Impianti eolici collegati a reti di iii categoria: servizi di rete e possibili adeguamenti d’impianto

C I





el r

s s 

−

( ) 1 s

= +   ' 2

' '

P 3 R R I (6)

r app

mec r

s



=   ' 2

' (7)

P 3 R I

app

CEB r 

−  − −   −  

2 ' 2

P C P 3 R I 3 R I

 = =

el el mec 0 s s r r (8)



− 

P C

mec el mec

Il segno negativo nella (8) per la coppia Cel è dovuto al fatto che si sono

mantenuti i versi di riferimento della macchina funzionante come motore e quindi

la coppia elettromeccanica è negativa (frenante) nel funzionamento del DFIG

come generatore [6].

- Funzionamento del DFIG sopra la velocità di sincronismo

Come si è detto, la macchina DFIG deve funzionare da generatore di

elettricità sia sopra il sincronismo (s<0) sia sotto il sincronismo (s>0). Per riuscire

– –

a produrre valori di scorrimento negativi, maggiori in valore assoluto rispetto

valore positivo di R’app

al valore nominale, è necessario introdurre un (che si

somma alla resistenza di rotore), via via crescente.

Questa situazione è illustrata nella figura 7, in cui si presenta un confronto,

a parità di coppia, potenza al traferro e perdite nel rame di rotore, tra le situazioni

con lo scorrimento nominale e con uno scorrimento più negativo, ottenute

rispettivamente senza e con il convertitore.

43

–

Fig. 7 Funzionamento supersincrono del generatore DFIG con e senza il convertitore

In questa figura sono evidenziati con colori diversi tre rettangoli, la cui

area è associata a tre potenze: la potenza al traferro Pgap, che viene trasferita allo

statore, le perdite Joule sul rame di rotore Pjr (corrispondenti a uno scorrimento

curva con R’app=0)

s= -1% sulla e la potenza P recuperata dal convertitore

CEB

sulla curva con R’app>0).

(corrispondente a uno scorrimento s= -5% Quest'ultima

potenza è legata alle precedenti e alla potenza meccanica dalla relazione:

= − − (9)

P P P P

CEB mec gap jr



=   ' 2

'

P 3 R I

In questo caso la potenza ha segno positivo, indicando

app

CEB r

che la potenza di scorrimento è inviata in rete attraverso il convertitore, al netto

delle sue perdite di conversione (dovute alla conduzione e alla commutazione dei

componenti elettronici).

- Funzionamento del DFIG sotto la velocità di sincronismo

Data la bidirezionalità del convertitore, la quale gli consente di

comportarsi anche come una resistenza apparente negativa, è possibile far

funzionare il generatore anche a velocità inferiori a quella di sincronismo con

44

Infatti, dall’espressione

s>0. della potenza al traferro (4), si vede che si può avere

flusso di potenza dal rotore allo statore (cioè comportamento della macchina da

generatore) anche con scorrimento positivo, se si riesce a far diventare negativa la

resistenza totale di rotore.

Con riferimento alla medesima macchina, la figura 8 illustra un confronto,

a parità di coppia, potenza al traferro e perdite nel rame di rotore, tra lo

scorrimento nominale (negativo) in assenza di convertitore e uno scorrimento

positivo, ottenibile con il convertitore:

–

Fig. 8 Funzionamento sottosincrono del generatore DFIG con e senza convertitore

, che l’inverter lato rotore

È necessaria una precisazione: la potenza P

CEB

deve fornire, è pari alla somma dei due rettangoli verde e arancione, cioè serve a

compensare sia la quota mancante della potenza al traferro (la parte in aggiunta

alla potenza meccanica) sia le perdite nel rame di rotore. La formula da usare è

sempre la (9), soltanto che si ottiene un valore negativo di P , coerentemente

CEB

col fatto che essa deve essere prelevata dalla rete. Anche in questo caso, la quota



  ' 2

'

di potenza è proprio la P , ma la potenza, effettivamente prelevata

3 R I CEB

app r

dalla rete, è maggiore a causa delle perdite nel convertitore elettronico

(conduzione, commutazione). 45

Quando ci si avvicina al sincronismo, cioè con valori piccoli di

scorrimento, positivo o negativo, bisogna comunque attribuire alla resistenza

apparente valori negativi, tali da ridurre la resistenza totale. In questo caso,

l’andamento della curva di coppia nell’intorno della velocità di sincronismo

diventa praticamente verticale con derivata positiva sotto il sincronismo e derivata

negativa sopra il sincronismo. In queste condizioni, la potenza del convertitore

P deve compensare essenzialmente le perdite nel rame di rotore.

CEB l’uso del

In conclusione, si può dire che generatore DFIG con convertitore

elettronico di potenza, rispetto ad un sistema con asincrono tradizionale, permette

i seguenti vantaggi:

a) estensione del campo delle velocità di rotore mantenendo tuttavia valori

elevati del rendimento di conversione dato dalla (8);

b) le perdite nel rame di rotore e di statore, a parità di coppia (5), non

aumentano [4 e 6].

Rispetto invece ad un sistema con generatore sincrono, il vantaggio

rilevante sta nel fatto che la taglia del convertitore elettronico non è correlato alla

totale potenza del generatore ma solo per il range di velocità selezionate e di

conseguenza è solo la potenza di scorrimento prelevata o assorbita dalla rete che

transita nel convertitore, ciò si traduce quindi in minori perdite e minor costo.

Pertanto la potenza e quindi il costo del convertitore aumentano quando diventa

più ampio il range delle velocità intorno a quella di sincronismo. La selezione del

range di velocità si basa sulla valorizzazione economica dei costi di investimento

e su una maggiore efficienza [1 e 4].

4.0 Caratteristiche degli impianti a confronto

È conveniente a questo punto illustrare in una tabella le caratteristiche

degli impianti a velocità fissa e variabile in relazione alle tipologie di generatori

appena esposte e in relazione ai sistemi di regolazione e controllo della potenza,

trattati nel capitolo precedente. 46

Velocità Controllo della potenza

Stallo Passo Stallo Attivo

(0) (1) (2)

Velocità fissa Asincrono a gabbia (A) A0 A1 A2

Velocità variabile Asincrono a rotore B0 B1 B2

limitata avvolto (B)

Velocità variabile Asincrono DFIG (C) C0 C1 C2

Sincrono a eccitazione D0 D1 D2

separata (D)

–

Tabella I Tipologie di aerogeneratori e controllo della potenza

Le zone in rosso indicano le combinazioni che non sono adottate dai

costruttori delle moderne turbine eoliche [1].

Le tecnologie di aerogeneratori disponibili oggi nel mondo in rapporto al

mercato sono riportati nella tabella II; vengono illustrate, per i primi sei costruttori

del mercato mondiale, le caratteristiche delle due turbine di potenza maggiore.

47

Costruttore Riferimento Controllo della potenza Tipo di generatore

Tabella I e velocità (Tensione e n° giri)

C1

VESTAS V.80 2MW 1) Passo variabile DFIG

2) Velocità variabile limitata 690V / 905-1915 rpm

B1

VESTAS V.80 1,8MW 1) Passo variabile Asincrono, R variabile

2) Velocità variabile limitata 690V / 1800-1980 rpm

Sincrono con circ.

D1

ENERCON E112 4,5MW 1) Passo variabile eccitazione

2) Velocità variabile totale 440V / 8-13 rpm

Sincrono con circ.

D1

ENERCON E66 2MW 1) Passo variabile eccitazione

2) Velocità variabile totale 440V / 10-22 rpm

C1

NEG MICON NM80 2,75MW 1) Passo variabile DFIG

2) Velocità variabile limitata 960V stat / 690V rot.

756-1103 rpm

A2

NEG MICON NM72 2MW 1) Stallo attivo Asincrono a gabbia

2) Velocità fissa 960V / 2 velocità 1002,4

1503,6 rpm

C1

GAMESA G83 2MW 1) Passo variabile DFIG

2) Velocità variabile limitata 690V / 900-1900 rpm

B1

GAMESA G80 1,8MW 1) Passo variabile Asincrono, R variabile

2) Velocità variabile limitata 690V / 1818-1944 rpm

C1

GE WIND GE104 3,2MW 1) Passo variabile DFIG

2) Velocità variabile limitata 3,3kV stat / 690V rot

1000-1800 rpm

C1

GE WIND GE77 1,5MW 1) Passo variabile DFIG

2) Velocità variabile limitata 690V / 1000-2000 rpm

A2

BONUS 82 2,3MW 1) Stallo attivo Asincrono a gabbia

2) Velocità fissa 690V / 2 velocità 1000

1500 rpm

A2

BONUS 76 2MW 1) Stallo attivo Asincrono a gabbia

2) Velocità fissa 690V / 2 velocità 1000

1500 rpm

–

Tabella II Caratteristiche tecniche dei generatori e modalità di controllo della potenza

48

Dai dati evidenziati in tabella II emerge che, per le moderne turbine

eoliche a 3 pale vengono utilizzati:

➢ Lo stallo attivo è utilizzato con generatore asincrono a due velocità;

➢ Il controllo di passo è combinato con le turbine a velocità variabile

al fine di estendere il campo di velocità del vento sfruttabili e avere

una maggiore potenza;

➢ Solo uno dei dieci maggiori costruttori offre una turbina a velocità

variabile con generatore sincrono senza moltiplicatore di giri [1 e

11]. 49

Capitolo 3

Impianti elettrici del campo

1.0 Impianto elettrico di torre

Come evidenziato nei capitoli precedenti, all’interno della navicella sono

alloggiati il generatore elettrico e le eventuali apparecchiature di potenza.

Generalmente l’energia elettrica prodotta in bassa tensione viene poi

convogliata alla base della torre dove è presente un trasformatore che eleva la

tensione fino ai valori di 20 o 30 kV. L’energia disponibile a livello di MT viene

quindi immessa nel sistema di distribuzione interno al campo eolico per poi essere

convogliata verso la rete di trasmissione.

La figura 1 rappresenta un impianto di torre eolica tipico con generatore

sincrono. 50

–

Fig. 1 Schema unifilare di una torre eolica equipaggiata con un generatore sincrono a velocità

di rotazione variabile

Dallo schema è possibile notare la presenza di un sistema elettronico di

conversione della frequenza costituito da un convertitore doppio stadio. Il primo,

quello AC-DC è posto sulla navicella, il secondo a base della torre. Il secondo

stadio, nella fattispecie, è costituito da un chopper, un inverter e dei filtri che

generano una forma d’onda rispondente alle caratteristiche richieste dalla linea di

51

distribuzione all’interno del campo eolico. A valle delle apparecchiature di

conversione, è installato un trasformatore per l’uscita in MT.

Sono inoltre presenti:

➢ un contattore sul lato BT con funzione di manovra;

➢ un interruttore, generalmente in SF6, associato ad un sezionatore con lame