Generatore asincrono a doppia alimentazione : stato dell'arte ed analisi del funzionamento nella connessione ad un DC-Bus tramite ponti a diodi e singolo inverter

In the last years there has been a growing interest in the generation of electricity from renowable sources, of which the wind energy is one of the most used. Modern variable speed wind turbines are equipped with doubly fed induction generators (DFIG), that allow substantial economic benefits and advantages in performance. The aim of this work is to study and analyze a new kind of connection of DFIGs to a DC-bus by a diode bridge rectifier and one inverter. DC network structure is used in new low voltage electric systems, because, with this type of network, it is possible to directly connect batteries and photovoltaic panels. Reactive power control and syncronisation to make parallel with generators are not necessary. In this thesis it is also suggested and validated a new control algorithm for the proposed systems with the support of numeric symulations using MATLAB/Simulink and experimental tests. In order to achive this goal, the first chapter focuses on the basic features of an DFIG-based eolic power plant and on the modelling of the DFIG. In chapters 3 and 4 the requirements and the typical control systems for eolic power plants, connected to a powerful grid or in stand-alone, are analysed. In order to support the discussion, numerical simulations made with Simulink are shown. In chapter 5 it is introduced and explained the steady state model of a DFIG connected to a DC-bus using a diode bridge rectifier and a reduced power inverter; the basic elements for a correct sizing of a DFIG for this application are also obtained. In chapter 6 a new kind of automatic control is explained and validated. In the last chapter the experimental system and the experimental obtained results are shown, a comparison between expected and obtained results is also reported.

Negli ultimi anni si è assistito ad un crescente interesse verso la generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili, tra cui una delle più sfruttate è l’energia eolica. Le moderne turbine eoliche a velocità variabile sono equipaggiate per lo più con generatori asincroni a doppia alimentazione (DFIG: Doubly Fed Induction Generator) che permettono notevoli vantaggi sia a livello economico, sia prestazionale. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare un nuovo tipo di connessione per DFIG ad un DC-bus tramite un inverter ed un ponte a diodi. La struttura di reti in corrente continua è sempre più utilizzata nei nuovi sistemi di distribuzione in BT: ciò è dovuto al fatto che in queste reti è possibile inserire direttamente accumulatori elettrochimici e pannelli fotovoltaici, non è necessario il controllo della potenza reattiva e della frequenza e non ci sono problemi di inserzione dei generatori in parallelo. Oltre allo studio della connessione e del dimensionamento della macchina elettrica da inserire nel sistema, si propone un tipo di controllo per questa applicazione che sarà validato tramite simulazioni numeriche, con l’ausilio della piattaforma software MATLAB/Simulink, ed alcune prove sperimentali svolte in laboratorio. Per poter conseguire l’obiettivo sopra citato, nei primi due capitoli si studiano le caratteristiche fondamentali di un impianto per generazione eolica concentrandosi sulla modellistica della macchina asincrona a doppia alimentazione e sulle sue modalità di funzionamento. Nei capitoli 3 e 4 si analizzano i requisiti degli impianti di generazione eolica connessi a reti di grande potenza o a reti stand-alone, i tipi di controllo più diffusi e si presentano alcune simulazioni numeriche a supporto della discussione. Nel quinto capitolo si introduce la connessione del DFIG ad un DC-bus tramite un ponte a diodi ed un inverter di potenza ridotta, si propone un semplice schema di controllo, se ne studia il funzionamento a regime e si forniscono gli elementi essenziali per il corretto dimensionamento di una macchina asincrona a doppia alimentazione utile a questa applicazione. Nel capitolo 6 si spiega in dettaglio il controllo proposto per il tipo di connessione presentato, si valida quindi, attraverso simulazioni numeriche, la teoria proposta nel capitolo 5 e l’efficacia del controllo. Nell’ultimo capitolo si presentano la struttura del sistema utilizzato per le prove sperimentali, le prove effettuate e si confrontano i risultati ottenuti sperimentalmente con quelli teorici attesi esposti nel capitolo 6.