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.

Procedimiento y sistema híbrido de generación eléctrica. Objeto de la invención

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 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.

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.

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.

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.

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 invención

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.

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:

- 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

o en carga, incluyendo por tanto interruptores, disyuntores y dispositivos similares.

- 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.

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.

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.

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.

De acuerdo con una realización preferente de la invención, el generador auxiliar es de tipo asíncrono, o bien de tipo síncrono de imanes permanentes. El generador principal, por otro lado, es preferentemente de tipo asíncrono.

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...

1. Un sistema híbrido de generación eléctrica a partir de la potencia mecánica transmitida por una turbina que gira con velocidad variable, caracterizado porque 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.

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.

3. El sistema híbrido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el generador principal (40, 50) es de tipo asíncrono.

4. 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.

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) .

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) .

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.

8. El sistema híbrido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la turbina pertenece a un aerogenerador.

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.

10. El sistema híbrido de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-9, donde el aerogenerador comprende medios de medición anticipada de viento.

11. Un procedimiento híbrido para generar energía eléctrica a partir de la potencia mecánica transmitida por una turbina que gira con velocidad variable empleando un generador principal (40, 50) cuyo estator está conectado a la red eléctrica a través de unos medios de conexión/desconexión (44) ; y un generador auxiliar (41) cuyo estator está conectado a la red eléctrica a través de un convertidor de potencia (42) ; caracterizado porque comprende los siguientes modos de operación:

a) para potencias menores que la potencia nominal del generador auxiliar (41) , generar energía eléctrica empleando dicho generador auxiliar (41) ;

b) para potencias mayores que la potencia nominal del generador auxiliar (41) pero menores que la potencia nominal del generador principal (40, 50) , generar energía eléctrica empleando el generador principal (40, 50) ; y c) para potencias mayores que la potencia nominal del generador principal (40, 50) , generar energía eléctrica empleando ambos generadores principal (40, 50) y secundario (41) .

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.

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.

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) .

15. 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.

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.

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

Nº solicitud: 200900558

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 27.02.2009

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

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

DOCUMENTOS RELEVANTES

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) F03D Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC

OPINIÓN ESCRITA

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 06.04.2011

Declaración

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

OPINIÓN ESCRITA

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración El documento D1 divulga un sistema híbrido de generación eléctrica a partir de la potencia mecánica transmitida por una turbina que gira con velocidad variable, que comprende: -un generador principal (21) , movido por la turbina, cuyo estator está conectado a la red eléctrica -un generador auxiliar (22) , movido por dicha turbina, cuyo estator está conectado a la red eléctrica al menos a través de un convertidor de potencia (60, 70) , y donde el rotor del generador auxiliar (22) y el rotor del generador principal (21) está eléctrica y magnéticamente desacoplados Por lo tanto, la materia de la reivindicación primera de la solicitud se diferencia de lo mostrado en que en D1, en que no se hace mención en que el generador principal esté conectado a la red eléctrica a través de unos medios de conexión, desconexión. Sin embargo esta es una mera opción de diseño que a un técnico en la materia se le ocurriría de un modo evidente, y su disposición o no, no supone variación alguna en el objetivo de la invención. De hecho en el documento D03, se observa una conexión de un generador a la red eléctrica a través de unos medios de interrupción. Por lo tanto, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 2ª

En el documento D1, en párrafo [0020] se divulga que la potencia del generador auxiliar no es mayor que un tercio de la potencia del generador principal, por lo tanto, se puede considerar que está dentro del ámbito o rango reivindicado. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 3ª

En el documento D1, se divulga que el generador principal es de tipo asíncrono En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 4ª

En el documento D2, se observa que hay unas impedancias (8) conectables entre el generador principal (21) y la red (50) Por lo tanto, un técnico en la materia que partiendo del documento D1, y tuviera conocimiento del documento D2 dispondría unas impedancias entre el generador principal y la red. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 5ª

En el documento D1, se divulga en el párrafo [0056] la presencia de unos medios disipación o almacenamiento de energía En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86. Reivindicación 6ª La disposición de una impedancia adicional (37) como la de la figura 3, en principio no supone efecto técnico alguno cuyo resultado fuera diferente del directamente esperado, ni su aplicación supone superar a dificultad técnica que no se hubiese superado hasta el momento. Además es una de entre las técnicas que un técnico en la materia elegiría. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 7ª

La disposición de un rotor y estator secundario asociado con el rotor y estator principal, no es más que una mejora de resultados esperados y predecibles, pudiéndosele ocurrir a un técnico en la materia de manera evidente. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

OPINIÓN ESCRITA

Reivindicación 8ª

En la figura 6 del documento D1, se observa que la turbina pertenece a un aerogenerador. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 9ª

En el documento D1, párrafo [0037], [0055] se divulga que la turbina cuenta con unos medios de control de flujo para controlar y/o limitar la potencia eólica captada por el generador mediante el ajuste del ángulo de las palas. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 10ª

El hecho de que cuente con medios de medición anticipada del viento es una opción de diseño que a un técnico en la materia se le podría ocurrir añadir sin intervención alguna de actividad inventiva. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 11ª

En el documento D1 se divulga un procedimiento híbrido para generar energía eléctrica a partir de la potencia mecánica transmitida por una turbina que gira con velocidad variable : empleando un generador principal (21) cuyo estator está conectado a la red eléctrica, un generador auxiliar (22) cuyo estator está conectado a la red eléctrica a través de un convertidor de potencia (70, 60) que comprende los siguientes modos de operación: (véase párrafos [0048]-[0050]) a) para potencias menores que la potencia nominal del generador auxiliar (22) , generar energía eléctrica empleando dicho generador auxiliar (22) ; b) para potencias mayores que la potencia nominal del generador auxiliar (22) pero menores que la potencia nominal del generador principal (21) , generar energía eléctrica empleando el generador principal (22) ; y c) para potencias mayores que la potencia nominal del generador principal (21) , generar energía eléctrica empleando ambos generadores principal (21) y secundario (22) . La materia de la reivindicación primera de la solicitud se diferencia de lo mostrado en que en D1, en que no se hace mención en que el generador principal esté conectado a la red eléctrica a través de unos medios de conexión, desconexión. Sin embargo esta es una mera opción de diseño que a un técnico en la materia se le ocurriría de un modo evidente, y su disposición o no, no supone variación alguna en el objetivo de la invención. De hecho en el documento D03, se observa una conexión de un generador a la red eléctrica a través de unos medios de interrupción. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 12ª

En el documento D1, se divulga en el resumen y párrafo [0058] que el convertidor consume o inyecta potencia activa a través del generador auxiliar (41) para compensar las oscilaciones del eje. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 13ª

En el documento D1, en los párrafos [0053]-[0056] se divulga que durante un hueco de tensión comprende la operación de disipar o almacenar la energía que no puede ser evacuada a través de la red. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 14ª

En el documento D1, en los párrafos [0053]-[0054] se divulga que durante un hueco de tensión comprende la operación de generar potencia reactiva hacia la red para elevar la tensión en el generador principal. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 15ª

El procedimiento de aumentar la impedancia entre el generador principal y la red en caso de un hueco de tensión, es una de las prácticas conocidas por un técnico en la materia, ya que el resultado y su aplicación es algo inmediato para un técnico en la materia. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

Reivindicación 16ª

La modificación de la resistencia del rotor es algo que a un técnico en la materia para conseguir modificar la velocidad de giro se lo ocurriría de un modo evidente. En consecuencia, la materia de la reivindicación primera no cuenta con novedad según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86. No parece, en principio, que haya materia alguna sobre la que poder redactar una reivindicación independiente que contara con novedad y con actividad inventiva.