CONVEGNO LA COGENERAZIONE DIFFUSA E UNA OPZIONE VALIDA PER LA PRODUZIONE DEI FLUSSI ENERGETICI NECESSARI?

Transcript

1 CONVEGNO LA COGENERAZIONE DIFFUSA E UNA OPZIONE VALIDA PER LA PRODUZIONE DEI FLUSSI ENERGETICI NECESSARI? Memoria: 27 ottobre 2003 CESI Milano CONVERSIONE STATICA ASSERVITA AI SISTEMI DI GENERAZIONE / COGENERAZIONE DIFFUSA ing. Andrea Fornasa, ing. Gian Michele Rossi E.E.I. Equipaggiamenti Elettronici Industriali s.r.l.

2 ATTIVITA DELLA E.E.I. Apparecchiature elettroniche di potenza e di controllo per varie applicazioni industriali Macchine con azionamenti a velocità variabile: Metalli: Gabbie di laminazione, Trafilatrici, Cesoie Carta: Sezionali di cartiere, Avvolgitori / Svolgitori Trasporto a fune: Seggiovie, Cabinovie, Funicolari Miglioramento della qualità dell energia impiegata: Filtri Attivi per riduzione armoniche e rifasamento Raddrizzatori AFE con assorbimento sinusoidale Generazione distribuita e cogenerazione: Sistemi di conversione statica per la connessione alla rete di distribuzione di: Celle a combustibile, Generatori eolici, Piccole turbine idrauliche e simili 2

3 SISTEMI PER CELLE A COMBUSTIBILE Sistemi di conversione statica E.E.I. già realizzati: Sistemi di piccola potenza per prove sperimentali Impianto di cogenerazione realizzato da CESI: - Celle a combustibile Ansaldo Fuel Cell - Potenza elettrica resa in rete: 125 kw Sistema di conversione statica E.E.I. in costruzione: Impianto di cogenerazione di Ansaldo Fuel Cell: - Celle a combustibile Ansaldo Fuel Cell - Potenza elettrica resa in rete: 500 kw 3

4 IMPIANTO DI COGENERAZIONE A.F.C. L impianto impiega più gruppi di celle a combustibile del tipo MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell). La combustione di idrogeno e ossigeno produce energia elettrica e vapore d acqua ad alta temperatura. L idrogeno viene ricavato da gas metano, assieme ad anidride carbonica, con un processo di reforming; dell aria trattata dà l ossigeno per la combustione. Energia elettrica dalla trasformazione elettrochimica: - Tensione in c.c.: variabile da 360 V a 640 V - Corrente in c.c.: 1200 A nominali, 1500 A massimi Energia termica dal vapore ad alta temperatura: - Microturbina: produzione di altra energia elettrica - Scambiatore di calore: produzione di acqua calda per il teleriscaldamento di edifici. 4

5 SCHEMA DI PRINCIPIO DELL IMPIANTO 5

6 APPARECCHIATURE DELL IMPIANTO Il sistema di conversione statica E.E.I. trasferisce alla rete di distribuzione trifase in bassa tensione (400 V, 50 Hz) l energia elettrica generata dalle celle a combustibile per via elettrochimica. Apparecchiature di altri costruttori gestiscono: - il funzionamento generale dell impianto, - l energia elettrica prodotta dalla turbina, - il funzionamento delle celle a combustibile. In particolare esse regolano il regime di lavoro e la potenza elettrica generata dalle celle, agendo principalmente sui flussi di combustibile. 6

7 INTERFACCIA CON LE CELLE Nei confronti delle celle, il sistema di conversione deve assicurare queste prestazioni principali: - Prelevare energia dalla linea in c.c. delle celle, che presenta tensione molto variabile, da 360 a 640 V. - Contenere le distorsioni impresse alla linea in c.c. per non perturbare il funzionamento delle celle. - Regolare la corrente / potenza prelevata dalle celle, e di conseguenza la tensione, al punto di lavoro che assicura il rendimento ottimale delle celle. - Coordinare le azioni nel funzionamento regolare ed in caso di anomalie, interagendo col sistema di controllo delle celle tramite lo scambio di segnali di riferimento, di misura e di allarme. 7

8 INTERFACCIA CON LA RETE Nei confronti della rete, il sistema di conversione deve avvicinare il più possibile queste prestazioni ideali: - Trasferire esattamente la potenza che viene prelevata in quell istante dalla linea in c.c. delle celle. - Abbattere le distorsioni impresse alla linea in c.a., generando correnti perfettamente sinusoidali. - Abbattere la potenza reattiva scambiata con la rete in c.a., mantenendo le correnti perfettamente in fase con le tensioni impresse dalla rete di distribuzione. - Proteggere la rete ed il sistema di conversione nel caso di malfunzionamenti che riguardino la rete (mancanza di fase, microinterruzioni) o i convertitori. 8

9 STADI DEL SISTEMA DI GENERAZIONE La generazione avviene secondo stadi in cascata: Controllo delle celle: provvede a gestire il regime di lavoro delle celle a combustibile, regolando i flussi di combustibile per ottenere la potenza richiesta. Interfaccia con le celle: trasferisce l energia elettrica dalle celle ad una linea intermedia in c.c., mantenuta alla tensione costante di 650 Vc.c. Dissipazione resistiva: in caso di necessità, preleva dalla linea intermedia la parte dell energia prodotta dalle celle che non può essere trasferita alla rete. Interfaccia con la rete: trasferisce l energia dalla linea intermedia in c.c. alla linea alternata trifase. 9

10 STADI DEL SISTEMA DI CONVERSIONE 10

11 SCHEMA CIRCUITALE SEMPLIFICATO 11

12 INTERFACCIA CON LE CELLE Lo stadio può essere suddiviso nelle sezioni: Ingresso della linea in c.c.: manovra e protezione della linea, con interruttore-sezionatore, fusibili, contattore di manovra, contattore ausiliario e resistori per gestire la precarica del banco di condensatori. Accumulo e filtraggio: un banco di condensatori di elevata capacità funge da polmone per lo scambio di energia tra le celle e gli stadi seguenti. Una reattanza in serie limita entro il 5% la distorsione della corrente prelevata dalle celle. Convertitore c.c./ c.c. Booster : regola la potenza prelevata dalle celle, trasferendo la corrente continua corrispondente dalla linea di ingresso a tensione variabile, alla linea intermedia a tensione stabilizzata. 12

13 CONVERTITORE C.C./C.C. BOOSTER Tre gruppi di commutazione eguali, collegati in parallelo all ingresso ed all uscita. Ciascun gruppo: Trasferisce corrente, dal polmone capacitivo di ingresso a quello di uscita, che ha tensione maggiore. Usa un proprio regolatore di corrente ad anello chiuso, per regolare la corrente al valore richiesto dal sistema di controllo dell Interfaccia con le celle. E costituito da: un fusibile, una reattanza e un ramo di commutazione con transistor IGBT e diodo. Regolazione della corrente: comando dell IGBT con modulazione PWM, portante di modulazione a 5 khz. Prestazioni: 500 A nominali per gruppo, è possibile l impiego di 1, 2 o 3 gruppi, sfasamento delle portanti per ottenere una frequenza equivalente di 15 khz. 13

14 BOOSTER : SCHEMA SEMPLIFICATO 14

15 REGOLAZIONE DEL BOOSTER La regolazione avviene secondo questi criteri: Condizioni normali: si impiegano i tre gruppi, ciascuno eroga un terzo della corrente richiesta. Regolazione di un gruppo: regolatore ad anello chiuso di corrente dedicato, con limite di corrente massima programmato. Il riferimento di corrente è elaborato dal controllo dell Interfaccia con le celle. Controllo dell Interfaccia con le celle: - Regolazione in Corrente : il riferimento di corrente è trasmesso direttamente dal Controllo delle celle. - Regolazione in Potenza : il Controllo delle celle trasmette un Riferimento di Potenza; un regolatore determina il riferimento di corrente ottimale, in base alle curve caratteristiche delle celle a combustibile. 15

16 PROTEZIONE DELLE CELLE Lo stadio di Interfaccia con le celle realizza varie funzioni di protezione delle celle a combustibile: Inversione del collegamento: mediante un diodo in parallelo alla linea in c.c. sostenuta dalle celle. Gestione del sovraccarico: un regolatore automatico impedisce che la tensione scenda oltre il minimo ammesso, limitando al bisogno la corrente prelevata. Spegnimento delle celle: l Interfaccia con le celle trasmette allarmi al Controllo delle celle per il loro spegnimento e provvede alla disinserzione della linea se rileva anomalie gravi del Booster o delle celle, ad esempio una eccessiva diminuzione della tensione. 16

17 LINEA INTERMEDIA IN C.C. Lo scambio di energia tra l Interfaccia con le celle e l Interfaccia con la rete avviene tramite un secondo banco di accumulo capacitivo. Per i due banchi si impiegano condensatori a film di poliestere, che danno prestazioni migliori rispetto ai condensatori elettrolitici normalmente impiegati: - Maggiore robustezza alle sollecitazioni elettriche -Minore riduzione della capacità per invecchiamento - Maggiore vita media attesa. Nel normale esercizio, l Interfaccia con la rete mantiene la tensione della linea intermedia al valore costante di 650 V, prelevando la corrente necessaria. In condizioni particolari (fase di avviamento, blocco della Interfaccia con la rete), un dissipatore resistivo assume il controllo della potenza prodotta dalle celle. 17

18 DISSIPATORE RESISTIVO Un Interruttore statico, realizzato con un transistor IGBT ed un diodo, inserisce un gruppo di resistori di potenza in parallelo alla linea in c.c. La potenza dissipata sui resistori viene modulata mediante un regolatore automatico: - I resistori vengono inseriti quando la tensione supera il valore nominale (670 Vcc). - I resistori vengono disinseriti quando la tensione ridiscende ad un valore inferiore (630 Vcc). Il controllo della Interfaccia con le celle rimane coordinato col Controllo delle celle, che può quindi gestire correttamente il funzionamento delle celle anche nelle fasi di avviamento delle celle e di disinserzione o di blocco dell Interfaccia di rete. 18

19 INTERFACCIA CON LA RETE Lo stadio può essere suddiviso nelle sezioni: Conversione c.c./c.a.: è realizzata da un convertitore statico ad IGBT gestito con modulazione PWM, del tipo detto a Front End Attivo. Separazione galvanica: un trasformatore trifase 400 V / 400 V del tipo Dy11 separa il convertitore dalla rete ed integra le reattanze necessarie al suo funzionamento. Filtraggio della linea di rete: a valle del trasformatore, un filtro R-L-C abbatte le distorsioni residue prodotte dalla commutazione PWM del convertitore. Manovra della linea di rete: un contattore di manovra ed un interruttore automatico magnetotermico realizzano l inserzione e disinserzione della linea trifase di rete. 19

20 CONVERTITORE A FRONT END ATTIVO Circuito di potenza: identico a quello di un invertitore trifase a tensione impressa, con 6 transistor IGBT. - Interagisce con la linea trifase tramite le reattanze integrate nel trasformatore d uscita. - Gestito con modulazione PWM a 10 khz. Tecniche di controllo: - Regolazione della tensione in c.c.; dà l ampiezza delle correnti in c.a. per trasferire alla rete tutta la potenza. - Aggancio in fase delle correnti in c.a. con le tensioni della linea trifase: annulla la potenza reattiva e rende automatica la manovra di parallelo con la rete. - Riferimenti di corrente sinusoidali, per ottenere una bassa distorsione armonica della corrente (THD < 5%). - Regolazione ad anello chiuso delle correnti c.a., con limitazione automatica delle correnti. 20

21 SISTEMI PER GENERATORI EOLICI La E.E.I. produce sistemi di conversione statica per il collegamento alla rete di generatori eolici. Coprono un ampio campo di potenze, da 20 a 750 kw resi in rete; è in preparazione un sistema da 1200 kw. Si impiegano convertitori e tecniche di controllo simili a quelli impiegati nei sistemi per celle a combustibile. Come esempio, si descrive il sistema di conversione per un piccolo generatore eolico, da 20 kw resi in rete, realizzato da ERGA S.p.A. 21

22 PICCOLA MACCHINA EOLICA La turbina eolica è semplice: - Non impiega la regolazione del passo delle pale. - E dotata di un dispositivo meccanico Up - Hinge : in caso di velocità eccessiva del vento, inclina l asse di rotazione per abbattere la coppia generata dal vento. La turbina eolica aziona direttamente un generatore sincrono a magneti permanenti con elevato numero di poli, senza riduttore meccanico di velocità. - Caratteristiche del generatore sincrono trifase: 30 poli, 20 kw resi a 200 rpm, 400 V, 50 Hz La velocità della turbina può variare in un ampio campo, e con essa, in proporzione diretta, la tensione e la frequenza prodotte dal generatore sincrono. 22

23 SISTEMA DI CONVERSIONE STATICA L energia prodotta dal generatore sincrono viene trasferita alla rete trifase tramite questi stadi in cascata: Interfaccia col generatore: impiega un semplice ponte di Graetz trifase a diodi, un banco capacitivo ed un convertitore c.c./c.c. Booster. Linea intermedia in c.c. e Dissipatore resistivo: viene mantenuta alla tensione costante di 600 V; in condizioni particolari, un gruppo di resistori inseriti da un interruttore statico o da un contattore, dissipa la potenza che non può essere trasferita alla rete trifase. Interfaccia con la rete: impiega un convertitore c.c./c.a. a Front End Attivo, un trasformatore di separazione, un contattore ed un sezionatore per la linea a 400 V, 50 Hz. 23

24 SCHEMA ELETTRICO A BLOCCHI 24

25 INTERFACCIA COL GENERATORE Alla linea trifase sostenuta dal generatore sincrono sono collegati direttamente: - Un sezionatore di messa a terra; nel fuori esercizio mantiene nulle le tensioni, ed impone al generatore elevata coppia frenante, per mantenere ferma la turbina. - Un banco trifase di condensatori, per rifasare la linea. - Il raddrizzatore a ponte di Graetz trifase; produce tensione in c.c. proporzionale alla velocità della turbina. Il convertitore c.c./c.c. Booster impiega un banco capacitivo, una induttanza ed un circuito con transistor IGBT ed un diodo. Viene gestito con modulazione PWM a 15 khz, per regolare la corrente trasferita dalla linea in c.c. del raddrizzatore alla linea intermedia in c.c. a 600 V. 25

26 LINEA INTERMEDIA E DISSIPATORE In condizioni normali, la linea intermedia in c.c. viene mantenuta alla tensione di 600 Vcc dal convertitore c.c./c.a. a valle. Alla linea in c.c. sono collegati: - Un banco capacitivo che fa da polmone per gli scambi di energia tra le interfacce col Generatore e con la Rete. - Il Dissipatore resistivo, con resistori di potenza inseriti da un transistor IGBT o da un contattore, a seconda dell operazione richiesta. 26

27 INTERFACCIA CON LA RETE L energia prodotta dal generatore viene trasferita dalla linea intermedia in c.c. alla linea trifase a 400 V, 50 Hz collegata alla rete di distribuzione, tramite questi stadi: - Il convertitore c.c./c.a. a Front End Attivo, simile a quello descritto per le celle a combustibile. Genera correnti praticamente sinusoidali (THD < 5%), agganciate in fase con le tensioni della linea trifase; viene regolato in modo da mantenere a 600 Vcc la linea intermedia. - Un sezionatore a fusibili, per il fuori esercizio. - Un trasformatore trifase per la separazione dalla rete. Ingloba le reattanze per il convertitore e per il filtro L-C. - Un filtro L-C per l abbattimento dei disturbi della PWM. - Contattore di manovra ed interruttore automatico, per la manovra e protezione della linea trifase di rete. 27

28 TECNICA DI CONTROLLO Il sistema di controllo provvede a gestire tutte le operazioni in modo completamente automatico: in condizioni operative normali, in caso di forte vento ed in caso di anomalie della rete o del sistema di generazione. Interventi di ripristino manuali sono necessari soltanto in caso di anomalie gravi, che impediscono la ripresa automatica del normale funzionamento; negli altri casi, il sistema riprende il funzionamento normale al ritorno delle condizioni regolari. La potenza prelevata dal generatore e trasmessa in rete (o dissipata sulle resistenze) viene regolata dal sistema di controllo del Booster, in base alle condizioni di funzionamento in atto. 28

29 AVVIAMENTO DELLA TURBINA All apertura del sezionatore di messa a terra del generatore, questi annulla la coppia frenante e la turbina può avviarsi, spinta dal vento. - Il controllo comanda al Booster corrente nulla, per non richiedere coppia e potenza frenante al generatore. Superata la velocità minima della turbina, il controllo richiede al Booster una corrente ridotta, per la precarica graduale del banco capacitivo della linea intermedia. Raggiunta una tensione in c.c. adeguata, viene chiuso il contattore sulla linea trifase ed attivato il convertitore a Fronte End Attivo, per trasferire l energia alla rete. - Il controllo inizia a gestire il normale funzionamento. 29

30 NORMALE ESERCIZIO In condizioni normali (nessun allarme e vento regolare), è necessario regolare la coppia frenante (e corrente) del generatore, in modo di mantenere la velocità (e tensione) al valore che consente il massimo prelievo di potenza. Il sistema di controllo calcola la corrente del Booster, proporzionale alla corrente e coppia del generatore: - rileva la velocità in base alla tensione raddrizzata; - calcola la corrente del Booster che dà la potenza massima, in base ad una curva Corrente Vs Velocità programmata con una spezzata a 10 segmenti. 30

31 CONDIZIONI DI FORTE VENTO Per velocità del vento eccessive, si rischia: - il sovraccarico dei convertitori per potenza eccessiva, - l aumento incontrollato della velocità della turbina. Il sistema meccanico di Up-Hinge deve intervenire solo in condizioni eccezionali, come dispositivo di sicurezza. Il sistema di controllo interviene preventivamente, comandando queste azioni: - Limitazione della potenza trasmessa alla rete. - Limitazione della velocità della turbina, facendo produrre al generatore la necessaria coppia frenante. - Richiesta di una forte coppia frenante, quando è necessario, per portare la turbina ad un regime di quasi stallo che ne riduce il rendimento e la coppia motrice. 31

32 AZIONI DEL SISTEMA DI CONTROLLO Quando la velocità raggiunge il massimo tollerabile, il sistema di controllo regola la corrente del Booster e la coppia frenante in modo da non superare questo valore. Il convertitore c.c./c.a. limita la corrente e la potenza trasmessa alla linea trifase, ad un valore elevato ma inferiore alla potenza prodotta dal generatore. L eccesso di potenza viene dissipato sulle resistenze, modulando la loro inserzione tramite l IGBT. Gli allarmi di sovraccarico termico delle resistenze o del convertitore c.a./c.c. comandano una forte frenatura per ottenere il quasi stallo della turbina (forte corrente del Booster, inserzione totale delle resistenze). Quando le condizioni ritornano accettabili, il sistema riprende automaticamente il normale funzionamento. 32