CONVEGNO
“ LA COGENERAZIONE DIFFUSA E’ UNA
OPZIONE VALIDA PER LA PRODUZIONE
DEI FLUSSI ENERGETICI NECESSARI ? ”
27 ottobre 2003 – CESI Milano
Memoria:
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.
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
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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
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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.
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SCHEMA DI PRINCIPIO DELL’IMPIANTO
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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.
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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.
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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.
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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.
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STADI DEL SISTEMA DI CONVERSIONE
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SCHEMA CIRCUITALE SEMPLIFICATO
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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.
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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
“BOOSTER”: SCHEMA SEMPLIFICATO
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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.
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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.
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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
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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SCHEMA ELETTRICO A BLOCCHI
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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