Generatore asincrono a doppia alimentazione (DFIG): come funzionano le turbine eoliche a velocità variabile

Perché le turbine eoliche hanno bisogno della velocità variabile

La potenza del vento è P = ½ × ρ × A × v³, e una turbina ne cattura una frazione Cp. Cp dipende dal rapporto di velocità periferica λ, cioè la velocità dell'estremità della pala divisa per la velocità del vento, e ha un solo massimo (circa 0,45–0,5 per i moderni rotori a tre pale, vicino a λ ≈ 8). Per restare su quel massimo al variare del vento, la velocità del rotore deve cambiare in proporzione alla velocità del vento.

Un generatore a induzione a gabbia collegato alla rete gira a velocità quasi costante, quindi non può farlo. Le opzioni sono un convertitore a piena potenza tra generatore e rete, che funziona ma deve portare il 100 % della potenza, oppure un generatore asincrono a doppia alimentazione, che ottiene lo stesso funzionamento a velocità variabile con un convertitore molto più piccolo. Anche la velocità del vento fluttua, quindi lasciare che il rotore acceleri e rallenti accumula le raffiche come energia cinetica del rotore e riduce lo stress sul moltiplicatore di giri.

Com'è costruito un DFIG

La macchina ha un avvolgimento statorico trifase e un rotore avvolto trifase, con i morsetti del rotore portati fuori attraverso anelli collettori. Il mozzo della turbina aziona il rotore attraverso un moltiplicatore (per esempio circa 90:1, che porta una velocità del mozzo di circa 10–20 giri/min alla velocità del generatore). I due avvolgimenti sono collegati così:

• Lo statore è collegato direttamente alla rete alla frequenza di rete.
• Il rotore è collegato alla rete attraverso due convertitori che condividono un bus CC: un convertitore lato rotore che applica al rotore una tensione alternata controllata alla frequenza di scorrimento, e un convertitore lato rete che scambia potenza con la rete.

Il nome doppia alimentazione si riferisce alle due connessioni elettriche alla rete, statore e rotore. Il convertitore lato rotore regola la corrente rotorica, che fissa sia la coppia sia la potenza reattiva dello statore. Il convertitore lato rete mantiene stabile la tensione del bus CC.

Funzionamento subsincrono e soprasincrono

La velocità di sincronismo del campo statorico è n_s = 120 × f / p, cioè 1500 giri/min per quattro poli a 50 Hz. Lo scorrimento è s = (n_s − n) / n_s, positivo quando il rotore è più lento del campo e negativo quando è più veloce. La frequenza delle correnti rotoriche è |s| × f, quindi un rotore a 1200 giri/min vede 10 Hz e uno a 1800 giri/min vede 10 Hz con sequenza di fase opposta.

Il convertitore può generare questa frequenza di scorrimento, e il verso della potenza rotorica dipende dal segno dello scorrimento.

• Subsincrono (n < n_s, s > 0): il rotore assorbe potenza dalla rete attraverso il convertitore. Lo statore eroga più della potenza all'albero.
• Soprasincrono (n > n_s, s < 0): il rotore cede potenza alla rete attraverso il convertitore. La rete riceve la potenza dello statore più quella del rotore.
• Alla velocità di sincronismo la corrente rotorica è continua e la potenza del rotore è solo perdita nel rame.

Trascurando le perdite, lo statore eroga P_s e la potenza del rotore è

P_rotore ≈ −s × P_s

con la convenzione di segno per cui la potenza rotorica è positiva quando fluisce verso la rete. La potenza totale in rete è P ≈ (1 − s) × P_s, e la potenza all'albero è la stessa. Poiché la tensione rotorica necessaria è proporzionale a |s|, il convertitore deve avere una tensione e una potenza nominali solo proporzionali al campo di scorrimento.

Un esempio svolto

Un DFIG da 2 MW, 690 V, 50 Hz, a quattro poli ha un campo di velocità di ±30 %, quindi la velocità del rotore va da 1050 a 1950 giri/min.

1. Velocità di sincronismo: 120 × 50 / 4 = 1500 giri/min. 2. Al limite superiore, 1950 giri/min, s = (1500 − 1950) / 1500 = −0,30. Al limite inferiore, 1050 giri/min, s = +0,30. 3. Se la macchina eroga 2000 kW in totale a s = −0,30, allora P_s = 2000 / 1,3 ≈ 1540 kW e la potenza del rotore è 0,30 × 1540 ≈ 460 kW. Il convertitore gestisce circa un quarto della potenza totale. 4. A 1050 giri/min la macchina con poco vento eroga, diciamo, 500 kW alla rete: P_s = 500 / 0,7 ≈ 714 kW, e il rotore assorbe circa 214 kW.

Un sistema a convertitore pieno farebbe passare tutti i 2000 kW nel suo convertitore. È l'argomento economico a favore del DFIG: un convertitore più piccolo significa costo e perdite del convertitore inferiori, ed è per questo che il convertitore al 30 % è diventato così comune.

Potenza reattiva e rete

Oltre a controllare la potenza attiva attraverso la corrente rotorica, il convertitore lato rotore può magnetizzare la macchina dal rotore. Un setpoint per la potenza reattiva dello statore può quindi essere tenuto a fattore di potenza unitario, oppure fatto erogare o assorbire potenza reattiva per sostenere la tensione di rete, senza usare condensatori. Il campo è limitato dai valori nominali di tensione e corrente del convertitore e dal limite di corrente dello statore. Anche il convertitore lato rete può scambiare potenza reattiva per conto proprio.

Rispetto a una turbina a convertitore pieno (che usa un generatore sincrono o a induzione e un convertitore dimensionato per la potenza intera), il DFIG presenta questi compromessi:

• Convertitore più piccolo ed economico e perdite del convertitore inferiori.
• Lo statore è collegato direttamente, quindi risente di più dei disturbi di rete: un buco di tensione provoca correnti rotoriche elevate, il che richiede un crowbar o un'altra protezione per il superamento dei guasti.
• Richiede anelli collettori e spazzole, che sono un punto di manutenzione, e un moltiplicatore di giri.
• Il suo campo di velocità è limitato a circa ±30 %, mentre un convertitore pieno può consentire qualsiasi velocità.

Come il simulatore modella il DFIG

Il simulatore del generatore asincrono a doppia alimentazione di Curvo Studio usa un circuito equivalente a T per fase, a regime, riferito allo statore, in convenzione dei motori, con il rotore alimentato alla frequenza di scorrimento. La turbina usa la curva Cp(λ, β) di Heier/Slootweg (Cp massimo circa 0,48 a λ ≈ 8,1), un moltiplicatore con rendimento del 97 %, un controllo di velocità MPPT limitato a ±30 % di scorrimento e l'orientamento delle pale oltre il vento nominale. L'inserimento avviene a 4 m/s e il disinserimento a 25 m/s. Il convertitore perde l'1,5 % della potenza apparente del rotore, e si assume che il lato rete lavori a fattore di potenza unitario.

Il modello è quasi stazionario. Non simula gli anelli di controllo del convertitore, i guasti di rete né il superamento dei guasti. La macchina predefinita è da 2000 kW, 690 V, a quattro poli, moltiplicatore 90:1, vento nominale di 11 m/s, convertitore al 30 % e setpoint a fattore di potenza unitario.

Con il vento predefinito di 10 m/s, l'inseguitore mantiene il rotore a circa 1676 giri/min (scorrimento −11,8 %, soprasincrono). Lo statore fornisce circa 1344 kW, il rotore ne aggiunge circa 155 attraverso il convertitore, e la rete riceve circa 1496 kW.

Provalo nel simulatore del DFIG

Apri il simulatore del generatore asincrono a doppia alimentazione e prova quanto segue.

• Lascia il Controllo di velocità su Vento (MPPT) e varia la Velocità del vento. A 10 m/s la Regione operativa è soprasincrona e la Potenza del rotore (tramite convertitore) è positiva, circa 155 kW. A 7 m/s la velocità è circa 1173 giri/min, la regione è subsincrona, lo scorrimento è circa +22 % e la potenza del rotore è circa −148 kW (la potenza viene prelevata dalla rete dal rotore).
• A 5 m/s la velocità del rotore è tenuta al limite di 1050 giri/min (scorrimento 30 %), e a 12 m/s è tenuta a 1950 giri/min mentre il Passo delle pale sale a circa 3° e la Potenza della turbina è mantenuta vicino al valore nominale.
• Sotto i 4 m/s la macchina è ferma e le letture mostrano Sotto la velocità di inserimento.
• Porta il Controllo di velocità su Velocità manuale e imposta la Velocità del rotore a 1500 giri/min. Lo scorrimento è zero e la Frequenza della corrente rotorica è 0 Hz.
• Imposta la Potenza reattiva dello statore a +500 o −500 kvar (positivo significa erogata alla rete) e osserva il Carico del convertitore e il Fattore di potenza in rete. A +1000 kvar il carico arriva a circa il 100 %.
• Riduci la Potenza del convertitore al 10 % con la velocità manuale a 1700 giri/min e il Carico del convertitore sale oltre il 100 %: il convertitore è sovraccarico e compare un avviso di funzionamento.

Il grafico Flusso di potenza in funzione della velocità del rotore mostra la potenza di statore, rotore e totale lungo la curva MPPT, con la potenza del rotore che cambia segno alla velocità di sincronismo.

Provalo nel simulatore