Confronto e valutazione delle strategie di controllo per turbine eoliche a griglia

Grazie al sostegno di politiche che incoraggiano l'adozione di energie rinnovabili e alla necessità di decarbonizzare i sistemi energetici, l'energia eolica rappresenta una quota crescente della produzione complessiva di elettricità nelle reti elettriche moderne. In passato, quando erano in servizio relativamente poche turbine, i gestori della rete potevano contare su una grande centrale elettrica convenzionale con un generatore sincrono per fornire inerzia, mantenere la stabilità e stabilire punti di riferimento di tensione e frequenza per le turbine eoliche che seguono il vento. Tuttavia, poiché l'equilibrio si sposta e aumenta l'energia eolica disponibile, aumenta la domanda da parte dei gestori della rete per turbine eoliche che formando l’energia eolica (GFM-WT), in particolare turbine eoliche di tipo IV con generatori sincroni a magneti permanenti (PMSG) e convertitori di potenza completa, in grado di stabilizzare attivamente la rete fornendo supporto di tensione e frequenza.

L'integrazione dei GFM-WT nella rete pone diverse sfide tecniche dal punto di vista del controllo. Ad esempio, sono necessari controlli avanzati per gestire le vibrazioni torsionali e altre dinamiche elettromeccaniche dei GFM-WT, che possono ridurre significativamente la durata di vita della turbina e indurre oscillazioni di potenza, compromettendo potenzialmente la stabilità della rete. Queste sfide hanno evidenziato l'importanza di esplorare e sviluppare algoritmi di controllo della formazione della rete in grado di migliorarne la stabilità e di fornire inerzia virtuale tramite convertitori di potenza, riducendo al minimo lo stress meccanico.

Nell'ambito di una collaborazione tra l'Università di Aalborg e DNV, abbiamo recentemente completato una serie di studi incentrati sull'analisi della stabilità e sugli impatti di varie strategie di controllo sulla dinamica elettromeccanica dei GFM-WT di tipo IV. Simulink^® e Simscape™ hanno svolto un ruolo chiave in questi studi, consentendoci di modellare e simulare elementi di controllo, meccanici ed elettronici di potenza dei GFM-WT in un ambiente unificato (Figura 1). Gli studi e le simulazioni di base hanno abbracciato più discipline e diverse prospettive industriali, tra cui quelle degli operatori dei sistemi di trasmissione, che hanno un interesse fondamentale nella stabilità della rete, e dei produttori di turbine eoliche, che devono dare priorità alla stabilità riducendo al contempo il carico meccanico per minimizzare i costi di manutenzione.

Nozioni di base sul controllo GFM-WT

Nei GFM-WT di tipo IV, i convertitori back-to-back vengono utilizzati per controllare il flusso di potenza tra il generatore della turbina e la rete. Il convertitore lato macchina (MSC) converte la corrente alternata a frequenza variabile generata dalla turbina in corrente continua, consentendo il controllo della coppia e della velocità del generatore. Il convertitore lato rete (GSC) converte la corrente continua in una frequenza alternata stabile, adattandosi ai requisiti della rete.

Sebbene questa configurazione del convertitore back-to-back contribuisca a disaccoppiare le dinamiche del generatore e della rete, è comunque possibile che le fluttuazioni sul lato meccanico influenzino il lato della rete (e viceversa) a causa delle interazioni del sistema di controllo. Ad esempio, le oscillazioni meccaniche o le vibrazioni torsionali nel rotore possono causare variazioni nella velocità del generatore che si traducono in variazioni di potenza elettrica che il GSC deve gestire. Allo stesso modo, brusche variazioni della tensione o della frequenza della rete possono indurre il sistema di controllo a modificare i comandi di coppia al generatore, influenzando indirettamente la dinamica del rotore. Gli algoritmi di controllo devono essere attentamente progettati e ottimizzati per evitare effetti negativi, come lo smorzamento negativo, che amplifica le oscillazioni.

Dal punto di vista del controllo, la regolazione della tensione del collegamento CC tra i convertitori è fondamentale per ridurre al minimo le interazioni problematiche tra il lato rete e il lato macchina. Le strategie di controllo GFM-WT possono essere raggruppate in due grandi categorie: GFM-GWT e GFM-MWT (Figura 1). Con le strategie di controllo GFM-GWT, il GSC regola la tensione del collegamento CC, mentre con GFM-MWT è il MSC a regolare la tensione del collegamento CC. Gli studi che abbiamo condotto con Simulink e Simscape si sono concentrati sul confronto tra le strategie GFM-GWT e GFM-MWT in relazione alla dinamica torsionale, nonché sull'impatto che le varie strategie di controllo della tensione del collegamento CC GFM-MWT hanno sulle vibrazioni torsionali.

Modellazione e simulazione di un GFM-WT e dei suoi controllori

Prima di analizzare vari approcci di controllo tramite simulazione, avevamo bisogno di un modello fisico di un GFM-WT e della sua interfaccia con la rete, inclusi tutti i componenti principali mostrati nella Figura 2: la trasmissione, il PMSG, l'MSC e il GSC. Simulink e Simscape hanno semplificato la costruzione visiva di questo modello, semplicemente aggiungendo gli elementi richiesti al modello e collegandoli tra loro. Allo stesso tempo, abbiamo avuto la possibilità di personalizzare il modello per adattarlo ai parametri specifici di una turbina eolica offshore. Inoltre, potremmo adattare la fedeltà dei singoli componenti in base alle nostre esigenze. Ad esempio, nelle prime fasi dello studio potremmo utilizzare un modello base della griglia, mentre nelle fasi successive potremmo incorporare un modello più sofisticato, se necessario, per tenere conto di effetti più sfumati.

Dopo aver costruito il modello fisico GFM-WT, abbiamo spostato l'attenzione sui controlli. Abbiamo utilizzato Simulink per modellare vari algoritmi di controllo della formazione della griglia descritti in articoli di ricerca. Abbiamo iniziato con il controllo GFM-MWT, in cui il lato rete gestisce la potenza attiva e reattiva, mentre il lato macchina gestisce il controllo della tensione del collegamento CC. Siamo poi passati al controllo GFM-GWT, dove il lato rete gestisce la tensione del collegamento CC e la potenza reattiva, mentre il lato macchina esegue il Maximum Power Point Tracking (MPPT) (Figura 2). Mentre lavoravamo all'implementazione del controllo, abbiamo utilizzato Control System Toolbox™ per semplificare e ottimizzare la regolazione dei guadagni. Ad esempio, il controller PI per il controllo dell'angolo di inclinazione della turbina eolica ha richiesto una notevole quantità di regolazione che avrebbe richiesto molto tempo e impegno se eseguito manualmente.

Dopo aver implementato e regolato vari controller, abbiamo eseguito numerose simulazioni per valutare ciascuna strategia e il suo effetto sulla dinamica elettromeccanica, sullo stress meccanico e sulla stabilità della rete. Le simulazioni hanno fornito diversi spunti preziosi. Ad esempio, sul lato della rete, abbiamo scoperto che un tipo specifico di controllo della tensione del collegamento CC per GFM-MWT, che non presenta alcun ciclo di feedback dal GSC e dalla turbina, riduce al minimo alcuni effetti di smorzamento negativi. Inoltre, abbiamo eseguito un'analisi di sensibilità eseguendo oltre 10.000 simulazioni con valori di parametri variabili sotto i controlli GFM-MWT e GFM-GWT, raccogliendo i risultati e addestrando una rete neurale feedforward (FNN) per comprendere meglio come i parametri meccanici ed elettrici influenzano il rapporto di smorzamento delle modalità torsionali dei GFM-WT. Per i produttori di turbine eoliche, comprendere come i parametri influenzano il rapporto di smorzamento può fornire indicazioni su scelte progettuali migliori, in particolare nella selezione delle strategie di controllo del convertitore e nella loro regolazione per migliorare la stabilità torsionale. Per gli operatori di rete, queste informazioni possono essere utilizzate per sviluppare strategie di integrazione più solide per le applicazioni GFM, migliorando la stabilità dei piccoli segnali e l'affidabilità della rete.

L'importanza della collaborazione

La collaborazione tra DNV e l'Università di Aalborg è stata fondamentale per il successo di questo progetto. Il contributo e la guida di DNV hanno contribuito a mantenere una prospettiva pratica, concentrandosi sulle problematiche che più preoccupano i produttori di turbine. Per fare un esempio, abbiamo avuto accesso a un hardware di controllo reale della formazione della griglia tramite una turbina reale, cosa che difficilmente si verificherebbe con un progetto di ricerca puramente accademico.

Lo stretto rapporto tra l'industria e il mondo accademico in questo progetto sta anche influenzando il modo in cui verrà portato avanti. La necessità di una tecnologia di formazione di griglie in tutto il settore è già evidente e in crescita. Nell'ambito dei suoi sforzi continui per rispondere a questa esigenza, DNV ha avviato un nuovo progetto R&D basato sui modelli, sulle simulazioni e sui risultati prodotti nel corso di questa collaborazione. L'ambiente di simulazione favorisce la collaborazione multidisciplinare riunendo ingegneri elettronici di potenza, elettrici e meccanici/dei carichi su un'unica piattaforma. Questa integrazione riduce la necessità di interfacce ingombranti tra diversi strumenti, abbattendo le barriere alla collaborazione e consentendo iterazioni di progettazione anticipate. Di conseguenza, i team possono ottimizzare in modo olistico la progettazione delle turbine eoliche prima di procedere con studi dettagliati.