L’intelligenza nell’eolico

ENERGIE RINNOVABILI –

Le turbine eoliche caratterizzate dall’elettronica di potenza stanno diventando sempre più popolari in tutto il mondo. Semikron fornisce soluzioni specifiche per le applicazioni, combinando elettronica di potenza e supporto tecnico.

La generazione di potenza eolica viene impiegata in tutto il mondo in modo sempre più esteso, particolarmente in Asia e negli Usa, con applicazioni offshore, che ricoprono un ruolo sempre più importante. In ogni caso, a cosa servono la perfetta dislocazione e le elevate velocità del vento, se il sistema di generazione di potenza non è caratterizzato da componenti appropriati? SKiiP Intelligent Power Modules sono ottimizzati per essere utilizzati nelle unità di potenza eolica. Inoltre, la vasta esperienza della Semikron in questo campo garantisce ai clienti un ampio supporto nel design. Un approccio integrato e la flessibilità di pensiero –capacità uniche che permettono a questo global player di soddisfare le richieste sempre crescenti, che il muoversi verso sistemi di conversione di potenza full-size in campo eolico implica sia per i componenti che per le applicazioni: correnti più elevate, funzionamento parallelo ed un raffreddamento più efficace. Approssimativamente l’80% delle unità di potenza eolica, caratterizzate da sistemi elettronici di controllo installati a livello mondiale, utilizza una macchina asincrona doppiamente alimentata da un inverter, per mezzo della corrente del rotore. Il vantaggio principale di questa macchina è che deve essere progettata solo per circa il 20% della potenza nominale della Wpu (Wind power unit), in quanto l’80% della potenza è generato nello statore, direttamente connesso alla rete. Una mancanza, a questo punto, sono i contatti slip ring, high-maintenance, e il sistema di controllo indiretto. Nel caso di disturbi sulla rete, sono necessarie correnti del rotore molto elevate per mantenere quest’ultima stabile in situazioni così difficili.

La stabilità della rete
Il progresso tecnologico è una delle ragioni principali per cui l’energia rigenerativa non solo viene utilizzata in aggiunta ai mezzi convenzionali di generazione dell’energia, ma sta di fatto sempre più rimpiazzando questi ultimi. Soprattutto nei paesi in cui la domanda di energia è elevata, gli ultimi anni hanno visto il lancio di parchi eolici ampi 35 km2. Allo scopo di garantire la stabilità della rete, i requisiti relativi all’alimentazione della potenza reattiva e la stabilità della rete nel caso di inaspettati cali della tensione di rete sono diventati sempre più restrittivi. Per questa ragione, al momento dell’installazione di nuovi Wpu, vengono sempre più utilizzati generatori sincroni e asincroni con converter full-size, perché essi supportano la rete nel caso di interruzione della potenza. L’inverter è direttamente controllabile, fornisce una sincronizzazione ottimale con la frequenza di rete di 50 o 60 Hz, e può sia compensare la potenza armonica reattiva che produrre la compensazione di potenza reattiva. Inoltre, I generatori sincroni possono essere caratterizzati da un elevato numero di poli (>50), rendendo superflui gli ingranaggi della parte drive, che erano in passato una delle cause più comuni di malfunzionamento.
Negli inverter utilizzati in tutti i tipi di sistemi, una tensione nominale di 690 V è comunemente usata per ragioni economiche, così come per raggiungere un’efficienza ottimale. Un tipo comune di convertitore di potenza comprende IGBT con una tensione di blocco di 1700V. Inoltre viene utilizzato un trasformatore per regolare la potenza con i 20kV della rete. Sempre più costosi, i moduli da 3.3-kV sono usati in modo limitato, visto che anche in questo caso il sistema richiede trasformatori, che rendono la soluzione completa troppo costosa.

Più potenza, più elettronica di potenza
Le turbine eoliche sono state progettate per ricoprire un range di potenza sempre crescente, nonostante la dislocazione rimanga una componente fondamentale. Nelle turbine eoliche “onshore”, le turbine 3 MW si sono dimostrate le più economiche, mentre gli impianti eolici “offshore” con un’uscita di 5 MW e oltre risultano le migliori soluzioni. Se entrambi i tipi di unità di potenza eolica – le macchine asincrone doppiamente alimentate e i generatori sincroni/asincroni con converter full-size – devono essere in grado di fornire la stessa uscita, la potenza del converter full-size deve essere cinque volte più elevata. Questo implica che è necessaria un’elettronica di potenza cinque volte superiore. Dal momento che in ogni caso bisogna tenere in considerazione le basse frequenze delle macchine asincrone doppiamente alimentate, questo fattore è normalmente ridotto a un fattore 3 - 3.5. L’elettronica di potenza non solo sta diventando sempre più popolare, ma di fatto anche i requisiti che devono essere soddisfatti stanno cambiando costantemente. Poiché nelle macchine asincrone doppiamente alimentate i semiconduttori si riscaldano in modo diverso a basse temperature, il meccanismo di protezione deve essere adattato di conseguenza. Condizioni climatiche estreme sono un’ulteriore causa di nuove e mutevoli esigenze che i componenti devono soddisfare. Le turbine eoliche “offshore” sono soggette ad alti livelli di umidità, mentre le unità di potenza eolica in Texas, ad esempio, sono esposte ad elevate temperature. Di conseguenza, i sistemi di raffreddamento utilizzati devono essere progettati in modo diverso. È quindi importante che lo sviluppo di soluzioni di raffreddamento per le applicazioni individuali sia basato su un’ampia esperienza.

Il know-how adatto a combattere problemi comuni
L’efficienza di un inverter rimane tra il 98 ed il 99%. Un converter full-size da 6 MW mostrerà quindi perdite di circa 100 kW. Il calore prodotto in questi sistemi compatti risulta essere un problema rilevante per i componenti elettronici, in termini di raffreddamento. Se il refrigerante è troppo freddo, ciò causerà la formazione di condensa del liquido di raffreddamento sul dissipatore. Questo deve essere tenuto in considerazione, specialmente in regioni con elevati livelli di umidità. Un’ulteriore sfida è la sovratensione che occorre durante la commutazione di correnti enormi. In quanto i moduli progettati per correnti di 500 A e oltre hanno un’estensione spaziale relativamente ampia, le loro induttanze parassite non sono trascurabili. Per combattere questi due problemi, non solo è necessario un concetto intelligente del sistema di raffreddamento, ma anche un design del Dc link ottimizzato. Sono quindi necessari moduli ottimizzati per la particolare applicazione, che permettono di sfruttare appieno la potenza eolica, competenza ed esperienza, per assicurare il raggiungimento dei requisiti degli operatori delle Wpu con minimo sforzo. Delle unità eoliche installate a livello mondiale entro il 2009, raggiungendo valori di 122 GW, 57 GW utilizzano soluzioni sviluppate da Semikron. La ricchezza di esperienza nel settore della potenza eolica, che il leader nel settore dell’elettronica di potenza ha costruito nel corso degli anni, non si ferma in ogni caso alla mera fornitura di moduli IPM. Infatti Semikron è anche attivamente coinvolta nella progettazione di nuovi Wpu, dove l’esperienza dell’azienda e gli effetti di sinergia sono molto vantaggiosi. La consulenza nell’area delle protezioni del sistema, ad esempio protezioni da sovracorrenti o sovratensioni, è anche parte del portafoglio di servizi offerti dalla Semikron. L’azienda produce anche sottosistemi di inverter, che è il motivo della considerevole esperienza nel dimensionamento dei singoli componenti. Questo know-how è importante per i produttori di inverter, in quanto li aiuta a configurare in modo opportuno il circuito del Dc link, in modo da assicurare non solo il rispetto delle specifiche dell’applicazione, ma anche il raggiungimento di una vita di servizio più lunga.

Miglioramenti nella tecnologia
di packaging e nel design

Diverse dislocazioni significa requisiti e problemi diversi. Semikron è profondamente consapevole di ciò ed è impegnata nel miglioramento dei suoi IPM. La famiglia SKiiP è già alla sua quarta generazione. Massima affidabilità e una più lunga vita di servizio in design compatti sono le principali priorità per le turbine eoliche, specialmente perché la manutenzione del sistema è costosa e complessa e risulta in perdita finanziaria, a causa della riduzione del reddito durante i tempi morti, nei quali non si produce energia elettrica. L’affidabilità di avere una vita minima di servizio di 20 anni è dovuta ai moduli SKiiP ed alla loro tecnologia di packaging altamente qualificata. Questo è un merito importante, data la crescente tendenza verso impianti eolici “offshore”. Grazie alla distribuzione ottimale dei chip sul substrato isolante, il design di moduli a bassa induttanza e la distribuzione simmetrica della corrente, la densità di potenza dei moduli SKiiP è circa 20 volte quella dei prodotti della competizione. Tutti i moduli SKiiP comprendono dissipatore, elettronica di potenza e gate driver. I clienti possono scegliere tra due dissipatori standard o possono richiedere una soluzione custom del dissipatore.

Crescita e converter full-size
sono i principali trend

Le turbine eoliche caratterizzate dall’elettronica di potenza stanno diventando sempre più popolari in tutto il mondo. Cina e Usa, ad esempio, fanno fortemente affidamento sulla potenza eolica per soddisfare la sempre più crescente richiesta di energia. Nelle regioni con invitanti sovvenzioni per l’energia, si può osservare un chiaro aumento del numero delle turbine eoliche. Un altro trend evidente è l’allontanamento dalle macchine asincrone doppiamente alimentate verso converter full-size, dal momento che questi ultimi permettono di soddisfare più facilmente i requisiti dell’operatore e di aumentare la qualità della rete.
Semikron è cosciente di tutti questi challenge e requisiti, vantando anni di esperienza nel settore della potenza eolica. Market leader nel campo dell’elettronica di potenza, Semikron produce soluzioni per il settore eolico, si occupa della progettazione ed offre ai suoi clienti supporto per lo sviluppo. Per 20 anni Semikron ha cooperato con i principali produttori di turbine eoliche. L’azienda ricopre un ruolo chiave nella settore e continuerà a farlo in futuro. Sia l’aumento del numero delle turbine eoliche che il trend verso converter full-size ha portato a un aumento della richiesta di elettronica di potenza. Con i suoi prodotti innovativi, Semikron è pronta ad affrontare le nuove conseguenti sfide, definendo sempre nuovi standard nella tecnologia della potenza eolica.

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