Modellistica e controllo di un generatore asincrono a doppia alimentazione per turbine eoliche con analisi della risposta ai buchi di tensione

Questa Tesi si pone l’obiettivo di analizzare la risposta di un generatore asincrono a doppia alimentazione (DFIG) per turbine eoliche al problema degli abbassamenti di tensione. La struttura di un sistema DFIG deriva da quella della macchina asincrona con rotore avvolto, ma a differenza di quest’ultima presenta un’alimentazione sia attraverso lo statore della macchina, che è direttamente collegato alla Rete, sia attraverso il rotore, i cui avvolgimenti sono collegati alla Rete in maniera indiretta attraverso un convertitore in configurazione back-to-back. Le turbine eoliche equipaggiate con sistema DFIG sono tra le più diffuse (70%) a livello industriale tra quelle a velocità variabile, cioè progettate per poter operare a velocità di rotazione variabili rispetto alla velocità di sincronismo (±30%), allo scopo di ottenere la massima efficienza aerodinamica su un ampio range di velocità del vento. Oltre quindi a presentare notevoli vantaggi dal punto di vista dell’efficienza aerodinamica, i sistemi DFIG consentono di diminuire le perdite nel convertitore, che infatti sono inferiori rispetto a sistemi in cui invece esso è dimensionato per una potenza pari al 100% della potenza totale e di conseguenza si riducono i costi dell’Elettronica di Potenza. Purtroppo uno dei maggiori problemi del loro utilizzo deriva dalla insufficiente capacità di superare abbassamenti di tensione e rimanere, durante tali disturbi, connessi alla Rete. Oggi infatti le normative tecniche impongono alle turbine eoliche di rimanere connesse alla rete durante i guasti, in modo che esse possano contribuire attivamente al mantenimento della stabilità del sistema di trasmissione, ma questo comporta per i sistemi DFIG la nascita di sovracorrenti e sovratensioni che portano al danneggiamento irreversibile del convertitore. In questa Tesi viene riportata un’accurata analisi che descrive i motivi che portano al manifestarsi di tali problemi ed esplora quali potrebbero essere le soluzioni per rispondere alle richieste delle normative al problema dei buchi di tensione. Per raggiungere siffatto obiettivo sono assolutamente prioritari e preliminari: la comprensione dettagliata dei principi di funzionamento del sistema, l’elaborazione di un modello che lo descriva adeguatamente, l’implementazione del sistema di controllo utilizzato attualmente, l’evidenziazione dei limiti che tale sistema presenta e l’analisi delle possibili soluzioni. A tal fine è stato prodotto un modello del DFIG basato sui parametri di un sistema realmente esistente ed è stato realizzato un controllo FOC-PI, che allo stato attuale è il controllore utilizzato in questo tipo di sistemi. È stata studiata la stabilità di tale sistema di controllo, evidenziandone i limiti e le imperfezioni. Ed è stato dimostrato che la dinamica del DFIG presenta due autovalori poco smorzati con una corrispondente frequenza naturale circa uguale alla frequenza di rete (50 Hz ), avendo calcolato il valore di corrente che rende il sistema instabile. Di conseguenza si è indagato sul limite di potenza reattiva che può essere richiesta dalla Rete, essendo legata alla corrente rotorica d’asse diretto ed è stato calcolato tale limite. Si è studiata la risposta analitica del sistema di controllo al Low Voltage Ride Through, rilevando le carenze e le problematiche che il suo utilizzo comporta. In seguito è stato interessante avviare un’indagine volta a sondare soluzioni accettabili relativamente alla modifica del Sistema di Controllo del DFIG e sono state analizzate le prestazioni dinamiche del controllo attualmente utilizzato . Infine è stato proposto uno schema di controllo alternativo al PI basato sulla tecnica sliding mode e le prestazioni dinamiche dei diversi schemi di controllo sono state confrontate secondo opportune cifre di merito, tese a cogliere gli aspetti più significativi della risposta del sistema. Tale confronto ha messo in luce i vantaggi del regolatore sliding mode rispetto al PI nell’affrontare un abbassamento di tensione, in particolare riducendo i picchi di corrente durante il guasto, permettendo di dimensionare in modo meno oneroso il convertitore. In conclusione, questo lavoro propone un’analisi approfondita di un sistema ad elevato grado di complessità, quale è il generatore asincrono a doppia alimentazione per turbine eoliche, ponendo le basi per ulteriori futuri sviluppi. Restano infatti aperti alcuni temi importanti, quali: la progettazione di un controllore stabilizzante che permetta di soddisfare una qualsiasi richiesta di potenza reattiva dalla rete; lo studio di protezioni passive del convertitore per far fronte alle sovra-tensioni e sovra-correnti che insorgono nel sistema durante un guasto; infine, è necessario analizzare la sensitività all’accuratezza della stima dello stato del sistema, dalla quale dipendono le prestazioni di tutti i sistemi di controllo proposti.