KR20070085927A - Hydrodynamic drive train for energy converters that use ocean currents - Google Patents

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KR20070085927A
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KR1020077012957A
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안드레아스 배스테크
마르틴 틸셔
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보이트 터보 게엠베하 운트 콤파니 카게
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Abstract

The invention relates to an energy generation system for obtaining electric energy from an ocean current. Said system comprises a drive train comprising an input shaft and an output shaft, the input shaft being driven at least indirectly by a water turbine and the output shaft at least indirectly driving an electric generator, which is connected to an electric network. The electric network has an essentially constant network frequency and the drive train comprises an output branching gear with a first output branch and at least one second output branch. The first output branch and the second output branch are interconnected by means of the output branching gear and a hydrodynamic component.

Description

해류를 사용하는 에너지 변환기용의 유체 역학적 구동 체인{HYDRODYNAMIC DRIVE TRAIN FOR ENERGY CONVERTERS THAT USE OCEAN CURRENTS}HYDRODYNAMIC DRIVE TRAIN FOR ENERGY CONVERTERS THAT USE OCEAN CURRENTS}

본 발명은 해류로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 발생된 전기 에너지는 특히 실제로 일정한 네트워크 주파수를 갖는 전기 네트워크에 공급된다.The present invention relates to an apparatus and a method for generating electrical energy from an ocean current, in which the generated electrical energy is actually supplied to an electrical network with a substantially constant network frequency.

해류는 에너지 발생의 경우에 대기 오염 물질을 방출하지 않으면서 전기 에너지를 획득할 수 있는 큰 잠재성을 제공한다. 이와 같은 해류는 영구적으로 존재하거나(이에 대한 한 예는 만(灣)에서 발생하는 해류이다) 또는 밀물과 썰물에 의해서 야기된다. 밀물과 썰물에 의해서 야기되는 해류는, 특히 간만표(干滿表)가 매우 강한 지역 그리고 예컨대 좁은 관류 영역 또는 특이하게 형성된 만(灣) 영역과 같은 지리적인 특성들로 인하여 독특한 해류가 야기되는 지역과 관련이 있다. 특별한 조건들이 존재한다면, 거센 파도가 물에 잠긴 터보 엔진을 구동시키기 위하여 활용될 수 있다. 이와 같은 조건들은 해류 유입 탱크와 같은 인공적인 조치들에 의해서 만들어질 수 있으며, 상기와 같은 인공적인 조치들에 의해서는 파도에 내재하는 동역학적인 에너지가 활용될 수 있다.Ocean currents offer great potential to obtain electrical energy without releasing air pollutants in the event of energy generation. Such currents exist permanently (an example of this is currents occurring in the bay) or is caused by high and low tide. Currents caused by high and low tide are particularly strong regions of tidal flats and areas where unique currents are caused by geographic features such as narrow perfusion areas or unusually formed bay areas. Related to If there are special conditions, rough waves can be utilized to drive the submerged turbo engine. Such conditions can be created by artificial measures, such as current inflow tanks, and by such measures, the dynamic energy inherent in the waves can be utilized.

해류를 이용하여 워터 터빈을 구동시킬 때에 나타나는 특징들 중의 하나는 시간에 따라 변동될 수 있는 파워 수득율(power yield)일 수 있다. 이와 같은 시간에 따른 지속적인 변동은 영구적인 유동 지역에서도 발생한다. 이러한 상태는 우선 놀라운 것이기는 하지만, 예를 들어 만(灣)에서 수십 미터의 통상적인 잠수 깊이를 갖는 터보 엔진의 측정 결과들이 보여주는 사실은, 상기와 같은 에너지 발생 시스템을 위해서는 시간에 따라 변동될 수 있는 파워 수득율이 고려되어야만 한다는 것이다. 그 원인은 한편으로는 날씨의 영향들 그리고 이와 같은 날씨의 영향들로부터 야기되는 파도의 움직임이다. 다른 한편으로 측정 결과들은 해류에서의 난류 발생을 증명하였다. 난류는 간만의 흐름에서 뿐만 아니라 바다에서의 영구적인 유동 패턴에서도 나타나고, 특히 바람직하게는 에너지 발생을 위하여 제공된 50 미터까지의 수심 영역에서 두드러지게 나타난다.One of the features that appear when driving a water turbine using current flow can be a power yield that can vary over time. This continuous change over time also occurs in permanent flow zones. This condition is surprising first of all, but the fact that the measurement results of turbo engines with typical submersion depths of tens of meters in the bay, for example, can vary over time for such energy generation systems. The power yield must be taken into account. The cause is, on the one hand, wave movements resulting from weather effects and such weather effects. On the other hand, the measurement results demonstrated the occurrence of turbulence in the ocean currents. Turbulence appears not only in tidal flows but also in permanent flow patterns in the oceans, particularly in the depth zones of up to 50 meters provided for energy generation.

유동 매체의 동역학적인 에너지를 수력 터빈의 동력학적인 에너지로 변환시키는 기계적인 에너지 변환 과정에서는, 해류에서 얻을 수 있는 동역학적인 에너지의 시간에 따른 변동 이외에 특성 및 동역학과 관련된 특이 사항들에 대해서도 주의를 기울여야만 한다. 따라서, 입력 샤프트에는 파워 변환을 위한 시스템 고유의 특성이 존재하는데, 이와 같은 특성은 파워를 변환시키기 위한 고속 주행에 상응하는 최적의 회전수/토크 비율을 해류의 특정 유동 속도에 할당하고, 상기 최적의 회전수/토크 비율은 재차 파워 변환기의 구조 및 형상에 의존한다.In the mechanical energy conversion process, which converts the dynamic energy of a fluid medium into the dynamic energy of a hydro turbine, attention should be paid to the characteristics and dynamics in addition to the fluctuations of the dynamic energy from the ocean currents over time. Should be. Thus, there is a system specific characteristic for power conversion in the input shaft, which assigns an optimum rotational speed / torque ratio corresponding to a high speed drive for power conversion to a specific flow velocity of the current, and the optimum The rotational speed / torque ratio of is again dependent on the structure and shape of the power converter.

상기와 같은 파워 변환 특성은 풍력 터빈과 같은 다른 터보 엔진에서도 존재한다. 하지만 해류로부터 에너지를 얻기 위한 터보 엔진들은 풍력 시스템과 상이한데, 그 이유는 유동 매체의 보다 높은 밀도로 인하여 높은 토크가 파워 변환기에 작용하고, 그런 이유로 해서 상기 파워 변환기가 예를 들어 구동 체인 및 전기식 제너레이터 그리고 기계적인 지지 구조물과 같은 에너지 발생 시스템의 추가 소자들에 비하여 크기가 작게 구성되었기 때문이다. 이와 같은 사실로부터, 전체 시스템을 유동 기술적인 관점에서 개선하기 위하여, 에너지 발생 시스템의 구동 체인 및 전기 기계를 가급적 작게 형성해야 할 필연성이 도출된다. 하지만 에너지 발생 시스템에 사용되는 전기식 제너레이터들과 관련하여 전체 크기를 줄이고자 하는 경우에는, 해류에 의해 구동된 파워 변환기가 통상적으로 20 U/min 미만의 상대적으로 낮은 회전수로 순환한다는 장애가 존재한다. 워터 터빈과 전기식 제너레이터 사이에 기어를 접속시키지 않으면, 전기 기계의 낮은 순환 속도로 인하여 전체적인 크기가 확대될 수밖에 없다.Such power conversion characteristics also exist in other turbo engines such as wind turbines. However, turbo engines for obtaining energy from currents are different from wind systems, because of the higher density of the flow medium, high torque acts on the power converter, which is why the power converter is for example driven chain and electrical. This is because they are smaller in size compared to additional elements of energy generating systems such as generators and mechanical support structures. From this fact, in order to improve the whole system from the flow technical point of view, the necessity to form the drive chain and the electric machine of the energy generating system as small as possible is derived. However, when it comes to reducing the overall size associated with electrical generators used in energy generating systems, there is a barrier that power converters driven by current flow typically circulate at relatively low rotational speeds of less than 20 U / min. If no gear is connected between the water turbine and the electrical generator, the overall circulation is inevitably due to the low circulation speed of the electric machine.

해류에 의해 구동되는 에너지 발생 시스템이 고정된 네트워크 주파수를 갖는 전기 복합 네트워크(electric combined network)에 전기 에너지를 공급하면, 추가의 요구 조건들이 나타난다. 에너지 발생 시스템의 파워 변환기, 즉 워터 터빈의 회전수가 가변적이라는 사실로부터 출발하면, 그와 마찬가지로 회전수가 가변적으로 작동하는 전기식 제너레이터는 상기 전기 복합 네트워크에 에너지를 공급하기 위한 주파수 변환기를 사용해야 할 필연성을 야기한다. 상기 주파수 변환기는 전기식 제너레이터를 필요한 주파수로 여기시키고, 기존의 네트워크 주파수에 대한 차이를 보상한다. 하지만 이와 같은 접근 방식은 어려움이 있는데, 그 이유는 터보 엔진의 경우에는 파워 변환 특성의 특이 사항들이 주파수 변환기에 의해서 단지 불충분하게만 표현될 수 있기 때문이다. 이 경우에 특히 조파 진동 부하 및 무효 전 력의 형성과 관련하여 적합한 네트워크 전력 공급 품질에 도달하기 위해서는 이에상응하는 높은 비용을 지출해야만 한다.Additional requirements arise when the energy generating system driven by the current flow supplies electrical energy to an electric combined network having a fixed network frequency. Starting from the fact that the power converter of the energy generating system, i.e., the speed of the water turbine is variable, likewise the electric generator with variable speed operates creates the necessity of using a frequency converter to supply energy to the electric complex network. do. The frequency converter excites the electrical generator to the required frequency and compensates for the difference to the existing network frequency. However, this approach is difficult because, in the case of turbo engines, the peculiarities of the power conversion characteristics can only be insufficiently represented by the frequency converter. In this case, a correspondingly high cost is required to achieve a suitable network power supply quality, especially with regard to the formation of harmonic vibration loads and reactive power.

그 대신에 대안적인 방법으로서, 예를 들어 블레이드 휠(blade wheel)을 조절함으로써 파워 변환기의 회전 상수가 보장되도록 워터 터빈이 형성되면, 파워 변환기에 의해서 적어도 간접적으로 구동되는 전기식 제너레이터도 회전수가 고정되도록 형성될 수 있다. 이와 같이 회전수가 고정된 에너지 발생 시스템은 비동기식 제너레이터를 사용하는 경우에 원리적인 슬립 현상으로 인하여 간단한 방식으로 전기 복합 네트워크에 접속될 수 있다. 그러나 이 경우의 단점은, 파워 변환기의 회전수를 일정하기 유지하기 위한 블레이드 휠 위치를 설정함으로써 결과적으로 에너지 효율이 떨어진다는 점이다. 다시 말해서, 파워 변환기가 해류로부터 최대의 에너지를 얻을 수 없게 된다.Instead, as an alternative method, if the water turbine is formed such that, for example, by adjusting the blade wheel, the rotational constant of the power converter is ensured, the electric generator driven at least indirectly by the power converter is also fixed. Can be formed. As such, an energy generating system having a fixed rotation speed can be connected to an electric hybrid network in a simple manner due to a principle slip phenomenon when using an asynchronous generator. However, a disadvantage of this case is that the energy efficiency is lowered as a result of setting the blade wheel position for keeping the speed of the power converter constant. In other words, the power converter cannot obtain the maximum energy from the current.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전술한 단점들이 극복된, 해류로부터 전기 에너지를 발생시키기 위한 장치 그리고 상기 장치를 작동시키기 위한 방법을 제공하는 것이다. 특히 상기와 같은 에너지 발생 시스템은 파워 변환기의 회전수가 가변적인 동시에 전기식 제너레이터의 회전수가 일정한 부분 부하 영역에서 작동될 수 있어야 한다. 또한 상기 에너지 발생 시스템은 추가의 작동 상태들을 구현할 수 있어야 한다. 특히 공동 현상의 발생을 방지하고 유해한 순환 회전수로부터 어류를 보호하기 위하여, 상기 파워 변환기의 회전수는 회전수 임계값 위에서는 조절될 수 있어야 한다. 회전수가 일정한 파워 영역에서는 부하 충격을 흡수하고 파워 피크를 분석하기 위한 충격 감소 및 단시간 에너지 공급이 가능해야만 한다. 또한 상기 에너지 발생 시스템은 전체 부하 영역에서 모멘트 조정 그리고 예컨대 운전 정지 및 부하 차단(load shedding)과 같은 특이한 작동 상태들도 구현할 수 있어야 한다.The problem to be solved by the present invention is to provide an apparatus for generating electrical energy from an ocean current and a method for operating the apparatus, in which the aforementioned disadvantages are overcome. In particular, such an energy generating system should be capable of operating in a partial load region where the speed of the power converter is variable while the speed of the electrical generator is constant. The energy generation system should also be able to implement additional operating states. In particular, in order to prevent the occurrence of cavitation and to protect the fish from harmful circulation speeds, the speed of the power converter should be adjustable above the speed threshold. In the power range, where the speed is constant, shock reduction and short-term energy supply to absorb load shocks and analyze power peaks must be possible. The energy generation system should also be able to implement momentary adjustments in the entire load area and unusual operating states such as, for example, shutdown and load shedding.

상기 과제를 해결하기 위하여, 발명자는 우선 전기식 제너레이터를 워터 터빈에 비해 충분히 크기가 작게 형성할 수 위해서는, 해류에 의해 구동되는 워터 터빈이 기어를 통해 고속으로 운행되는 전기식 제너레이터에 연결되어야만 한다는 사실을 인식하게 되었다. 추가로 본 발명에 따르면, 워터 터빈과 전기식 제너레이터 간의 결합은 수력학적 기어를 포함하는 구동 체인에 의해서 이루어진다. 상기 수력학적 기어는 한편으로는 회전수 변속을 위하여 이용되고, 다른 한편으로는 전기식 제너레이터의 회전수를 일정하게 하는 동시에 워터 터빈의 회전수 가변 가능성을 구현하기 위해서도 이용된다. 이와 같은 내용은 상기 수력학적 기어 내부에 있는 적어도 하나의 수력학적 소자를 조절 및 제어함으로써 실현될 수 있으며, 이 경우에는 특히 상기 수력학적 기어를 파워 분기 기어로서 형성하는 것이 바람직하다.In order to solve the above problem, the inventors first recognize that in order to be able to form an electric generator small enough in size compared to a water turbine, a water turbine driven by sea current must be connected to an electric generator running at high speed through a gear. Was done. In addition, according to the invention, the coupling between the water turbine and the electrical generator is made by a drive chain comprising a hydraulic gear. The hydraulic gear is used on the one hand for the speed shift, and on the other hand, to make the speed of the electric generator constant and at the same time to realize the possibility of variable speed of the water turbine. Such content can be realized by adjusting and controlling at least one hydraulic element inside the hydraulic gear, in which case it is particularly desirable to form the hydraulic gear as a power branch gear.

본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 구동 체인은 제1 파워 분기로 파워를 분기시키기 위한 중첩 기어, 예를 들어 위성 기어 그리고 적어도 하나의 제2 파워 분기를 포함한다. 상기 제1 파워 분기 내부에는 전기식 제너레이터를 구동시키기 위하여 고속으로 순환하는 샤프트가 배치되어 있다. 상기 제2 파워 분기는 수력학적 소자들, 예를 들어 수력학적 변환기, 수력학적 커플링 또는 트리 로크(trilock) 변환기를 통하여 상기 제1 파워 분기와 적어도 간접적으로 작용 결합되어 있다. 수력학적 소자들을 통해 파워 흐름을 조절하고 제어함으로써 그리고 제1 파워 분기와 제2 파워 분기 간의 커플링 정도를 조절하고 제어함으로써, 파워 변환기의 회전수 가변 가능성 및 그와 더불어 해류로부터 최대의 에너지를 얻을 수 있는 동시에 전기식 제너레이터의 회전수도 일정하게 유지할 수 있다.According to one preferred embodiment of the invention, the drive chain comprises an overlapping gear, for example a satellite gear and at least one second power branch for diverting power to the first power branch. Inside the first power branch, a shaft circulating at high speed is disposed to drive the electric generator. The second power branch is at least indirectly coupled to the first power branch via hydraulic elements, for example a hydraulic transducer, a hydraulic coupling or a trilock transducer. By adjusting and controlling the power flow through the hydraulic elements and by adjusting and controlling the degree of coupling between the first and second power branches, the possibility of varying the rotational speed of the power converter and with it the maximum energy from the current At the same time, the rotation speed of the electric generator can be kept constant.

종래 기술에 따른 워터 터빈의 작동 중에는 전기식 제너레이터가 우선 자신의 목표 회전수에 도달할 때까지 가속되고, 전기 네트워크와의 동기화가 실행될 수 있다. 그때 성취된 정상 작동 중에는 네트워크 주파수가 전기식 제너레이터에 제공되고, 그에 따라 제1 파워 분기에는 극성 개수에 의존하는 목표 회전수가 제공된다. 전기식 제너레이터의 통상적인 회전수가 예를 들어 1500 U/min이기 때문에, 결과적으로 구조적인 크기가 작은 전기식 제너레이터들이 사용될 수 있다. 그 밖에, 전술한 바와 같이 회전수가 높은 경우에는, 제1 파워 분기의 샤프트 상에서 상기 제1 파워 분기에 적어도 간접적으로 연결된, 제2 파워 분기에 할당된 수력학적 소자들의 효과적인 작동도 또한 가능하다. 수력학적 소자들에 의해서 조절되고 제어된 제1 파워 분기와 제2 파워 분기간의 파워 흐름으로 인하여, 파워 변환에 최적인 회전수를 갖는 워터 터빈이 제공될 수 있다.During operation of the water turbine according to the prior art, the electric generator is first accelerated until it reaches its target rotational speed, and synchronization with the electric network can be executed. During normal operation achieved then, the network frequency is provided to the electrical generator, so that the first power branch is provided with a target rotational speed depending on the number of polarities. Since the conventional rotational speed of the electric generator is for example 1500 U / min, electric generators of small structural size can be used as a result. In addition, when the rotational speed is high as described above, the effective operation of the hydraulic elements assigned to the second power branch, which is at least indirectly connected to the first power branch on the shaft of the first power branch, is also possible. Due to the power flow between the first power branch and the second power branch regulated and controlled by hydraulic elements, a water turbine having a rotational speed that is optimal for power conversion can be provided.

수력학적 조정 변환기가 제1 파워 분기와 제2 파워 분기 사이를 연결하기 위한 수력학적 소자들로서 사용되면, 회전수-/파워- 및 회전수-/모멘트 비율과 관련하여 상기 조정 변환기의 특성은 상기 파워 변환기의 특성에 상응하게 된다. 이와 같은 사실은 자동 조절 효과를 실현하기 위해서 활용될 수 있다. 조정 변환기를 구비한 구동 체인은, 워터 터빈이 상기 조정 변환기의 가이드 휠의 실제로 일정한 소정 위치에서 회전수와 관련하여 출력에 최적인 상태로 그리고 그와 동시에 전기식 제너레이터의 순환 회전수가 일정한 경우에 가이드 될 수 있도록 설계될 수 있다. 이와 같은 설계 방식에 따르면, 본 발명에 따른 에너지 발생 시스템의 파워 분기된 구동 체인에 조정 변환기를 사용하는 경우에는 출력에 최적인 워터 터빈의 회전수를 설정하기 위한 규정이 전혀 필요치 않다.If a hydraulically regulated converter is used as hydraulic elements for connecting between a first power branch and a second power branch, the characteristics of the regulated converter in relation to the speed- / power- and speed- / moment ratios are dependent on the power. Corresponds to the characteristics of the transducer. This fact can be utilized to realize the automatic adjustment effect. The drive chain with the regulating transducer may be guided when the water turbine is optimal for the output in relation to the rotational speed at a substantially constant position of the guide wheel of the regulating transducer and at the same time the circulation speed of the electric generator is constant. It can be designed to be. According to this design scheme, when the regulating converter is used in the power branched drive chain of the energy generating system according to the present invention, there is no requirement for setting the rotation speed of the water turbine that is optimal for the output.

공동 현상 기포의 형성을 피하기 위해서는, 워터 터빈의 최대 회전수가 초과되어서는 안 된다. 그 밖에 워터 터빈의 회전수가 증가함에 따라 바닷속 생물에 대한 손상 위험도 증가하게 된다. 그렇기 때문에, 개별적으로 워터 터빈의 형상 및 크기 그리고 본 경우의 유동 방향 및 유동 속도에 의존하는 소정의 회전수 임계값부터는 에너지 발생 시스템의 바람직한 형상에 상응하게 또는 바람직한 작동 방법에 상응하게 상기 워터 터빈의 순환 속도가 제한된다. 설계 방식에 따라, 에너지 발생 시스템의 워터 터빈에 대한 상부 회전수 임계값의 결정하는 경우에는 상기 두 가지 팩터들 중에서 하나의 팩터가 결정적이다.In order to avoid the formation of cavitation bubbles, the maximum speed of the water turbine should not be exceeded. In addition, as the speed of the water turbine increases, the risk of damage to marine life also increases. As such, from the predetermined rotational speed threshold depending on the shape and size of the water turbine and the flow direction and flow velocity in this case, the water turbine corresponds to the desired shape or to the preferred method of operation. The circulation speed is limited. Depending on the design approach, one of the two factors is crucial when determining the upper rotational speed threshold for the water turbine of the energy generating system.

본 발명에 따른 에너지 발생 시스템에서, 워터 터빈의 회전수를 제한하기 위한 회전수 가이드는 수력학적 기어 내부에 있는 수력학적 소자들을 위해 선택된 조절 방식에 의해서 이루어진다. 예를 들어 하나의 조정 변환기가 사용되고, 본 발명에 따른 에너지 발생 시스템의 구동 체인이 바람직하게 파워 분기된 상태로 형성되었다면, 제1 파워 분기로부터 제2 파워 분기로의 파워 전달은 상기 조정 변환기의 가이드 휠의 설정을 변동시킴으로써 이루어질 수 있다. 상기와 같은 목적을 위해서는 일반적으로 워터 터빈이 출력에 최적인 상태로 가이드 되는 가이드 휠 상태가 중단된다.In the energy generation system according to the invention, the speed guide for limiting the speed of the water turbine is made by means of an adjustment scheme selected for the hydraulic elements inside the hydraulic gear. If, for example, one regulating converter is used and the drive chain of the energy generating system according to the invention is preferably formed in a power branched state, the power transfer from the first power branch to the second power branch is guided by the regulation converter. This can be done by varying the setting of the wheel. For this purpose, the guide wheel state is generally stopped, which guides the water turbine to an optimal state for output.

전력 소비가 최상인 경우, 즉 전력 소비가 포물선을 따라 이루어지는 경우에 상기 임계 회전수에는 전력 소비 임계값도 할당되어 있다. 상기 파워 임계값 위에 있는 입력 파워의 변동시, 워터 터빈의 회전수 상수를 유지하기 위해서는 수력학적 기어 내부에 있는 수력학적 소자들을 조절할 필요가 있다. 이와 같은 조절을 위해 필요한 워터 터빈 회전수 검출 센서 그리고 상기 수력학적 소자들에 작용하는 조절기의 형상은 전문가적인 지식의 틀 안에서 구현될 수 있다.When the power consumption is the best, i.e., when the power consumption is along a parabolic line, the threshold rotational speed is also assigned a power consumption threshold. In the event of a change in input power above the power threshold, it is necessary to adjust the hydraulic elements inside the hydraulic gear to maintain the rotational constant of the water turbine. The shape of the water turbine speed detection sensor required for such adjustment and the regulator acting on the hydraulic elements can be realized within the framework of expert knowledge.

수력학적 기어를 구비한 본 발명에 따른 에너지 발생 시스템의 한 가지 특이한 장점은, 회전수가 조절된 워터 터빈의 작동 상태를 위하여 파워 입력부에서의 진동 및 특히 시간에 따라 신속하게 교체되는 부하 변동이 감쇠될 수 있다는 것 그리고 상기 워터 터빈의 에너지 유입이 워터 터빈을 단시간 내에 가속하기 위하여 그리고 그와 더불어 단시간 에너지 저장기로서 사용될 수 있다는 것이다. 이와 같은 특성의 원인은, 수력학적 소자들의 설정 내용을 조절 또는 제어함으로써 특정 작업점이 정해져 있기 때문이다. 소정의 회전수 간격이 존재하는 경우에 워터 터빈 회전수의 변동은 상기 작업점 만큼 가능하다. 이를 위해서는 ±10 % 및 바람직하게는 ±5 % 그리고 특히 바람직하게는 ±3 %의 변동 폭이 허용된다.One particular advantage of the energy generation system according to the invention with hydraulic gears is that the vibrations at the power input and in particular the load fluctuations which are replaced quickly over time are attenuated for the operating state of the water turbine with the speed adjusted. And that the energy input of the water turbine can be used to accelerate the water turbine in a short time and with it as a short time energy store. The reason for this characteristic is that a specific work point is determined by adjusting or controlling the setting contents of the hydraulic elements. In the case where a predetermined speed interval exists, the variation of the water turbine speed can be as much as the working point. To this end a fluctuation range of ± 10% and preferably ± 5% and particularly preferably ± 3% is allowed.

난류 효과로 인하여 워터 터빈에 대한 부하 충격이 발생하면, 회전수는 소정 범위에서 상승하고, 그에 따라 단시간 동안 제공된 추가의 파워가 시스템 내부로 유입된다. 이와 같은 과정은 한편으로는 상기 추가된 파워를 활용하려는 목적을 가지며, 다른 한편으로는 부하 충격을 완화시켜 기계적인 지지 구조물에 의한 부하 충격 흡수 작용이 더 이상 필요 없도록 하려는 목적을 갖는다. 이와 같은 특징은 바람직하게 구동 체인 내부에서 토크 충격을 줄여주고, 그럼으로써 에너지 발생 시스템의 유효 수명에 영향을 미친다.If a load impact on the water turbine occurs due to the turbulent effect, the speed will rise in a certain range, so that additional power provided for a short time is introduced into the system. This process has the purpose of utilizing the added power on the one hand, and on the other hand, to alleviate the load impact so that the load shock absorbing action by the mechanical support structure is no longer needed. This feature preferably reduces the torque impact inside the drive chain, thereby affecting the useful life of the energy generating system.

본 발명에 따른 에너지 발생 시스템이 파워에 최적인 상태에서 포물선을 따라서 그리고 바람직하게는 특정 회전수 임계값으로부터 회전수 제한된 상태로 또는 회전수 가이드 된 상태로 작동되는 부분 부하 영역 내부에는 전체 부하 영역이 연결된다. 상기 전체 부하 영역의 특징은, 파워 변환기 상에서 최대 토크가 달성된다는 것이다. 상기 토크 임계값 위에서는 워터 터빈을 위한 토크 조정이 이루어지며, 이 경우 본 발명에 따른 에너지 발생 시스템을 위해서는 구동 체인 내부에 있는 수력학적 소자들을 조절하는 이외에 워터 터빈에 의해 소비된 파워를 제한하는 추가의 조정 부재들이 사용된다. 한 바람직한 실시예에서, 워터 터빈의 블레이드 휠의 각도 변경에 의해서는 파워 제한이 성취되지만 이와 같은 파워 제한 과정은 느린 반응 시간을 갖는 반면에, 수력학적 소자들의 조절, 조정 변환기의 경우에는 조정 휠의 조절에 의해서는 전기식 제너레이터를 위하여 단시간 동안 파워가 제한된다. 따라서, 워터 터빈의 블레이드 휠의 각도 조절 시스템은 고속 조절이 가능한 조정 변환기와 단시간 동안에 연결될 수 있다.In the partial load region operated along the parabola in a state where the energy generating system according to the invention is optimal for power and preferably in a speed limited state or in a speed guided state from a specific speed threshold, Connected. A feature of the full load region is that maximum torque is achieved on the power converter. Above the torque threshold is a torque adjustment for the water turbine, in which case for the energy generation system according to the invention an additional limit is placed on the power dissipated by the water turbine in addition to adjusting the hydraulic elements inside the drive chain. Adjusting members are used. In one preferred embodiment, the power limitation is achieved by changing the angle of the blade wheel of the water turbine, but this power limitation process has a slow reaction time, while in the case of the adjustment of the hydraulic elements, in the case of the regulating converter, The regulation limits the power for a short time for the electrical generator. Thus, the angle adjustment system of the blade wheel of the water turbine can be connected for a short time with the adjustment transducer capable of high speed adjustment.

조정 변환기 대신에 수력학적 커플링이 수력학적 소자로서 사용되면, 워터 터빈을 파워 최적인 상태로 가이드 하기 위한 자동 조절은 전혀 실현될 수 없다. 이와 같은 경우에는, 부분 부하 영역에서 워터 터빈의 회전수를 파워 최적인 상태로 포물선을 따라 가이드 하기 위하여, 상기 수력학적 커플링의 설정 내용이 능동적으로 조절되어야만 한다. 하지만 조정 변환기 대신에 바람직하게 수력학적 커플링을 사용하는 경우에는, 구동 체인의 파워 효율의 상승이 특히 전체 부하 조건 하에서 이루어진다. 대안적인 수력학적 소자들로서 트리 로크 변환기가 사용되면, 효율 측면에서도 소정의 파워 영역 또는 작동 단계에서는 수력학적 조정 변환기에 비해 장점들이 나타난다.If a hydraulic coupling is used as a hydraulic element instead of a regulating converter, no automatic regulation for guiding the water turbine to the power optimum can be realized at all. In such a case, in order to guide the rotational speed of the water turbine along the parabola in the power optimum state in the partial load region, the setting contents of the hydraulic coupling must be actively adjusted. However, in the case of preferably using hydraulic coupling instead of regulating transducers, an increase in the power efficiency of the drive chain is achieved, especially under full load conditions. If tree lock transducers are used as alternative hydraulic elements, advantages also arise in terms of efficiency over hydrostatically controlled transducers in certain power regions or operating stages.

본 발명은 도면을 참조하여 아래에서 상세하게 설명된다.The invention is explained in detail below with reference to the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 발생 시스템의 개략도이고,1 is a schematic diagram of an energy generation system according to the present invention,

도 2는 제1 및 제2 파워 분기를 갖춘 에너지 발생 시스템의 구동 체인의 한 바람직한 실시예를 도시한 개략도이며,2 is a schematic diagram illustrating one preferred embodiment of a drive chain of an energy generation system with first and second power branches,

도 3은 본 발명에 따른 에너지 발생 설비의 세 가지 작동 영역의 회전수-/토크 다이어그램이고,3 is a rotational speed / torque diagram of three operating regions of an energy generating installation according to the invention,

도 4는 부분 부하 영역에서 파워 최적인 회전수 가이드를 실현하기 위하여 구동 체인에 수력학적 조정 변환기를 사용하는 경우의 자동 조절 효과를 보여주는 도면이며,4 is a view showing the automatic adjustment effect when using a hydraulically adjustable transducer in the drive chain to realize a power optimum speed guide in the partial load region,

도 5는 도 3의 개별 작동 영역들 간에 변환이 이루어질 때에 수력학적 조정 변환기의 가이드 휠의 조절 상태를 보여주는 도면이고,FIG. 5 is a view showing the adjustment state of the guide wheel of the hydraulically adjusted transducer when conversion is made between the individual operating regions of FIG. 3, FIG.

도 6은 회전수 조정된 영역에서 본 발명에 따른 에너지 발생 시스템의 단시간 에너지 저장 및 부하 충격 감소를 도시하며,6 shows short-term energy storage and load impact reduction of an energy generating system according to the invention in a speed adjusted region,

도 7은 본 발명에 따른 에너지 발생 시스템을 작동시키기 위한 세 가지 조절 평면을 도시한 개략도이다.Figure 7 is a schematic diagram showing three adjustment planes for operating the energy generation system according to the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 발생 시스템을 개략적으로 보여준다. 전기 네트워크(60)에 연결된 전기식 제너레이터(11)는 워터 터빈(3)에 의하여 적어도 간접적으로 구동된다. 워터 터빈(3)은 당업자의 재량의 틀 안에서 형성될 수 있다. 예를 들면 2개 또는 다수 개의 블레이드를 구비한 프로펠러 구조가 선택될 수 있다. 보호의 목적으로 또는 흐름을 가이드 할 목적으로 이용되는 추가의 구조물들이 워터 터빈 둘레에 제공될 수도 있다. 본 발명에 따르면, 워터 터빈(3)과 상기 전기식 제너레이터(11) 사이에서는 수력학적 구동 체인(1)이 사용된다. 본 발명에서 수력학적 구동 체인(1)이란, 제1 파워 분기(7) 및 적어도 하나의 제2 파워 분기(18)를 포함하는 파워 분기된 구동 체인을 의미한다. 구동측에서 수력학적 구동 체인에 제공되는 파워를 분기시키기 위하여 파워 분기 기어가 사용되며, 상기 기어는 예를 들어 유성 휠 세트일 수 있다. 파워 분기 기어(5)의 피동측에서는 상기 제2 파워 분기에 할당된 수력학적 소자들에 의해서 제1 파워 분기(7)와 제2 파워 분기(18) 간에 결합이 이루어짐으로써, 워터 터빈(3)의 전기식 제너레이터(11)의 일정한 순환 속도로부터 상이한 순환 속도들을 제공하는 것이 가능해진다.1 schematically shows an energy generation system according to the invention. The electrical generator 11 connected to the electrical network 60 is at least indirectly driven by the water turbine 3. The water turbine 3 may be formed within the framework of those skilled in the art. For example, a propeller structure with two or multiple blades can be selected. Additional structures may be provided around the water turbine that are used for protection purposes or to guide the flow. According to the invention, a hydraulic drive chain 1 is used between the water turbine 3 and the electric generator 11. In the present invention, the hydraulic drive chain 1 means a power branched drive chain comprising a first power branch 7 and at least one second power branch 18. A power branch gear is used to branch the power provided to the hydraulic drive chain on the drive side, which may for example be a planetary wheel set. On the driven side of the power branch gear 5, a coupling is made between the first power branch 7 and the second power branch 18 by hydraulic elements assigned to the second power branch, so that It is possible to provide different circulation speeds from a constant circulation speed of the electrical generator 11.

에너지 발생 시스템은 또한 선택적인 소자들을 포함할 수도 있다. 이와 같은 선택적인 소자들이란 수력학적 구동 체인 앞에 또는 뒤에 접속된 추가의 기어들이다. 도 1에서는 유성 휠 기어로서 형성된 변속단(4)이 워터 터빈 회전수의 제1 변속을 위해서 이용된다. 또한, 수력학적 구동 체인(1)과 전기식 제너레이터(11) 사이에는 클러치 및/또는 브레이크를 포함할 수 있는 동력 전달 부재(50)가 제공될 수 있다. 상기 클러치 및 브레이크는 추가의 기어(4)와 수력학적 구동 체인(1) 사이에도 존재할 수 있다.The energy generation system may also include optional elements. Such optional elements are additional gears connected before or after the hydraulic drive chain. In FIG. 1, the gear stage 4 formed as a planetary wheel gear is used for the first shift of the water turbine rotational speed. In addition, a power transmission member 50 may be provided between the hydraulic drive chain 1 and the electrical generator 11 which may include a clutch and / or a brake. The clutch and brake may also be present between the additional gear 4 and the hydraulic drive chain 1.

도 1에는 에너지 발생 시스템을 위한 기계식 지지 구조물이 상세하게 도시되어 있지는 않다. 도 1에 도시된 소자들이 구성 유닛으로서 통합되어 수밀 방식의 하우징으로 둘러싸임으로써, 상기 구성 유닛 전체가 잠길 수 있는 실시예가 바람직하다. 상기 구성 유닛은 지지 구조물을 따라서 에너지 획득을 위해 바람직한 깊이까지 잠길 수 있다.1 does not show the mechanical support structure for the energy generation system in detail. An embodiment in which the elements shown in FIG. 1 are integrated as a constituent unit and surrounded by a watertight housing, whereby the entire constituent unit can be locked is preferred. The building unit can be submerged along the support structure to a desired depth for energy gain.

도 2는 본 발명에 따른 에너지 발생 시스템의 수력학적 구동 체인(1)의 한 바람직한 실시예를 보여준다. 도면을 통해 상세하게 설명하자면, 상기 수력학적 구동 체인의 입력 샤프트(2)는 본 발명에 따른 풍력 시스템의 워터 터빈(3)에 적어도 간접적으로 연결되어 있다. 본 경우에 일정한 변속비를 갖는 기어(4)는 풍력 기계의 회전자(3)와 상기 입력 샤프트(2) 사이에 배치되어 있다. 도 2에 도시된 실시예에서 구동 체인(1)의 파워 분기 기어로서는 위성 휠 기어가 사용되며, 이 경우에는 입력 샤프트(2)가 위성 휠 캐리어(6)에 연결되어 있다. 파워 분기 기어(5) 내부에는 두 개의 파워 분기가 존재하는데, 제1 파워 분기(7)는 파워를 상기 위성 휠 기어의 선 휠(9)(sun wheel)을 통해 구동 체인의 출력 샤프트(10)로 가이드 한다. 상기 출력 샤프트(10)는 적어도 간접적으로 전기식 제너레이터(11)를 구동시키고, 수력학적 조정 변환기(12)와 작용 결합 상태에 있다. 이 목적을 위하여 상기 출력 샤프트(10)는 수력학적 조정 변환기(12)의 펌프 휠(13)에 적어도 간접적으로 연결되어 있다. 조정 블레이드를 갖춘 가이드 휠이 수력학적 변환기(12) 내부에서 반응 부재(15)로서 사용되며, 상기 가이드 휠에 의해서는 터빈 휠(14)에 미치는 파워의 영향이 조절될 수 있다. 터빈 휠(14)을 통해서는 재차 제2의 강성의 위성 휠 세트(16)를 통해 가이드 되는 파워가 역으로 영향을 미치고, 파워 분기 기어(5)의 외부 휠(17)에 작용하여 변속비에도 영향을 미친다. 이와 같은 기능은 파워의 역작용을 위해서 이용되는 상기 파워 분기 기어의 제2 파워 분기(18)가 담당한다.2 shows one preferred embodiment of the hydraulic drive chain 1 of the energy generation system according to the invention. In detail, the input shaft 2 of the hydraulic drive chain is at least indirectly connected to the water turbine 3 of the wind power system according to the invention. In this case a gear 4 with a constant speed ratio is arranged between the rotor 3 of the wind machine and the input shaft 2. In the embodiment shown in FIG. 2, a satellite wheel gear is used as the power branch gear of the drive chain 1, in which case the input shaft 2 is connected to the satellite wheel carrier 6. Inside the power branch gear 5 there are two power branches, the first power branch 7 transmitting power via a sun wheel 9 of the satellite wheel gear to the output shaft 10 of the drive chain. To guide. The output shaft 10 drives the electrical generator 11 at least indirectly and is in operative coupling with the hydraulically adjusted transducer 12. For this purpose the output shaft 10 is at least indirectly connected to the pump wheel 13 of the hydraulically adjusted transducer 12. A guide wheel with an adjusting blade is used as the reaction member 15 inside the hydraulic transducer 12, by which the influence of the power on the turbine wheel 14 can be adjusted. Through the turbine wheel 14 again the power guided through the second rigid satellite wheel set 16 adversely affects and acts on the outer wheel 17 of the power branch gear 5 to affect the speed ratio. Crazy This is the function of the second power branch 18 of the power branch gear which is used for the reverse action of power.

본 발명에 따른 에너지 발생 시스템의 작동을 위하여 세 개의 주요 작동 영역들이 구분된다. 이와 같은 구분은 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예에서 워터 터빈에 의해 소비되고 임의의 단위로 표시된 파워는 마찬가지로 임의의 단위로 표시된 워터 터빈의 회전수에 의존한다.Three main operating areas are distinguished for the operation of the energy generating system according to the invention. This division is schematically illustrated in FIG. 3. The power consumed by the water turbine in this embodiment and expressed in any unit is likewise dependent on the rotational speed of the water turbine in any unit.

Ⅰ로 표시된 영역에서는 에너지 발생 시스템이 부분 부하로 작동된다. 상기 영역은 소정의 회전수로부터 시작하여 소정의 회전수 임계값(Dmax)에서 종료된다. 도 3에 도시된 작동 영역 Ⅰ의 곡선은 워터 터빈(3)의 파워에 최적인 상태의 회전수 가이드를 나타내는 목표 곡선이다. 그에 따르면 특정한 파워 유입에는 워터 터빈(3)의 최적의 회전수가 할당된다. 워터 터빈(3)이 상기 최적의 회전수보다 낮은 또는 높은 회전수로 회전하면, 에너지 발생 시스템으로부터는 최상의 해류 파워를 전혀 얻을 수 없게 된다. 본 출원서에서 상기 작동 영역 Ⅰ에서의 파워 최적의 회전수 가이드를 위해서는 포물선을 따라 이루어지는 회전수 가이드의 개념도 사용된다.In the area marked I, the energy generation system is operated at partial load. The region starts from a predetermined speed and ends at a predetermined speed threshold D max . The curve of the operating region I shown in FIG. 3 is a target curve showing the speed guide in a state that is optimal for the power of the water turbine 3. According to him a certain power input is assigned the optimum rotational speed of the water turbine 3. If the water turbine 3 rotates at a lower or higher rotational speed than the optimum rotational speed, it is impossible to obtain the best current current power from the energy generating system at all. The concept of a speed guide along the parabola is also used in this application for power optimum speed guide in the operating region I.

본 발명에 따른 에너지 발생 시스템을 위해서는 일정한, 바람직하게는 고속 의 순환 회전수를 갖는 전기식 제너레이터(11)가 사용된다. 네트워크 주파수에 결합된 동기식 제너레이터들의 순환 회전수는 전기 복합 네트워크(60)에 의해서 지지된다. 이와 같은 내용은, 비동기식 제너레이터가 가파르게 진행하는 선형 영역에서 작동되는 경우에는 상기 비동기식 제너레이터에도 충분한 범위에서 적용된다. 이와 같은 전기식 제너레이터(11)의 일정한 회전수로부터 출발할 때, 수력학적 소자들을 통한 구동 체인, 즉 파워 흐름의 제1 파워 분기(7)와 제2 파워 분기(18) 간 작용 결합의 제어 및/또는 조절에 의하여 상기 구동 체인의 입력측 회전수 및 그와 더불어 워터 터빈(3)의 회전수가 가이드 됨으로써, 상기 워터 터빈은 언제나 파워에 최적인 회전수로 순환하게 된다.For the energy generation system according to the invention an electric generator 11 having a constant, preferably high speed, rotational speed is used. The rotational speed of the synchronous generators coupled to the network frequency is supported by the electric composite network 60. The same applies to the asynchronous generator in a sufficient range when the asynchronous generator is operated in a steeply moving linear region. Starting from such a constant rotation of the electrical generator 11, control of the actuation coupling between the drive chains through the hydraulic elements, ie the first power branch 7 and the second power branch 18 of the power flow, and / Alternatively, by adjusting the input rotational speed of the drive chain and the rotational speed of the water turbine 3, the water turbine is always circulated at the optimal rotational speed.

수력학적 조정 변환기(12)가 수력학적 소자로서 사용되면, 워터 터빈(3)의 파워 최적의 회전수 가이드를 위해서는 본래 의미에서의 조절이 이용될 수 없고, 오히려 시스템 고유의 자동 조절 효과가 이용될 수 있다. 이와 같은 내용은 도 4에 도시되어 있다. 도면에서 곡선 E는 윈드 회전자에 의해 소비된 파워이고, 곡선 F는 선 휠(9)에서의 파워이며, 곡선 G는 구동 체인으로부터 전달된 파워 그리고 곡선 H는 제1 파워 분기(18)를 통해 수력학적 변환기(12)로부터 파워 분기 기어(5)를 향하여 역으로 흘러가는 파워를 지시한다. 수력학적 조정 변환기의 가이드 휠(15)의 설정 내용이 추가로 도시되어 있다. 도면을 통해 알 수 있는 사실은, 구동 체인(1)의 특성에 의해서 표현될 수 있는 포물선을 따라 최적의 파워 소비가 이루어지는 경우, 수력학적 변환기(12)는 도시된 전체 부분 부하 영역에 걸쳐서 실제로 동일한 가이드 휠 상태로 작동될 수 있다는 것이다. 이와 같은 설정 내용은 아래에서 수력 학적 변환기(12)의 조정된 설정 내용으로서 언급된다. 다시 말하자면, 전기식 제너레이터(11)를 장입하기 위한 구동 체인의 출발 회전수 상수와 동시에 가변적인 최적의 워터 터빈 회전수에 도달하기 위해서는, 가이드 휠의 조절이 전혀 필요치 않다. 이 경우에는, 파워 소비를 특징 짓는 포물선의 기울기가 파워 분기 기어의 소자들의 변속비 설계 및 수력학적 변환기의 설계와 관련하여 조절될 수 있다는 내용이 참조된다. 이와 같은 본 발명에 따른 구동 체인(1)의 특징은 아래에서 자동 조절로서 언급된다.If the hydraulically adjustable transducer 12 is used as a hydraulic element, the adjustment in its original meaning cannot be used for power optimum rotational speed guide of the water turbine 3, but rather a system-specific automatic adjustment effect will be used. Can be. This is illustrated in FIG. 4. In the figure curve E is the power consumed by the wind rotor, curve F is the power at the sun wheel 9, curve G is the power transmitted from the drive chain and curve H is through the first power branch 18 It indicates the power flowing back from the hydraulic transducer 12 toward the power branch gear 5. Further details of the setting of the guide wheel 15 of the hydraulically adjusted transducer are shown. As can be seen from the figures, when the optimum power consumption is achieved along the parabola, which can be represented by the characteristics of the drive chain 1, the hydraulic transducer 12 is actually the same throughout the entire partial load region shown. Can be operated with guide wheels. This setting is referred to below as the adjusted setting of the hydraulic transducer 12. In other words, no adjustment of the guide wheel is necessary at all in order to reach the optimum water turbine speed which is variable at the same time as the starting speed constant of the drive chain for charging the electric generator 11. In this case, reference is made to the fact that the inclination of the parabola characterizing the power consumption can be adjusted in relation to the transmission ratio design of the elements of the power branch gear and the design of the hydraulic transducer. Such a feature of the drive chain 1 according to the invention is referred to below as automatic adjustment.

해류의 부분 부하 조건 하에서 파워에 최적으로, 동력학적인 에너지가 본 발명에 따른 에너지 발생 시스템의 파워 소비에 의해서 얻어질 수 있는 작동 영역(Ⅰ)은 파워 포물선을 따라 전체 부하 영역에 이르기까지 일정한 회전수로 가이드 될 수 있다. 하지만 이와 같은 작동 가이드에서 통상적으로 특정의 파워 유입부터는 회전수 임계값(Dmax)이 초과되는데, 이와 같은 회전수 임계값은 공동 현상의 방지를 목적으로 또는 어류의 보호를 목적으로 고려되어야 한다. 따라서, 상기 임계 회전수(Dmax)부터는 바람직하게 작동 영역 Ⅰ이 중단되고 작동 영역 Ⅱ로 넘어가게 되며, 상기 작동 영역 Ⅱ는 워터 터빈 회전수가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.Optimally for power under partial load conditions of currents, the operating region (I) from which the kinetic energy can be obtained by the power consumption of the energy generating system according to the invention is a constant rotational speed up to the full load region along the power parabola. Can be guided by. However, in such operation guides, the rotational threshold (D max ) is typically exceeded from a certain power input, which should be considered for the purpose of preventing cavitation or for the protection of fish. Thus, from the threshold rotational speed D max , the operating region I is preferably interrupted and passed over to the operating region II, wherein the operating region II is characterized in that the water turbine speed is kept constant.

수력학적 소자로서 수력학적 조정 변환기(12)를 구비한 구동 체인(1)을 형성하기 위하여, 도 5에는 개별 작동 영역들 사이에서 이루어지는 변환 과정이 도시되어 있다. 파워 최적인 상태로 회전수가 가이드 되는 작동 영역 Ⅰ에서는, 자동 조 절 효과를 목적으로 실제로 동일한 가이드 휠 상태에서, 본 경우에는 조정 거리의 25 %에서 작업이 이루어진다. 작동 영역 Ⅰ로부터 회전수 제한된 작동 영역 Ⅱ로 변환되는 경우에는, 상기 최적의 가이드 휠 상태가 중단되고, 상기 수력학적 조정 변환기(12)의 가이드 휠이 워터 터빈(3)에서의 파워 유입에 따라 조정됨으로써, 워터 터빈 회전수는 실제로 일정하게 유지되고, 다만 워터 터빈(3)에 의해서 소비된 토크 및 그와 더불어 소비된 파워만이 변동된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 작동 영역 Ⅱ에서는 실제 회전수 임계값 대신에 특정의 회전수 파형, 바람직하게는 특히 가파른 회전수 파형이 선택될 수 있다. 작동 영역 Ⅱ의 특징은, 파워 최적의 회전수 가이드가 중단된다는 것이다.In order to form a drive chain 1 with a hydraulically adjustable transducer 12 as a hydraulic element, a conversion process between the individual operating regions is shown in FIG. 5. In the operating region I, where the rotational speed is guided with power optimum, the operation is carried out at 25% of the adjustment distance, in the present case, in the same guide wheel state, for the purpose of the automatic adjustment effect. In the case of a change from the operating area I to the rotational speed limited operating area II, the optimum guide wheel condition is interrupted and the guide wheel of the hydraulically adjustable transducer 12 adjusts as power inflows from the water turbine 3. By doing so, the water turbine rotational speed is kept substantially constant, but only the torque consumed by the water turbine 3 and the power consumed with it vary. In one embodiment of the invention, in the operating region II a specific speed waveform, preferably a particularly steep speed waveform, may be selected instead of the actual speed threshold. The characteristic of the operating area II is that the power optimum speed guide is interrupted.

또한 도 5에는 회전수 제한된 작동 영역 Ⅱ가 토크 제한된 작동 영역 Ⅲ으로 변환되는 과정도 도시되어 있다. 이 경우 회전수 상수를 야기하기 위한 제어 및/또는 조절은 윈드 터빈(3)의 임계 모멘트 위에서는 중단된다. 이때 작동 영역 Ⅲ에서 워터 터빈(3)의 파워 발생이 원치 않게 증가하는 것을 방지하기 위하여, 예를 들어 워터 터빈(3)의 블레이드 휠 상태의 변경 또는 해당 가이드 장치의 조정의 변경과 같은 추가의 조치들에 의해서는, 워터 터빈(3)에 의한 파워 유입이 제한되어 토크를 제한하기 위한 추가의 회전수 상승이 저지된다. 작동 영역 Ⅲ에서의 파워 증가시에 워터 터빈(3)의 블레이드 휠 상태를 조절하기 위해서는, 우선 구동 체인에 의한 단시간 동안의 모멘트 상승을 막기 위하여 수력학적 조정 변환기(12)의 가이드 휠 상태가 변경되며, 이와 같은 상태는 워터 터빈의 회전수를 단시간 동안 상승시키지만, 이러한 회전수 상승은 제2 단계에서 이루어지는 워터 터빈(3)의 블레이드 휠 조정에 의하여 제한된다. 이와 같은 내용은 도 5에는 상세하게 도시되어 있지 않다.Also shown in FIG. 5 is a process in which the speed limited operating region II is converted to a torque limited operating region III. In this case the control and / or adjustment to bring about the speed constant is stopped above the critical moment of the wind turbine 3. In order to prevent an undesired increase in power generation of the water turbine 3 in the operating region III, for example, further measures such as changing the blade wheel state of the water turbine 3 or adjusting the corresponding guide device. These limits the inflow of power by the water turbine 3 and prevents further rotational speed increases to limit the torque. In order to adjust the blade wheel state of the water turbine 3 at the power increase in the operating region III, first, the guide wheel state of the hydraulically adjusted transducer 12 is changed to prevent the moment rise in a short time by the drive chain. This state raises the rotation speed of the water turbine for a short time, but this rotation increase is limited by the blade wheel adjustment of the water turbine 3 made in the second step. Such details are not shown in detail in FIG. 5.

도 6은, 수력학적 조정 변환기(12)의 조정 불량에 의하여 특정 회전수 임계 영역 위에서 워터 터빈(3)의 소정의 목표 회전수가 나타나는 동작 영역 Ⅱ의 경우를 도시한다. 도시된 곡선은 상이한 가이드 휠 상태(H = 25 % ~ 100 % 조정 거리)를 지시한다. 본 경우에 수력학적 조정 변환기는 H = 25 % 조정값의 가이드 휠 상태로 조정되었다. 도 6에서 알 수 있는 내용은, 수력학적 조정 변환기(12)의 조정 불량에 의하여 상이한 작업점들이 선택될 수 있다는 것이다. 이와 같은 사실은, 워터 터빈(3)의 회전수를 조절할 수 있는 가능성을 열어준다. 가장 단순한 경우에는 회전수가 제한됨으로써, 추가로 워터 터빈(3)의 원하는 회전수를 위한 작업점들을 상기 워터 터빈(3)에 의해 소비된 토크에 의존하는 곡선을 따라서 조절할 수 있게 된다. 그럼으로써, 특히 구동 체인의 유연성을 전체 부하 작동에 대한 한계에 적응시키는 것이 가능하다.FIG. 6 shows the case of the operating region II in which the predetermined target rotational speed of the water turbine 3 is shown above the specific rotational speed threshold region due to the poor adjustment of the hydraulic regulating converter 12. The curve shown indicates different guide wheel conditions (H = 25% to 100% adjustment distance). In this case the hydraulically adjusted transducer was adjusted with guide wheels with an H = 25% adjustment. It can be seen from FIG. 6 that different work points can be selected due to poor adjustment of the hydraulic adjustment transducer 12. This fact opens the possibility of adjusting the rotation speed of the water turbine 3. In the simplest case the speed is limited, so that the working points for the desired speed of the water turbine 3 can be further adjusted along a curve depending on the torque consumed by the water turbine 3. This makes it possible in particular to adapt the flexibility of the drive chain to the limits for full load operation.

수력학적 조정 변환기의 조정 불량에 의해 조절된 작동 영역 Ⅱ의 작업점 주변에서는 재차 포물선 형태의 파워 소비 특징이 얻어지는데, 이와 같은 특징은 유동 속도의 변동시에 나타난다. 이와 같은 상황은 도 6에 도시되어 있다. 이 경우에 유의해야 할 것은, 특정 작업점의 조절이 느리게, 즉 초 내지 분 영역에서 이루어질 수 있다는 것 그리고 평균 유동 속도에 의존한다는 것이다. 수력학적 변환기(12)를 사용하는 경우에 나타나는 구동 체인의 시스템 특징을 통해 각각 자동 제어에 의해서 보상되는 상기 작업점 주변에서 가능한 변동들은 진동에 의해서 형성 되는 단시간 동안의 효과들이다. 상기 변동 폭은 상기 작업점에서 바람직한 회전수의 ±30 %, 바람직하게는 ±10 % 그리고 특히 바람직하게는 ±5 %를 초과해서는 안 된다.A parabolic power consumption characteristic is again obtained around the working point of the operating region II, which is adjusted by the poor adjustment of the hydraulically adjusted transducer, which manifests itself in the case of fluctuations in the flow velocity. This situation is illustrated in FIG. 6. It should be noted in this case that the adjustment of a particular work point can be made slowly, ie in the seconds to minutes range and depends on the average flow rate. The possible fluctuations around the work point, which are each compensated by the automatic control through the system features of the drive chain which appear in the case of using the hydraulic transducer 12, are the effects for a short time formed by vibration. The fluctuation range should not exceed ± 30%, preferably ± 10% and particularly preferably ± 5% of the preferred speed at the work point.

전술한 작동 영역들 Ⅰ~ Ⅲ 이외에 추가의 작동 상태들도 발생할 수 있는데, 말하자면 에너지 발생 시스템의 시동 또는 스위치-오프, 네트워크 주파수와 전기식 제너레이터의 동기화, 부하 차단, 비상 정지 또는 예컨대 테스트- 또는 예방 동작과 같은 특수한 작동 상태들이 발생할 수 있다. 상이한 작동 영역 및 작동 상태들을 구현하기 위해서는, 본 발명에 따른 에너지 발생 시스템을 위한 조절 장치 및 제어 장치가 세 개의 조절 평면으로 분할된 계층적인 구조물의 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 형상은 도 7에 개략적으로 도시되어 있다. 제1 조절 평면은 에너지 발생 시스템 자체이다. 이 경우에는 수력학적 소자로서 수력학적 조정 변환기를 갖춘 에너지 발생 시스템의 구동 체인의 형상이 선호되며, 이와 같은 형상은 자동 조절을 유도한다. 그와 마찬가지로 예컨대 수력학적 커플링 또는 트리 로크 변환기와 같은 대안적인 수력학적 소자들도 효율과 관련하여 생각할 수 있다. 이와 같은 경우를 위해서는, 상기 시스템 고유의 자동 조절 장치가 워터 터빈의 회전수를 가이드 하기 위한 능동적인 조절 장치로 대체되어야만 한다. 상기 제1 조절 평면은 블레이드 휠의 조정 및 수력학적 소자들의 조절을 위한 조절기 그리고 제너레이터의 파워 전자 장치를 위한 조절기를 포함하는 제2 조절 평면에 의해서 중첩된다. 상기 평면에서는 전술한 각각의 조절기에 대하여 목표값-실제값의 비교 과정이 이루어지며, 그로부터 상응하는 조정 신호가 출력된다.In addition to the operating areas I to III described above, additional operating states can also occur, ie start-up or switch-off of the energy generating system, synchronization of the network frequency with the electrical generator, load disconnection, emergency stop or test- or preventive action, for example. Special operating conditions can occur. In order to implement different operating areas and operating states, it is preferable that the regulating device and the control device for the energy generating system according to the invention are formed in the form of a hierarchical structure divided into three regulating planes. Such a shape is schematically illustrated in FIG. 7. The first conditioning plane is the energy generating system itself. In this case, the shape of the drive chain of the energy generating system with the hydraulically adjustable transducer as the hydraulic element is preferred, which induces automatic regulation. Likewise alternative hydraulic elements, such as, for example, hydraulic coupling or tri-lock converters, can be considered in terms of efficiency. For this case, the system-specific automatic regulation must be replaced by an active regulation to guide the rotation of the water turbine. The first adjustment plane is superimposed by a second adjustment plane comprising a regulator for the adjustment of the blade wheel and for the adjustment of the hydraulic elements and a regulator for the power electronics of the generator. In this plane, a comparison process between the target value and the actual value is performed for each regulator described above, and a corresponding adjustment signal is output therefrom.

본 발명에 따르면, 상기 제2 조절 평면의 모든 조절기가 모든 작동 영역 또는 작동 상태에 대하여 반응하지는 않는다. 조절기 작동의 제어 그리고 조절기 웨이팅의 제어 또는 개별 조절기들 간의 스위칭은 제3 조절 평면에 의해서 야기된다. 상기 제3 조절 평면은 작동 상태 또는 작동 영역에 따라서 조절할 크기를 선택할 뿐만 아니라, 예컨대 블레이드 휠 위치의 동일한 크기에 대하여 상이한 조절기를 사용하거나 또는 상이한 조절기 설정 내용을 이용하는 것도 가능해진다. 그럼으로써, 조절 특징 및 조절 속도는 각각의 특수한 상황에 적응될 수 있다. 또한, 상위 제어 평면으로서 기능하는 상기 제3 조절 평면을 통해서는 조절기 목표값 그리고 선택된 작업점의 설정이 이루어진다.According to the invention, not all regulators of the second adjusting plane respond to all operating regions or operating states. Control of regulator operation and control of regulator weighting or switching between individual regulators is caused by the third adjustment plane. The third adjustment plane not only selects the size to be adjusted according to the operating state or the operating area, but also makes it possible, for example, to use different adjusters or different adjuster settings for the same size of blade wheel position. As such, the adjustment characteristics and the speed of adjustment can be adapted to each particular situation. In addition, the third adjustment plane serving as the higher control plane allows the setting of the regulator target value and the selected work point.

Claims (15)

해류로부터 전기 에너지를 획득하기 위한 에너지 발생 시스템에 있어서,An energy generating system for obtaining electrical energy from currents, 1.1 입력 샤프트(2) 및 출력 샤프트(10)를 구비한 구동 체인(1)을 포함하고;1.1 a drive chain 1 having an input shaft 2 and an output shaft 10; 1.2 상기 입력 샤프트(2)는 워터 터빈(3)에 의해서 적어도 간접적으로 구동되며;1.2 the input shaft 2 is at least indirectly driven by the water turbine 3; 1.3 상기 출력 샤프트(10)는 적어도 간접적으로 전기식 제너레이터(11)를 구동시키고, 상기 전기식 제너레이터(11)는 전기 네트워크(60)에 연결되어 있으며, 이 경우 상기 전기 네트워크(60)는 실제로 일정한 네트워크 주파수를 가지고;1.3 The output shaft 10 at least indirectly drives the electrical generator 11, which is connected to an electrical network 60, in which case the electrical network 60 is in fact a constant network frequency. Have it; 1.4 상기 구동 체인(1)은 제1 파워 분기(7) 및 적어도 하나의 제2 파워 분기(18)를 갖춘 파워 분기 기어(5)를 포함하고;1.4 the drive chain (1) comprises a power branch gear (5) with a first power branch (7) and at least one second power branch (18); 1.5 상기 제1 파워 분기(7) 및 제2 파워 분기(18)가 파워 분기 기어(5) 및 수력학적 소자들(12)을 통해 상호 결합되어 있는 에너지 발생 시스템.1.5 An energy generation system in which the first power branch (7) and the second power branch (18) are coupled to each other via a power branch gear (5) and hydraulic elements (12). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수력학적 소자들(12)은 수력학적 조정 변환기, 수력학적 커플링 또는 트리 로크 변환기인 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템.The hydraulic elements (12) are characterized in that the hydraulically regulating transducer, the hydraulic coupling or the tree lock transducer. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,The method of claim 2 or 3, 상기 수력학적 소자들(12)이 상기 파워 분기 기어(5)의 피동측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템.Energy generating system, characterized in that the hydraulic elements (12) are arranged on the driven side of the power branch gear (5). 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 수력학적 소자들(12)이 상기 전기식 제너레이터(11)의 구동 샤프트에 적어도 간접적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템.Energy generation system, characterized in that the hydraulic elements (12) are at least indirectly connected to the drive shaft of the electric generator (11). 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 전기식 제너레이터(11)가 고속으로 주행하는 제너레이터로서 형성된 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템.The energy generator system, characterized in that the electric generator (11) is formed as a generator that travels at high speed. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 5, 상기 구동 체인의 입력 샤프트(2)와 상기 워터 터빈(3) 사이에 변속 기어(4)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템.An energy generating system, characterized in that a transmission gear (4) is arranged between the input shaft (2) of the drive chain and the water turbine (3). 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 6, 제1 파워 분기(7) 및/또는 제2 파워 분기(18) 내부에 회전수를 적응시키기 위한 추가의 스탠드 기어(16)가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템.An energy generating system, characterized in that an additional stand gear (16) is provided inside the first power branch (7) and / or the second power branch (18) to adapt the rotational speed. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 7, 상기 워터 터빈(3), 상기 구동 체인(1) 및 상기 전기식 제너레이터(11)가 물에 잠길 수 있는 구성 유닛으로서 형성된 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템.The energy generation system, characterized in that the water turbine (3), the drive chain (1) and the electric generator (11) are formed as constituent units which can be submerged in water. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 발생 시스템을 작동시키기 위한 방법에 있어서,A method for operating an energy generation system according to any of claims 1 to 8, 상기 에너지 발생 시스템이 상기 워터 터빈(3)의 부분 부하 영역에서는 파워에 최적인 회전수를 나타내는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템의 작동 방법.Method of operation of an energy generation system, characterized in that the energy generation system exhibits an optimum number of revolutions in power in the partial load region of the water turbine (3). 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 발생 시스템을 작동시키기 위한 방법에 있어서,10. A method for operating an energy generating system according to any of claims 1 to 9, 상기 워터 터빈의 회전수가 회전수 임계값(Dmax) 위에서는 목표 곡선을 따라서 가이드 되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템의 작동 방법.And the rotation speed of the water turbine is guided along a target curve above the rotation speed threshold value (D max ). 제 9 항에 따른 에너지 발생 시스템을 작동시키기 위한 방법에 있어서,10. A method for operating an energy generation system according to claim 9, 상기 회전수가 실제로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템의 작동 방법.And the rotational speed is kept substantially constant. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 발생 시스템을 작동시 키기 위한 방법에 있어서,12. A method for operating an energy generation system according to any of claims 1 to 10, 부하 충격시에는 상기 회전수가 소정의 회전수 간격을 두고 변동될 수 있는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템의 작동 방법.The method of operating an energy generating system, characterized in that during the load impact the rotational speed can be varied at predetermined rotational intervals. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 에너지 발생 시스템을 작동시키기 위한 방법에 있어서,A method for operating an energy generation system according to any of claims 1 to 10, 상기 워터 터빈(3)의 최대 토크 위에서는 상기 수력학적 소자들(12)의 조절에 의하여 상기 전기식 제너레이터(11)로 전달되는 모멘트가 제한되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템의 작동 방법.Above the maximum torque of the water turbine (3) the method of operating an energy generating system is characterized in that the moment transmitted to the electric generator (11) is limited by the adjustment of the hydraulic elements (12). 제 13 항에 따른 에너지 발생 시스템을 작동시키기 위한 방법에 있어서,A method for operating an energy generation system according to claim 13, 상기 워터 터빈(3)의 최대 토크 위에서는 상기 워터 터빈(3)에 의하여 해류로부터 얻어진 파워가 제한되는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템의 작동 방법.Above the maximum torque of the water turbine (3) the method of operating an energy generating system is characterized in that the power obtained from the current current by the water turbine (3) is limited. 제 14 항에 따른 에너지 발생 시스템을 작동시키기 위한 방법에 있어서,A method for operating an energy generating system according to claim 14, 상기 파워 제한 과정은 상기 워터 터빈(3)의 블레이드 휠을 조정함으로써 및/또는 상기 워터 터빈(3)에 할당된 가이드 장치(15)를 조정함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 발생 시스템의 작동 방법.The power limiting process is performed by adjusting the blade wheel of the water turbine (3) and / or by adjusting the guide device (15) assigned to the water turbine (3).
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