Generatori a Magneti Permanenti e Convertitori Statici di Frequenza: nuove tecnologie per mini idro Agostino Valentini AEIT-TAA Bolzano, 8/05/2014
Indice Nuove tecnologie : caratteristiche generali PMG : velocità fissa diretto in rete PMG = Generatori a Magneti Permanenti PMG + VFD : velocità variabile - full converter VFD = Variable Frequency Drive La centrale di Forte Buso Trento Possibili soluzioni a casi concreti 2
Nuove tecnologie Migliori prestazioni e compatibilità ambientale compattezza pmg compatto robusto alte prestazioni 3
Nuove tecnologie Migliori prestazioni e compatibilità ambientale Accoppiamento Diretto = No GEAR No FEAR water jacket compattezza silenziosità lunga vita - No olio/ grasso nelle vicinanze del corso d acqua - Adattamento all ambiente circostante con minimo impatto visivo - Adattamento a diverse condizioni di salto/portata con la velocità/freq. variabile 4
Schema convenzionale velocità fissa PMG diretto in rete Magneti sul rotore = Eccitazione costante f(t ) NO gestione della potenza reattiva f(vrete, %carico) 1 0,98 0,96 0,94 power factor 0,92 0,9 0,88 0,86 0,84 Vn 0,85 Vn 0,82 1,1 Vn 0,8 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 load [p.u.] 5
Schema convenzionale velocità fissa Rendimento 100,0% 98,0% 96,0% efficiency 94,0% 92,0% 90,0% 88,0% 86,0% GEN pmg SYN GEN convenz SYN GEN convenz + GEAR BOX 84,0% 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 load [p.u.] Rendimento tipico di generatori: Syncrono brushless, gear-box e PMG dol Confronto basato su - medesime condizioni idrologiche - medesima gestione della turbina 6
Nuovo approccio velocità variabile 2p = 6 8 10 12 1000 min-1 750 min-1 600 min-1 500 min-1 compromesso 7
Nuovo approccio velocità variabile Convertitori statici a frequenza variabile elettronica di potenza sincronizzazione al bus DC = NO sincronizzatore 8
Nuovo approccio velocità variabile Lay-out controllo Syn. Generator PMG V,F var DC V n INVERTER AFE F n Trafo Grid + Sinus Filter G H water V water P mec P elec Hydraulic actuators Optional Breaking Resistor Distributor Control H ref MPP Tracking INVERTER CONTROL Sensorless Vector Control Active power control and limitation for LVRT, OvrSpd P Grid lim AFE CONTROL DC link voltage control, Reactive Power control, Synchronization, LVRT and max power limitation Q ref ref, T ref P Grid lim Q ref, cosphi ref 9
Nuovo approccio velocità variabile Rendimento efficiency 100,0% 98,0% 96,0% 94,0% 92,0% 90,0% 88,0% Rendimento tipico di generatori: sincroni brushless e PMG con convertitore VFD Medesime condizioni idrauliche 86,0% 84,0% 82,0% PMG VFD PMG+VFD SYN conv 80,0% 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 load [p.u.] ATTENZIONE velocità variabile = campo operativo più grande migliore rendimento globale sulla base della producibilità annua 10
Forte Buso shpp (Italy) Case history Nuova centrale sul rilascio di una diga 1 x Pelton Verticale 5j 550 kw @ 600 rpm Generatore PM sincrono 14 poli (peso 4 tons) =93.5% (generatore + convertitore) Portata : 0,4 0,55 m3/s Salto : 45 112 m Velocità : 550 630 rpm 11
Forte Buso shpp (Italy) Case history registrazioni giornaliere livelli di invaso, ciclo di un anno rilascio stagionale imposto come dmv ipotesi di fermo impianto per condizioni impraticabili della turbina (in configurazione convenzionale, a velocità costante) per salto inferiore a 77 metri 12
Forte Buso shpp (Italy) Case history Velocità SINCRONA Rendimento globale : 0.825 p.u. Potenza media annua : 348 kw (0,673 p.u.) Velocità VARIABILE Rendimento globale : 0.980 p.u. Potenza media annua : 389 kw (0,752 p.u.) 2.926.000 kwh 3.266.000 kwh - 340.000 kwh : +11% 13
Case study Kaplan Curve tipiche per un caso analizzato: Kaplan Q= 5 m3/s H= 12,4 8,3 m Tabella CEI 0-16 14
Case study Basso salto condizioni di salto variabile velocità FISSA velocità FISSA velocità VARIABILE Kaplan H= 12,4 8,3m Q= 5 m3/s rotazione Turbina Sincrona, fissa Sincrona, fissa Variabile, ottimizzata accoppiamento meccanico Gear-box rapporto 1:n accoppiamento diretto rapporto 1:1 accoppiamento diretto rapporto 1:1 generatore Sincrono brushless Sincrono magneti permanenti PMG Sincrono magneti permanenti PMG parallelo rete Diretto Diretto Full Converter VFD rendimento medio annuo 70,6% 74,8% 79,6% producibilità 1354 MWh/year 1434 MWh/year 1527 MWh/year - +5,9% +12,8% 15
Case study Basso salto n.2 coclee Livello vasca di carico costante No sfioro Gr 1 Gr 2 Q max Gr 1 ON Gr 2 ON Afe ON cosfi @ pcc = 1 (regolabile) Gr 1 Gr 2 Q media Gr 1 ON Gr 2 OFF Afe ON cosfi @ pcc = 1 (regolabile) Gr 1 Gr 2 Q min Gr 1 OFF Gr2 ON Afe ON cosfi @ pcc = 1 (regolabile) 16
Case study Condizioni variabili estremità critiche Ampia finestra di funzionamento Massimo sfruttamento delle condizioni condizioni NOMINALI Q / H INV AFE DOL VFD Velocità COSTANTE Inverter OFF - Afe ON cosfi @ pcc = 1 (regolabile) Condizioni ESTREME Q / H INV AFE DOL VFD Velocità VARIABILE Inverter ON - Afe ON cosfi @ pcc = 1 (regolabile) 17
Conclusioni R.E.S. small hydro industrial Nuove tecnologie per: - migliore integrazione ambientale - aumento del rendimento - aumento della produzione 18