad nominal del generador principal, que es la correspondiente a la frecuencia de la red. Cuando esto ocurre, se conecta el generador principal a la red. El generador auxiliar permanece conectado, sin generar potencia en valor medio pero controlando el par para amortiguar las oscilaciones torsionales en el tren mecánico, generando o consumiendo potencia activa según se requiera. Cuando el generador principal alcanza su potencia nominal, preferentemente entre el 60% y el 80% de la potencia nominal total del sistema, el generador auxiliar comienza también a generar simultáneamente. Thus, initially the auxiliary generator is used for low turbine speeds until, at a certain speed, its nominal power is reached, preferably between 20% and 40% of the total nominal power of the turbine. At that time, the power converter controls the rotation speed of the auxiliary generator to make it reach the nominal speed of the main generator, which is the one corresponding to the grid frequency. When this occurs, the main generator is connected to the network. The auxiliary generator remains connected, without generating power in average value but controlling the torque to dampen torsional oscillations in the mechanical train, generating or consuming active power as required. When the main generator reaches its nominal power, preferably between 60% and 80% of the total nominal power of the system, the auxiliary generator also begins to generate simultaneously.

El convertidor de potencia conectado al generador auxiliar esta dimensionado para convertir la potencia de dicho generador auxiliar. Una de las ventajas fundamentales de este nuevo sistema híbrido de generación es que con un convertidor de una potencia sustancialmente menor que la potencia total de la turbina puede controlarse el par en el generador auxiliar para amortiguar las vibraciones torsionales en el tren mecánico, y que el generador principal tiene el rotor no bobinado, evitándose así los problemas asociados a este tipo de máquinas. Dicho control de par también es útil ante eventos de red como huecos de tensión. En los sistemas anteriores, o bien se carecía de control de par en el eje, o bien se empleaban convertidores dimensionados para el 100% de la potencia de la turbina, o bien se utilizaban generadores de rotor bobinado en los que por medio de escobillas se introducían las corrientes rotóricas adecuadas. The power converter connected to the auxiliary generator is sized to convert the power of said auxiliary generator. One of the fundamental advantages of this new hybrid generation system is that with a converter of a power substantially less than the total power of the turbine, the torque in the auxiliary generator can be controlled to dampen torsional vibrations in the mechanical train, and that the Main generator has the rotor not wound, thus avoiding the problems associated with this type of machines. Said torque control is also useful for network events such as voltage dips. In the previous systems, either torque control on the shaft was lacking, either converters sized for 100% of the turbine power were used, or winding rotor generators were used in which, by means of brushes, They introduced the appropriate rotational currents.

En consecuencia, en la presente invención los rotores de los generadores principal y auxiliar están desacoplados tanto eléctrica como magnéticamente. El desacoplamiento magnético implica que los ﬂujos de campo magnético por cada uno de los rotores son independientes, no compartiendo ambos ningún núcleo magnético común. De modo equivalente, el desacoplamiento eléctrico implica que las corrientes eléctricas por cada uno de los rotores son independientes, no existiendo conexión eléctrica alguna entre uno y otro rotor. Consequently, in the present invention the rotors of the main and auxiliary generators are decoupled both electrically and magnetically. Magnetic decoupling implies that the magnetic field fluxes for each of the rotors are independent, both of which share no common magnetic core. Equally, the electrical decoupling implies that the electric currents for each of the rotors are independent, there is no electrical connection between one rotor and the other.

De acuerdo con una realización preferente de la invención, el generador auxiliar es de tipo asíncrono, According to a preferred embodiment of the invention, the auxiliary generator is of the asynchronous type,

o bien de tipo síncrono de imanes permanentes. El generador principal, por otro lado, es preferentemente de tipo asíncrono. or synchronous type of permanent magnets. The main generator, on the other hand, is preferably asynchronous.

Un segundo aspecto de la presente invención está dirigido a un procedimiento para generar energía eléctrica a partir de la potencia mecánica transmitida por una turbina de velocidad variable, empleando un generador principal cuyo estator está conectado a la red eléctrica a través de unos medios de conexión/desconexión; y un generador auxiliar, cuyo estator está conectado a la red eléctrica al menos a través de un convertidor de potencia. Este procedimiento comprende los siguientes modos de operación: A second aspect of the present invention is directed to a method for generating electrical energy from the mechanical power transmitted by a variable speed turbine, using a main generator whose stator is connected to the electricity grid through connection means / disconnection; and an auxiliary generator, whose stator is connected to the power grid at least through a power converter. This procedure includes the following modes of operation:

a) Para potencias menores que la potencia nominal del generador auxiliar, generar energía eléctrica empleando dicho generador auxiliar. a) For powers lower than the nominal power of the auxiliary generator, generate electrical energy using said auxiliary generator.

En este modo de operación, el generador principal está desconectado, funcionando únicamente el generador auxiliar a velocidad variable, generando por tanto la energía eléctrica a frecuencia variable y ajustando el convertidor de frecuencia la tensión generada a la frecuencia de la red. In this mode of operation, the main generator is disconnected, operating only the auxiliary generator at variable speed, thus generating the electric energy at a variable frequency and adjusting the frequency converter to the voltage generated to the grid frequency.

b) Para potencias mayores que la potencia nominal del generador auxiliar pero menores que la potencia nominal del generador principal, generar energía eléctrica empleando el generador principal. b) For powers greater than the nominal power of the auxiliary generator but less than the nominal power of the main generator, generate electricity using the main generator.

Cuando se alcanza la potencia nominal del generador auxiliar, se emplea el convertidor de potencia para provocar un aumento en la velocidad de giro de la turbina hasta alcanzar una velocidad cercana a la velocidad de sincronismo del generador principal. En ese momento, el generador principal se conecta, comenzando a generar. Preferentemente, el generador auxiliar permanece conectado y, aunque no genera potencia activa en valor medio, controla el par para amortiguar las oscilaciones torsionales del tren mecánico generando o consumiendo potencia activa según sea necesario. When the nominal power of the auxiliary generator is reached, the power converter is used to cause an increase in the speed of rotation of the turbine until reaching a speed close to the synchronization speed of the main generator. At that time, the main generator is connected, starting to generate. Preferably, the auxiliary generator remains connected and, although it does not generate active power at medium value, it controls the torque to dampen the torsional oscillations of the mechanical train generating or consuming active power as necessary.

c) Para potencias mayores que la potencia nominal del generador principal, generar energía eléctrica empleando ambos generadores, principal y auxiliar. c) For powers greater than the nominal power of the main generator, generate electricity using both generators, main and auxiliary.

Cuando se alcanza la potencia nominal del generador principal, el generador auxiliar comienza de nuevo a generar, generando así ambos simultáneamente para llegar hasta el máximo de potencia de generación de la turbina. Breve descripción de los dibujosWhen the nominal power of the main generator is reached, the auxiliary generator begins to generate again, thus generating both simultaneously to reach the maximum power of the turbine generation. Brief description of the drawings

Las Figs. 1a, 1b y 1c muestran sendas conﬁguraciones de acuerdo con la técnica anterior para la generación de energía eléctrica a partir de una turbina de velocidad variable. Figs. 1a, 1b and 1c show configurations according to the prior art for the generation of electrical energy from a variable speed turbine.

La Fig. 2 muestra una realización preferida del sistema híbrido de generación eléctrica de acuerdo con la presente invención. Fig. 2 shows a preferred embodiment of the hybrid power generation system according to the present invention.

La Fig. 3 muestra otra realización preferida de un sistema de acuerdo con la presente invención. Fig. 3 shows another preferred embodiment of a system according to the present invention.

La Fig. 4 muestra una gráﬁca que muestra esquemáticamente las diferentes regiones de funcionamiento del sistema de la invención. Descripción de una realización preferidaFig. 4 shows a graph that schematically shows the different operating regions of the system of the invention. Description of a preferred embodiment

Se describen a continuación algunos sistemas empleados en la técnica anterior para la generación de energía eléctrica en el campo de la energía eólica. La conﬁguración mostrada en la Fig. 1a se compone de dos generadores (10, 11) con diferente número de polos, de modo que, dependiendo de la velocidad de viento, se conecta alternativamente uno u otro a la red mediante medios de conexión (12, 13), y a través de un transformador (16). El generador (10) de menor número de polos está dimensionado para el 100% de la potencia nominal del aerogenerador, mientras que el generador (11) de mayor número de polos está dimensionado típicamente para el 30% de la potencia total del aerogenerador. A veces se interponen entre los generadores (10, 11) y la red unas impedancias (14, 15) por las que pasa transitoriamente la corriente y que tienen por misión disminuir la corriente inicial que se da en la conexión de los generadores (10, 11) para su magnetización y/o disminuir el efecto que tiene en los generadores (10, 11) un hueco en tensión de red. Some systems used in the prior art for generating electricity in the field of wind energy are described below. The configuration shown in Fig. 1a consists of two generators (10, 11) with different number of poles, so that, depending on the wind speed, one or the other is connected alternately to the network by means of connection means (12 , 13), and through a transformer (16). The generator (10) with the lowest number of poles is sized for 100% of the nominal power of the wind turbine, while the generator (11) with the highest number of poles is typically sized for 30% of the total power of the wind turbine. Sometimes impedances (14, 15) are interposed between the generators (10, 11) and the network through which the current passes temporarily and whose mission is to reduce the initial current that occurs at the connection of the generators (10, 11) for its magnetization and / or diminish the effect that a gap in mains voltage has on the generators (10, 11).

En la Fig. 1b se muestra un sistema de velocidad variable consistente en un generador de inducción A variable speed system consisting of an induction generator is shown in Fig. 1b

(20) cuyo rotor está conectado a un convertidor (21) mediante el cual se inducen las corrientes rotóricas adecuadas. El convertidor (21) usualmente se conecta a la red a través de un transformador (22). Dicho convertidor (21) está dimensionado sólo para una fracción de la potencia total del generador (20), normalmente alrededor del 30%. (20) whose rotor is connected to a converter (21) by which suitable rotary currents are induced. The converter (21) is usually connected to the network through a transformer (22). Said converter (21) is sized only for a fraction of the total power of the generator (20), usually around 30%.

En la Fig. 1c se muestra un sistema alternativo en el que el estator de un generador (33), que puede ser síncrono o asíncrono, se conecta a un convertidor (34) dimensionado para convertir toda la potencia generada. Dicho convertidor usualmente está conectado a la red por medio de un transformador (35). An alternative system is shown in Fig. 1c in which the stator of a generator (33), which can be synchronous or asynchronous, is connected to a converter (34) sized to convert all generated power. Said converter is usually connected to the network by means of a transformer (35).

La Fig. 2 muestra un ejemplo del sistema de la invención que comprende un generador principal (40), de tipo asíncrono, alimentado a la frecuencia de la red a través de un medio de conexión/desconexión (44); y un generador auxiliar (41), síncrono de imanes permanentes, alimentado a frecuencia variable a través de un convertidor (42) de potencia, que en este ejemplo está conectado a la red eléctrica a través de un medio de conexión/desconexión (45) y un transformador (45). Los generadores principal y auxiliar (40, 41) tienen sus rotores desacoplados tanto eléctrica como magnéticamente, estando dichos rotores accionados un eje movido por la turbina de un aerogenerador. Fig. 2 shows an example of the system of the invention comprising a main generator (40), of the asynchronous type, fed to the network frequency through a connection / disconnection means (44); and an auxiliary generator (41), permanent magnet synchronous, fed at variable frequency through a power converter (42), which in this example is connected to the mains through a connection / disconnection means (45) and a transformer (45). The main and auxiliary generators (40, 41) have their rotors decoupled both electrically and magnetically, said rotors being driven by an axis driven by the turbine of a wind turbine.

La suma de las potencias nominales de los generadores principal y auxiliar (40, 41) es substancialmente igual a la potencia nominal del aerogenerador. Concretamente, en este ejemplo las potencias de los generadores principal (40) y auxiliar (41) son del 70% y del 30% de la potencia del aerogenerador, respectivamente. The sum of the nominal powers of the main and auxiliary generators (40, 41) is substantially equal to the nominal power of the wind turbine. Specifically, in this example the powers of the main (40) and auxiliary (41) generators are 70% and 30% of the wind generator power, respectively.

Un aspecto importante de la presente invención es la capacidad de integración en la red, especialmente en tres aspectos: no generar perturbaciones, especialmente en la conexión, generación de reactiva para mantener estable la tensión y continuidad en la operación en un hueco de tensión. An important aspect of the present invention is the ability to integrate into the network, especially in three aspects: not to generate disturbances, especially in the connection, generation of reactive to keep the voltage stable and continuity in the operation in a voltage gap.

Cuando se produce un hueco de tensión se reduce la capacidad de evacuar la potencia generada por los generadores (40, 41) a la red. Para solucionar este problema, en el ejemplo de la Fig. 2 se emplea un medio de disipación o almacenamiento de energía (38) conectado al convertidor (42) de potencia. Este medio de disipación o almacenamiento de energía (38) sirve para quemar, o para almacenar, la potencia activa (Px) generada que no puede ser evacuada a través de la red. Naturalmente, en el caso en que la energía se almacene, es posible recuperarla con posterioridad. Además, como se ha explicado previamente en el presente documento, el convertidor (42) de potencia sirve para modular el par en el generador secundario (41) con el objeto de amortiguar las oscilaciones torsionales en el tren mecánico de potencia motivadas por los cambios en el par producidos durante huecos de tensión. When a voltage gap occurs, the ability to evacuate the power generated by the generators (40, 41) to the grid is reduced. To solve this problem, in the example of Fig. 2 a means of dissipation or storage of energy (38) connected to the power converter (42) is used. This means of dissipation or storage of energy (38) serves to burn, or to store, the active power (Px) generated that cannot be evacuated through the network. Naturally, in the case where the energy is stored, it is possible to recover it later. In addition, as previously explained herein, the power converter (42) serves to modulate the torque in the secondary generator (41) in order to dampen the torsional oscillations in the mechanical power train caused by changes in the torque produced during voltage dips.

Otra opción para disminuir las corrientes en el generador principal (40) durante un hueco de tensión es emplear unos medios de impedancia (46) interpuestos entre dicho generador principal (40) y la red para insertar temporalmente impedancias entre generador y red. Por último, se puede desconectar el generador principal (40) de la red y cortocircuitarlo mediante resistencias. Another option to reduce the currents in the main generator (40) during a voltage gap is to use impedance means (46) interposed between said main generator (40) and the network to temporarily insert impedances between generator and network. Finally, the main generator (40) can be disconnected from the network and short-circuited by means of resistors.

En cuanto a la inyección de reactiva, el convertidor (42) de potencia también puede inyectar reactiva (Qc) en dirección a la red durante el hueco de tensión, elevando así la tensión en bornas del generador principal (40) y permitiéndole evacuar al menos una parte de la potencia. La inyección de reactiva se puede hacer, por ejemplo, con el criterio de mantener la tensión local estable. As for the injection of reactive, the power converter (42) can also inject reactive (Qc) in the direction of the network during the voltage gap, thus raising the voltage on terminals of the main generator (40) and allowing it to evacuate at least A part of the power. Reagent injection can be done, for example, with the criterion of maintaining stable local tension.

En tercer lugar, con relación a posibles perturbaciones durante la conexión a red, se pueden emplear los medios de impedancia (46) para insertar una impedancia adicional entre generador principal (40) y red para que la conexión sea gradual, reduciendo así las corrientes iniciales de magnetización de la máquina. Thirdly, in relation to possible disturbances during the network connection, the impedance means (46) can be used to insert an additional impedance between main generator (40) and network so that the connection is gradual, thus reducing the initial currents Machine magnetization.

La potencia en un aerogenerador usualmente se limita mediante un sistema de cambio de paso de palas. La forma más habitual de control es aquella en que para reducir la captura de viento se aumenta el ángulo de paso de palas β. Sin embargo, la dinámica de este sistema es lenta, siendo necesarias medidas adicionales para limitar la captura de potencia y que no se traduzca en fuertes ﬂuctuaciones de la potencia generada y grandes cargas mecánicas. Modiﬁcar la velocidad de giro de la turbina del aerogenerador permite mitigar dichos efectos adversos, empleando la energía cinética como almacén de energía. Para ello, el generador principal (40) comprende unas impedancias adicionales (47) que permiten modiﬁcar el deslizamiento, y por lo tanto la velocidad de giro. The power in a wind turbine is usually limited by a blade pitch change system. The most common form of control is that in which to reduce wind capture the pitch angle of blades β is increased. However, the dynamics of this system are slow, additional measures being necessary to limit the power capture and that does not translate into strong fluctuations of the generated power and large mechanical loads. Modifying the rotation speed of the wind turbine turbine allows mitigating these adverse effects, using kinetic energy as an energy store. For this, the main generator (40) comprises additional impedances (47) that allow modifying the sliding, and therefore the speed of rotation.

Alternativamente, como se observa en la Fig. 3, se puede emplear un generador principal (50) que, además del rotor y del estator principales, tenga un rotor y un estator adicionales, estando conectados entre sí los dos rotores y los dos estatores. Así, la instalación de una impedancia adicional (37) conectada al estator adicional permite modiﬁcar la impedancia del rotor principal del generador principal (50) sin necesidad de escobillas. Alternatively, as seen in Fig. 3, a main generator (50) can be used which, in addition to the main rotor and stator, has an additional rotor and stator, the two rotors and the two stators being connected to each other. Thus, the installation of an additional impedance (37) connected to the additional stator allows the impedance of the main rotor of the main generator (50) to be modified without the need for brushes.

Además, es posible combinar el sistema híbrido descrito con otras técnicas para controlar la potencia transmitida por la turbina. Por ejemplo, ante ráfagas de fuertes vientos es posible llevar las palas a pérdida, consiguiéndose así limitar la potencia entrante de una manera pasiva e inmediata. También es posible que la turbina del aerogenerador comprenda palas dotadas de medios de control de ﬂujo para controlar y/o limitar la potencia captada, por ejemplo empleando aerofrenos movidos por actuadores, o bien mediante la inyección o succión de aire para modiﬁcar la capa límite. Otra opción podría dotar al aerogenerador de medios de medición anticipada del viento que va a incidir en la turbina, lo cual permite adaptar el sistema a la potencia entrante con antelación. In addition, it is possible to combine the hybrid system described with other techniques to control the power transmitted by the turbine. For example, before gusts of strong winds it is possible to bring the blades to loss, thus being able to limit the incoming power in a passive and immediate way. It is also possible that the turbine of the wind turbine comprises blades provided with flow control means to control and / or limit the captured power, for example by using air brakes driven by actuators, or by injection or suction of air to modify the boundary layer. Another option could provide the wind turbine with means of early measurement of the wind that will affect the turbine, which allows the system to be adapted to the incoming power in advance.

Finalmente, la Fig. 4 representa el par frente a la velocidad de giro de la turbina del aerogenerador. Pueden distinguirse 4 regímenes de funcionamiento, representados por los tramos (100, 101, 102, 103) de la gráﬁca. En todos los regímenes el generador auxiliar (41) está operativo, realizando al menos una modulación del par para amortiguar las vibraciones torsionales del tren mecánico. Finally, Fig. 4 represents the torque versus the rotation speed of the turbine of the wind turbine. 4 operating regimes can be distinguished, represented by the sections (100, 101, 102, 103) of the graph. In all modes the auxiliary generator (41) is operative, performing at least one torque modulation to dampen the torsional vibrations of the mechanical train.

--: En el tramo (100), la velocidad de giro de la turbina es la velocidad mínima y el generador principal (40, 50) permanece desconectado. El generador auxiliar (41) en este tramo genera energía eléctrica a una frecuencia substancialmente constante. In the section (100), the speed of rotation of the turbine is the minimum speed and the main generator (40, 50) remains disconnected. The auxiliary generator (41) in this section generates electrical energy at a substantially constant frequency.

--: En el tramo (101), en el que la turbina gira a una velocidad variable, el generador principal (40, 50) permanece desconectado. Sin embargo, el generador auxiliar (41) funciona a velocidad variable, modiﬁcando el convertidor (42) de potencia la frecuencia de la tensión generada para adaptarla a la red. In the section (101), in which the turbine rotates at a variable speed, the main generator (40, 50) remains disconnected. However, the auxiliary generator (41) operates at variable speed, the power converter (42) modifying the frequency of the voltage generated to adapt it to the network.

--: Cuando se alcanza el punto de operación (111), en que la potencia generada está próxima a la potencia nominal del generador auxiliar (41), el convertidor (42) actúa sobre el generador auxiliar (41) para controlar la velocidad del eje hasta alcanzar una velocidad próxima a la velocidad de sincronismo del generador principal (40, 50), en el punto de operación 112, momento en el que dicho generador principal es conectado a la red. When the operating point (111) is reached, in which the power generated is close to the nominal power of the auxiliary generator (41), the converter (42) acts on the auxiliary generator (41) to control the shaft speed until reaching a speed close to the synchronization speed of the main generator (40, 50), at the operation point 112, at which time said main generator is connected to the network.

--: En el tramo (102), el convertidor (42) controla el par en el generador auxiliar (41) de manera que para maximizar el rendimiento la mayor parte de la potencia la genera el generador principal (40, 50), realizando el generador auxiliar (41) únicamente el amortiguamiento del tren de potencia. In section (102), the converter (42) controls the torque in the auxiliary generator (41) so that in order to maximize performance, most of the power is generated by the main generator (40, 50), making the auxiliary generator (41) only the damping of the power train.

--: Cuando se alcanza el punto de operación (113) en el que el generador principal (40, 50) genera una potencia próxima a su potencia nominal, se entra en el tramo 103 en que el generador auxiliar (41) empie-se llega al punto de operación (114), en que la potenza a generar también potencia. Cuando ambos gene-cia total generada está próxima a la potencia nominal radores alcanzan sus respectivas potencias nominales total del aerogenerador. When the operating point (113) is reached in which the main generator (40, 50) generates a power close to its nominal power, section 103 is entered in which the auxiliary generator (41) begins to reach the point of operation (114), in which the power to also generate power. When both total generated power is close to the nominal power, radores reach their respective total nominal wind turbine powers.

Claims

1. A hybrid system for generating electricity from the mechanical power transmitted by a turbine that rotates with variable speed, characterized in that it comprises:

a main generator (40, 50), driven by the turbine, whose stator is connected to the mains through a means of connection / disconnection (44); Y

an auxiliary generator (41), driven by said turbine, whose stator is connected to the mains at least through a power converter (42),

and where the auxiliary generator rotor (41) and the main generator rotor (40, 50) are electrically and magnetically disengaged.

2. 2.: El sistema híbrido de acuerdo con la reivindicación 1, donde la potencia del generador auxiliar (41) está entre un 20% y un 40% de la potencia total de la turbina. The hybrid system according to claim 1, wherein the power of the auxiliary generator (41) is between 20% and 40% of the total turbine power.

3. 3.: El sistema híbrido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el generador principal (40, 50) es de tipo asíncrono. The hybrid system according to any one of the preceding claims, wherein the main generator (40, 50) is of the asynchronous type.

4. Four.: El sistema híbrido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende unos medios de impedancia (46) conectables entre el generador principal (40, 50) y la red. The hybrid system according to any one of the preceding claims, further comprising impedance means (46) connectable between the main generator (40, 50) and the network.

5. 5.: El sistema híbrido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende un medio de disipación o almacenamiento de energía (38) conectado al convertidor (42). The hybrid system according to any one of the preceding claims, further comprising an energy dissipation or storage means (38) connected to the converter (42).

6. 6.: El sistema híbrido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que además comprende una impedancia adicional (47) conectada al rotor del generador principal (40). The hybrid system according to any one of the preceding claims, which further comprises an additional impedance (47) connected to the main generator rotor (40).

7. 7.: El sistema híbrido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, donde el generador principal (50) comprende además un estator secundario y un rotor secundario conectados eléctricamente respectivamente al estator y al rotor del generador principal (50), y una impedancia adicional (37) conectada al estator secundario. The hybrid system according to any one of claims 1-5, wherein the main generator (50) further comprises a secondary stator and a secondary rotor respectively electrically connected to the stator and the main generator rotor (50), and an additional impedance (37) connected to the secondary stator.

8. 8.: El sistema híbrido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la turbina pertenece a un aerogenerador. The hybrid system according to any one of the preceding claims, wherein the turbine belongs to a wind turbine.

9. 9.: El sistema híbrido de acuerdo con la reivindicación 8, donde la turbina comprende palas dotadas de medios de control de ﬂujo para controlar y/o limitar la potencia eólica captada por el aerogenerador. The hybrid system according to claim 8, wherein the turbine comprises blades provided with flow control means for controlling and / or limiting the wind power captured by the wind turbine.

10. The hybrid system according to any of claims 8-9, wherein the wind turbine comprises means for early wind measurement.

11. A hybrid procedure for generating electrical energy from the mechanical power transmitted by a turbine that rotates with variable speed using a main generator (40, 50) whose stator is connected to the power grid through a connection / disconnection means (44); and an auxiliary generator (41) whose stator is connected to the mains through a power converter (42); characterized in that it comprises the following modes of operation:

a) for powers lower than the nominal power of the auxiliary generator (41), generate electrical energy using said auxiliary generator (41);

b) for powers greater than the nominal power of the auxiliary generator (41) but less than the nominal power of the main generator (40, 50), generate electricity using the main generator (40, 50); Y

c) for powers greater than the nominal power of the main generator (40, 50), generate electricity using both main (40, 50) and secondary (41) generators.

12. 12.: El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, donde el convertidor (42) de potencia consume o inyecta potencia activa a través del generador auxiliar (41) para compensar las oscilaciones de par del eje. The method according to claim 11, wherein the power converter (42) consumes or injects active power through the auxiliary generator (41) to compensate for shaft torque oscillations.

13. 13.: El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11-12, que además comprende la operación, durante un hueco de tensión, de disipar o almacenar la potencia activa (Px) que no puede ser evacuada a través de la red. The method according to any one of claims 11-12, further comprising the operation, during a voltage gap, of dissipating or storing the active power (Px) that cannot be evacuated through the network.

14. 14.: El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11-13, que además comprende la operación, durante un hueco de tensión, de inyectar potencia reactiva (Qc) en dirección a la red para elevar la tensión en el generador principal (40, 50). The method according to any one of claims 11-13, further comprising the operation, during a voltage gap, of injecting reactive power (Qc) in the direction of the network to raise the voltage in the main generator (40, 50 ).

15. fifteen.: El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11-14, que además comprende la operación, durante un hueco de tensión, de aumentar la impedancia entre el generador principal (40, 50) y la red. The method according to any one of claims 11-14, further comprising the operation, during a voltage gap, of increasing the impedance between the main generator (40, 50) and the network.

16. 16.: El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11-15, que además comprende la operación de modiﬁcar la resistencia del rotor del generador principal (40,50) para modiﬁcar la velocidad de giro de la turbina. The method according to any one of claims 11-15, further comprising the operation of modifying the resistance of the main generator rotor (40.50) to modify the speed of rotation of the turbine.

SPANISH OFFICE OF THE PATENTS AND BRAND

Application no .: 200900558

SPAIN

Date of submission of the application: 27.02.2009

Priority Date:

REPORT ON THE STATE OF THE TECHNIQUE

51 Int. Cl.: F03D9 / 00 (2006.01)

RELEVANT DOCUMENTS

Categoría Category: Documentos citados Reivindicaciones afectadas Documents cited Claims Affected

X X: US 2008129050 A1 (IND TECH RES INST) 05.06.2008, resumen; 1-3,5-16 US 2008129050 A1 (IND TECH RES INST) 05.06.2008, summary; 1-3,5-16

párrafos [0020]-[0022],[0037],[0045],[0053]-[0057]. paragraphs [0020] - [0022], [0037], [0045], [0053] - [0057].

Y Y: 4 4

Y Y: WO 2005015013 A1 (VESTAS WIND SYS AS et al.) 17.02.2005, resumen; figuras. 4 WO 2005015013 A1 (VESTAS WIND SYS AS et al.) 02.17.2005, summary; figures. 4

A TO: EP 1747365 B1 (NORDEX ENERGY GMBH) 31.01.2007, resumen; figura 2; párrafo [0032]. 1 EP 1747365 B1 (NORDEX ENERGY GMBH) 01/31/2007, summary; figure 2; paragraph [0032]. one

Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud Category of the documents cited X: of particular relevance Y: of particular relevance combined with other / s of the same category A: reflects the state of the art O: refers to unwritten disclosure P: published between the priority date and the date of priority submission of the application E: previous document, but published after the date of submission of the application

El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº: This report has been prepared • for all claims • for claims no:

Fecha de realización del informe 06.04.2011 Date of realization of the report 06.04.2011: Examinador L. García Aparicio Página 1/5 Examiner L. García Aparicio Page 1/5

REPORT OF THE STATE OF THE TECHNIQUE

Minimum documentation sought (classification system followed by classification symbols) F03D Electronic databases consulted during the search (name of the database and, if possible, terms of

search used) INVENES, EPODOC

WRITTEN OPINION

Date of Completion of Written Opinion: 06.04.2011

Statement

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986) Novelty (Art. 6.1 LP 11/1986): Reivindicaciones Reivindicaciones 1-16 SI NO Claims Claims 1-16 IF NOT

Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986) Inventive activity (Art. 8.1 LP11 / 1986): Reivindicaciones Reivindicaciones 1-16 SI NO Claims Claims 1-16 IF NOT

The application is considered to comply with the industrial application requirement. This requirement was evaluated during the formal and technical examination phase of the application (Article 31.2 Law 11/1986).

Opinion Base.-

This opinion has been made on the basis of the patent application as published.

WRITTEN OPINION

1. Documents considered.-

The documents belonging to the state of the art taken into consideration for the realization of this opinion are listed below.

Documento Document: Número Publicación o Identificación Fecha Publicación Publication or Identification Number publication date

D01 D01: US2008129050 A1 (IND TECH RES INST) 05.06.2008 US2008129050 A1 (IND TECH RES INST) 05.06.2008

D02 D02: WO2005015013 A1 (VESTAS WIND SYS AS et al.) 17.02.2005 WO2005015013 A1 (VESTAS WIND SYS AS et al.) 02.17.2005

D03 D03: EP1747365 B1 (NORDEX ENERGY GMBH) 31.01.2007 EP1747365 B1 (NORDEX ENERGY GMBH) 01/31/2007

2. Statement motivated according to articles 29.6 and 29.7 of the Regulations for the execution of Law 11/1986, of March 20, on Patents on novelty and inventive activity; quotes and explanations in support of this statement

Document D1 discloses a hybrid system of electric generation from the mechanical power transmitted by a turbine that rotates with variable speed, comprising: a main generator (21), driven by the turbine, whose stator is connected to the power grid - an auxiliary generator (22), moved by said turbine, whose stator is connected to the mains at least through a power converter (60,70), and where the auxiliary generator rotor (22) and the rotor of the main generator (21) is electrically and magnetically decoupled Therefore, the matter of claim one of the application differs from that shown in D1, in which there is no mention that the main generator is connected to the power grid through means of connection, disconnection. However, this is a mere design option that would be apparent to a person skilled in the art, and its arrangement or not does not imply any variation in the object of the invention. In fact in document D03, a connection of a generator to the power grid is observed through interruption means. Therefore, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of LP 11/86.

2nd claim

In document D1, paragraph [0020] discloses that the power of the auxiliary generator is not greater than one third of the power of the main generator, therefore, it can be considered to be within the claimed scope or range. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of LP 11/86.

3rd claim

In document D1, it is disclosed that the main generator is of the asynchronous type. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of LP 11/86.

4th claim

In document D2, it is observed that there are impedances (8) connectable between the main generator (21) and the network (50) Therefore, a technician in the field who, starting from document D1, and having knowledge of document D2 would have impedances between the main generator and the network. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of the LP 11/86.

5th claim

In document D1, the presence of energy dissipation or storage means is disclosed in paragraph [0056] Accordingly, the subject of the first claim is not new as set forth in Art. 8.1 of LP 11/86 . Claim 6 The provision of an additional impedance (37) such as that of Figure 3, in principle does not imply any technical effect whose result is different from the one directly expected, nor is its application supposed to overcome technical difficulty that had not been exceeded so far. It is also one of the techniques that a technician in the field would choose. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of LP 11/86.

Claim 7

The arrangement of a secondary rotor and stator associated with the main rotor and stator is nothing more than an improvement in expected and predictable results, being able to happen to a technician in the matter in an obvious way. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of the LP 11/86.

WRITTEN OPINION

Claim 8

In figure 6 of document D1, it is observed that the turbine belongs to a wind turbine. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of the LP 11/86.

Claim 9

In document D1, paragraph [0037], [0055] it is disclosed that the turbine has flow control means for control and / or limit the wind power captured by the generator by adjusting the angle of the blades. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of the LP 11/86.

Claim 10

The fact that it has means of early wind measurement is a design option that a technician in the field it could occur to him to add without any intervention of inventive activity. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of the LP 11/86.

Claim 11

Document D1 discloses a hybrid procedure for generating electrical energy from the mechanical power transmitted by a turbine that rotates with variable speed: using a main generator (21) whose stator is connected to the power grid, an auxiliary generator (22 ) whose stator is connected to the mains via a power converter (70, 60) comprising the following modes of operation: (see paragraphs [0048] - [0050]) a) for powers less than the nominal power of the auxiliary generator (22), generate electrical energy using said auxiliary generator (22); b) for powers greater than the nominal power of the auxiliary generator (22) but less than the nominal power of the main generator (21), generate electricity using the main generator (22); and c) for powers greater than the nominal power of the main generator (21), generate electricity using both main (21) and secondary (22) generators. The matter of the first claim of the application differs from that shown in D1, in which there is no mention that the main generator is connected to the power grid through connection, disconnection means. However, this is a mere design option that would be apparent to a person skilled in the art, and its arrangement or not does not imply any variation in the object of the invention. In fact in document D03, a connection of a generator to the power grid is observed through interruption means. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of LP 11/86.

Claim 12

In document D1, it is disclosed in the summary and paragraph [0058] that the converter consumes or injects active power through of the auxiliary generator (41) to compensate for the oscillations of the shaft. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of the LP 11/86.

Claim 13

In document D1, in paragraphs [0053] - [0056] it is disclosed that during a tension gap it comprises the operation of dissipate or store energy that cannot be evacuated through the network. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of the LP 11/86.

Claim 14

In document D1, in paragraphs [0053] - [0054] it is disclosed that during a voltage gap it comprises the operation of generate reactive power to the network to raise the voltage in the main generator. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of the LP 11/86.

Claim 15

The procedure of increasing the impedance between the main generator and the network in case of a voltage gap, is one of the practices known by a technician in the field, since the result and its application is something immediate for a technician in the field . Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of LP 11/86.

Claim 16

The modification of the rotor resistance is something to a person skilled in the art to be able to modify the speed of rotation it would occur in an obvious way. Consequently, the subject of the first claim is not new as established in Art. 8.1 of the LP 11/86. It does not seem, in principle, that there is any matter on which to write an independent claim that will tell With novelty and inventive activity.