Che cos’è un generatore asincrono a doppia alimentazione (DFIG)?
Principio di funzionamento
Un generatore asincrono a doppia alimentazione è una macchina asincrona a rotore avvolto il cui statore è collegato direttamente alla rete, mentre il rotore è alimentato attraverso anelli da un convertitore back-to-back. Il convertitore inietta una tensione alla frequenza di scorrimento, così lo statore vede sempre la frequenza di rete, qualunque sia la velocità. Per fase, V_r/s = (R_r/s + jX_r)·I_r − E: la tensione rotorica è proporzionale allo scorrimento s, per questo il convertitore può essere piccolo.
Funzionamento subsincrono e soprasincrono
Con lo scorrimento s = (n_s − n)/n_s, la potenza rotorica è P_r ≈ −s·P_s e la potenza totale verso la rete è P ≈ (1 − s)·P_s. Sotto la velocità sincrona (s > 0) il rotore assorbe potenza dalla rete tramite il convertitore; sopra (s < 0) anche il rotore eroga potenza, quindi la macchina può dare più della potenza nominale dello statore. Alla velocità sincrona la corrente rotorica è continua e la potenza rotorica è nulla. Un convertitore del 25–30 % della potenza della macchina copre circa ±30 % di velocità.
Controllo della turbina eolica
La potenza della turbina è P = ½·ρ·A·v³·Cp(λ, β), con il rapporto di velocità periferica λ = ω·R/v. Sotto il vento nominale le pale sono piatte (β = 0) e il tracker del punto di massima potenza imposta la velocità che mantiene λ al valore ottimo, circa 8, quindi la velocità sale con il vento. Raggiunti il limite di velocità e la potenza nominale, le pale variano il passo per limitare la potenza. Tra le velocità di inserimento e disinserimento la turbina funziona; fuori da questo intervallo è ferma.
Potenza reattiva e supporto alla rete
La corrente rotorica deve fornire la corrente di magnetizzazione che lo statore non dà, perciò il convertitore controlla la potenza reattiva (e attiva) dello statore tramite le correnti d e q del rotore. La macchina può erogare o assorbire potenza reattiva per sostenere la tensione di rete, entro i limiti di tensione e corrente del convertitore. Se il setpoint chiede più di quanto consente, si limita prima la potenza reattiva e poi si segnala il sovraccarico. Il convertitore lato rete di solito funziona con fattore di potenza unitario.
Domande frequenti
- Perché il convertitore può essere solo circa il 30 % della potenza della macchina?
- Perché porta solo la potenza di scorrimento. La tensione rotorica è proporzionale allo scorrimento e la potenza attiva del rotore è circa s volte quella dello statore; in un intervallo di ±30 % di velocità il convertitore gestisce al massimo circa il 30 % della potenza nominale. Un convertitore a piena potenza, come nelle turbine con generatore sincrono, deve gestirla tutta: è più grande, più costoso e con più perdite.
- Che cosa succede alla velocità sincrona?
- Lo scorrimento è zero, quindi la tensione rotorica è quasi nulla e la corrente rotorica è continua, come l’eccitazione di una macchina sincrona. La potenza rotorica è zero e cambia segno: sotto il rotore assorbe, sopra eroga. Restare a lungo in questo punto scalda il convertitore in modo non uniforme, perché una fase porta la maggior parte della corrente continua; le turbine lo attraversano di solito rapidamente.
- Perché la turbina varia il passo delle pale oltre il vento nominale?
- La potenza del vento cresce con il cubo della velocità, ma generatore e convertitore hanno una potenza fissa. Variare il passo riduce il coefficiente di potenza Cp, così la turbina cattura solo la potenza nominale mentre la velocità resta al limite. Sotto il vento nominale le pale restano piatte e il tracker massimizza Cp.