Studio del controllo di un generatore a doppia stella trifase

There are many factors favoring the spread of wind energy, making it competitive related to other renewable sources: the cost of building and maintenance of a plant, increasingly efficient construction technologies and, last but not least, HVDC technology (High Voltage Direct Current) for the transmission of electricity. The reduced dispersions compared to the more frequently used alternating current transport make this solution ideal for the efficient transport of electricity over long paths and with submarine cables. In several emerging countries, HVDC lines now transfer several Gigawatts of electrical power with a voltage of up to 800 kV over thousands of kilometers. The recent developments of compact and autonomous VSC (Voltage Source Converter) switches have opened up further fields of application for HVDC technology. This allows shorter transfer distances to be efficiently managed. The thesis deals with the control of the generation of direct current carried out in an offshore wind farm. The WECS (Wind Energy Conversion System), relatively low power (20 kW), is based on the equal division of power delivery between two rectifiers connected in series, creating a passive-active hybrid topology. In detail it is a Diode Rectifier bridge and an IGBT inverter, each connected to the star of a synchronous, double star, permanent magnet generator (2SPMSG). The idea developed is to control the total power supplied to the load, supposed to be able to absorb a constant current, by acting on the controllable device, i.e. the IGBT inverter. For the same breaking capacity, IGBTs have a higher cost than DRs. Therefore, compared to a solution based entirely on inverters, the expected advantage is the lower cost to size the inverter on half the power, a reduction that exceeds the greater cost introduced by the diode bridge rectifier. In Chapter 2 the multiphase systems, which includes the six-phase 2SPMSG generator, are first shown. Its characteristics, advantages and disadvantages due to the increase in the number of phases and some of the most commonly used control techniques are outlined. Chapter 3 is dedicated to the modeling of the elements that make up the system: motor, rectifiers, output stage, control section. Chapter 4 contains the detailed description of the simulator, based on the MathWorks Simulink product. Lastly, Chapter 5 analyzes the main results of the simulation.

Sono tanti i fattori che stanno favorendo la diffusione dell’energia eolica, rendendola concorrenziale rispetto ad altre fonti rinnovabili: il costo per la costruzione e il mantenimento di un impianto, le tecnologie di costruzione sempre più efficienti e, non ultima, la tecnologia HVDC (High Voltage Direct Current) per la trasmissione di energia elettrica in corrente continua. Le ridotte dispersioni rispetto al trasporto in corrente alternata, di più frequente utilizzo, rendono questa soluzione ideale per il trasporto efficiente dell'energia elettrica su lunghi tratti e con cavi sottomarini. In diversi Paesi emergenti le linee HVDC trasferiscono oggi svariati Gigawatt di potenza elettrica con una tensione fino a 800 kV lungo migliaia di chilometri. I recenti sviluppi di commutatori di corrente compatti e autonomi VSC (Voltage Source Converter) hanno aperto ulteriori campi d'impiego per la tecnologia HVDC. In questo modo è possibile gestire in modo efficiente anche distanze di trasferimento più brevi. La tesi presentata si occupa del controllo della generazione di corrente continua effettuata in un parco eolico offshore. Il sistema WECS (Wind Energy Conversion System), di potenza relativamente bassa (20 kW), è basato sulla suddivisione paritetica dell’erogazione della potenza tra due raddrizzatori connessi in serie, creando un topologia ibrida passiva-attiva. In dettaglio si tratta di un ponte raddrizzatore a diodi e di un inverter ad IGBT, ognuno collegato alla stella di un generatore sincrono, doppia stella, a magneti permanenti (2SPMSG). L’idea sviluppata è quella di controllare la potenza totale fornita al carico, supposto capace di assorbire una corrente costante, agendo sul dispositivo controllabile, ossia l’inverter a IGBT. A parità di potere di interruzione gli IGBT hanno un costo più alto dei diodi rettificatori. Quindi, rispetto a una soluzione basata interamente su inverter, il vantaggio atteso è il minor costo per dimensionare l’inverter sulla metà della potenza, riduzione che supera il maggior costo introdotto dal raddrizzatore a ponte di diodi. Nel Cap. 2 vengono dapprima illustrati i sistemi multifase, di cui fa parte il generatore 2SPMSG a sei fasi. Ne sono delineate le caratteristiche, i vantaggi e gli svantaggi dovuti all’aumento del numero di fasi, alcune delle tecniche di controllo più in uso. Il Cap. 3 è dedicato alla modellizzazione degli elementi che costituiscono il sistema: motore, raddrizzatori, stadio di uscita, sezione di controllo. Nel Cap.4 si trova la descrizione dettagliata dal simulatore, basato sul prodotto Simulink di MathWorks. Infine, nel Cap. 5 si analizzano i principali risultati della simulazione.