ITTO20130187A1 - Aerogeneratore, e relativo metodo di controllo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “AEROGENERATORE, E RELATIVO METODO DI CONTROLLOâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un aerogeneratore. In particolare, la seguente trattazione fa riferimento ad un aerogeneratore per la produzione di energia elettrica a partire da energia eolica, senza per questo perdere in generalità.

Per la produzione di energia elettrica a partire da energia eolica, gli aerogeneratori sono in genere costituiti da una girante di turbina o da un elica collegata ad un generatore elettrico.

La potenza meccanica P ricavata dal vento in una girante di turbina à ̈ espressa dalla seguente relazione:

P = Ï Ï€R2 Cp V3 / 2

dove Ï Ã ̈ la densità dell'aria, Ï€R2 à ̈ la superficie spazzata dalle pale della girante, e V à ̈ la velocità del vento. Il termine Cp à ̈ chiamato coefficiente di potenza ed indica l'efficienza della conversione di energia (come rapporto tra la potenza estratta e la potenza disponibile del vento). In generale, il coefficiente di potenza Cp viene espresso come una funzione di un fattore variabile λ, denominato “Tip Speed Ratio†, indicato anche con l’acronimo TSR e definito come il rapporto fra la velocità periferica della pala e la velocità del vento:

λ = ω R / V

dove ω ed R sono rispettivamente la velocità angolare ed il raggio della girante. La figura 1 mostra un grafico che rappresenta una tipica curva del coefficiente di potenza Cp in funzione del Tip Speed Ratio λ. Nelle turbine con passo delle pale variabile, il coefficiente di potenza Cp à ̈ anche una funzione del passo.

La relazione sopra riportata, che lega la potenza P alla velocità V del vento, evidenzia una proporzionalità di tipo cubico. Pertanto, variazioni relativamente piccole della velocità V possono tradursi in variazioni rilevanti della potenza P meccanica trasmessa al generatore. Ne consegue che, quando la velocità V del vento supera una certa soglia, à ̈ necessario limitare il trasferimento di potenza, fino ad azzerarlo in caso di una velocità V eccessiva.

Nelle soluzioni note, tale limitazione viene ottenuta prevedendo pale a passo variabile, in modo da adeguare la loro inclinazione alla velocità del vento. Ad esempio, EP2400150A2, che corrisponde al preambolo della rivendicazione 1, descrive un sistema di protezione da sovra-velocità del vento con un sensore che misura la velocità della girante e con un blocco comparatore che confronta la velocità misurata con un determinato valore di soglia. In base a questo confronto, viene attivato un apparecchio che regola l’angolo di inclinazione di ciascuna pala della girante, ottenendo sostanzialmente una frenatura aerodinamica.

Questo tipo di soluzioni normalmente à ̈ di tipo attivo, per cui ha un complesso sistema di attuatori comandati in modo da variare il passo di ciascuna pala. È invece preferibile un aerogeneratore che abbia almeno un sistema di protezione che sia alternativo alla variazione del passo, per limitare la potenza qualora la velocità del vento diventi troppo intensa.

Inoltre, à ̈ sentita l’esigenza di regolare il trasferimento di potenza al generatore non solo quando la velocità del vento supera la soglia di sicurezza, ma anche in condizioni di regime, in modo da ottimizzare il funzionamento dell’aerogeneratore.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un aerogeneratore, il quale consenta di assolvere in maniera semplice ed economica alle esigenze sopra esposte.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un aerogeneratore come definito nella rivendicazione 1.

La presente invenzione, inoltre, Ã ̈ relativa ad un metodo di controllo di un aerogeneratore, come definito nella rivendicazione 7.

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ un grafico relativo al coefficiente di potenza di un aerogeneratore;

- la figura 2 à ̈ uno schema di una preferita forma di attuazione dell’aerogeneratore secondo la presente invenzione;

- la figura 3 à ̈ una vista prospettica che mostra i principali componenti meccanici dell’aerogeneratore di figura 1;

- la figura 4 illustra in modo schematico un componente della figura 2;

- le figure da 5 a 7 sono grafici relativi al funzionamento dell’aerogeneratore della figura 1; e - la figura 8 à ̈ uno schema a blocchi relativo ad un metodo di controllo dell’aerogeneratore secondo la presente invenzione.

Con riferimento alla figura 2, il numero di riferimento 1 indica un aerogeneratore (schematicamente illustrato), in particolare per la trasformazione di energia eolica in energia elettrica. Tuttavia, l’aerogeneratore 1 potrebbe essere applicato anche ad altri settori tecnologici, in cui à ̈ previsto un fluido operativo diverso dal vento, ma sempre con comportamento di tipo aleatorio per quanto riguarda la sua velocità relativa rispetto all’aerogeneratore 1.

L’aerogeneratore 1 comprende una turbina 2, che trasforma l'energia del fluido operativo in energia meccanica di rotazione; un generatore 3, il quale à ̈ del tipo a magneti permanenti, à ̈ coassiale alla turbina 2 e trasforma l'energia meccanica di rotazione in energia elettrica; ed un convertitore statico 4 che, in ingresso, à ̈ collegato elettricamente allo statore del generatore 3 e, in uscita, ad un bus-DC 9, tipicamente definito da un condensatore.

Il convertitore 4 converte l’energia elettrica fornita dallo statore da corrente alternata in corrente continua e regola il funzionamento del generatore 3 in risposta a comandi emessi da un’unità elettronica di controllo 6, che a sua volta opera in risposta a segnali relativi al funzionamento del generatore, come meglio verrà descritto nel seguito.

L’aerogeneratore 1 comprende, inoltre, un convertitore statico 7, il quale, in uscita, à ̈ collegato ad una rete elettrica 8 e, in ingresso, à ̈ collegato al bus-DC 9, il quale pertanto svolte una funzione di interfaccia fra il convertitore 4 ed il convertitore 7 e ha il compito di limitare le oscillazioni o “ripple†di tensione, per poter controllare la potenza elettrica immessa poi in rete o verso eventuali carichi.

Il convertitore 7 converte l’energia elettrica da corrente continua in corrente alternata e regola la conversione in modo da adeguare la tensione e la frequenza dell’energia elettrica a quelle della rete 8, in risposta a comandi emessi da una unità elettronica di controllo 10, che a sua volta opera in risposta a misure delle grandezze elettriche (tensione, frequenza, fase, corrente, ecc…) in corrispondenza del bus-DC 9 e della rete 8.

Con riferimento alla figura 3, la turbina 2 ha una struttura 11 comprendente un telaio 13 ed almeno una parete 14, la quale à ̈ supportata dal telaio 13 in modo non descritto in dettaglio e definisce un condotto 15 atto a guidare un flusso del fluido operativo lungo un asse 16. Preferibilmente, le pareti 14 sono sagomate in modo da definire un diffusore. Altre configurazioni sono comunque possibili: ad esempio, il condotto 15 potrebbe essere definito da un semplice tubo.

La turbina 2 comprende, inoltre, una elica o girante 17, la quale à ̈ girevole attorno ad un asse 18. Nelle normali condizioni operative, come verrà anche descritto nel seguito, l’asse 18 à ̈ parallelo all’asse 16, e la girante 17 à ̈ completamente alloggiata nel condotto 15 (in modo non illustrato).

Nel caso specifico, per adattare l’aerogeneratore 1 alla effettiva direzione del vento, la struttura 11 può ruotare attorno ad un asse 19 verticale, in modo non illustrato.

La struttura 11 supporta un gruppo 20, il quale à ̈ costituito dall’insieme della girante 17 e dal generatore 3 ed à ̈ accoppiato alla struttura 11 in modo da poter ruotare attorno ad un asse di regolazione 21. Come schematizzato in figura 4, l’asse 21 à ̈ distanziato radialmente dall’asse 18 e si estende in direzione tangenziale rispetto all’asse 18. In particolare, il gruppo 20 à ̈ accoppiato al telaio 13 tramite due dispositivi di cerniera 22 (fig. 3), che sono allineati lungo l’asse 21 e sono disposti da parti opposte del gruppo 20.

Il gruppo 20 à ̈ in grado di basculare attorno all’asse 21 tra una posizione di regime, in cui l’asse 18 à ̈ parallelo o coincidente con l’asse 16 (fig. 4), ed una posizione di sicurezza (fig. 3), in cui l’asse 18 à ̈ trasversale all’asse 16 e, quindi, alla direzione del vento. In particolare, le posizioni di regime e di sicurezza sono definite da spallamenti di arresto angolare non illustrati.

Ancora con riferimento alla figura 4, la girante 17 definisce una superficie 23 frontale circolare, la quale à ̈ ortogonale all’asse 18, e sulla quale agisce la spinta del vento. Grazie alla posizione eccentrica dell’asse 21, quest’ultimo definisce una corda ideale che suddivide la superficie 23 in un segmento circolare 24 avente un’area maggiore e in un segmento circolare 25 avente un’area minore. A causa della differenza tra tali aree, la spinta del vento à ̈ maggiore sul segmento circolare 24, per cui genera una coppia di rotazione attorno all’asse 21 e tende a fare ruotare automaticamente il gruppo 20 dalla posizione di regime verso la posizione di sicurezza.

Preferibilmente, l’aerogeneratore 1 comprende un dispositivo di contrasto 26, il quale esercita, sul gruppo 20, una coppia di contrasto attorno all’asse 21 opposta a quella del fluido operativo, in modo da mantenere il gruppo 20 nella posizione di regime. Il dispositivo 26 à ̈ tarato in modo da lasciare ruotare il gruppo 20 verso la posizione di sicurezza solamente quando la spinta del vento supera una soglia prestabilita. Preferibilmente, il dispositivo 26 esercita una forza elastica e, in particolare, comprende una o più molle di torsione coassiali ai dispositivi 22. Essendo di tipo elastico, la coppia di contrasto esercitata dal dispositivo 26 aumenta all’aumentare dell’angolo di rotazione del gruppo 20 attorno all’asse 21. In alternativa o in combinazione ad una coppia di contrasto di tipo elastico, à ̈ previsto il posizionamento dell’asse 21 al di sopra dell’asse 18, in modo da avere una coppia di contrasto provocata dal peso del gruppo 20 (ipotizzando che il baricentro si trovi approssimativamente sull’asse 18).

In aggiunta, preferibilmente, l’aerogeneratore 1 comprende un dispositivo di smorzamento 27 (schematicamente illustrato), il quale smorza le oscillazioni attorno all’asse 21, conseguenti a repentine variazioni di velocità del fluido operativo. In particolare, il dispositivo 27 à ̈ definito da smorzatori di tipo passivo, ad esempio da tasselli realizzati in materiale polimerico.

La disposizione sopra descritta per lasciare basculare il gruppo 20 verso la posizione di sicurezza definisce un sistema di protezione 28, che protegge in modo automatico il generatore 3 quando la velocità del fluido operativo supera la soglia prestabilita. In particolare, il sistema di protezione 28 à ̈ di tipo passivo, in quanto non prevede l’utilizzo di attuatori o di componenti elettronici di controllo, ma à ̈ completamente meccanico ed interviene direttamente ed automaticamente in risposta alla spinta del vento per mettere “in bandiera†l’intera girante 17.

In alternativa o in aggiunta al sistema di protezione 28, à ̈ previsto un sistema di controllo 29 di tipo attivo (fig. 8). Quando il sistema di protezione 28 ed il sistema di controllo 29 sono previsti insieme, il sistema di protezione 28 ha il vantaggio di intervenire anche in caso di emergenza, quando il sistema di controllo 29 fallisce oppure à ̈ danneggiato. In altre parole, il sistema di protezione 28 garantisce una ridondanza nella protezione del generatore 3 e dei convertitori 4,7.

Con riferimento alla figura 3, il generatore 3 à ̈ azionato dalla girante 17 senza l’interposizione di trasmissioni meccaniche, ossia à ̈ del tipo denominato “direct-drive†. Preferibilmente, il generatore 3 à ̈ integrato (“embedded†) con la girante 17, ossia i componenti del generatore 3 sono montati direttamente sulla struttura della girante 16, senza possibilità di separare il generatore 3 dal resto dell’aerogeneratore 1.

Preferibilmente, il generatore 3 circonda la girante 17 e comprende uno statore 30, definito da un anello disposto in posizione radialmente esterna, ed un rotore 31 definito da un anello che à ̈ disposto in posizione radialmente interna, à ̈ accoppiato allo statore 30 in modo non illustrato in dettaglio per poter ruotare attorno all’asse 18 ed à ̈ accoppiato alle estremità radiali esterne delle pale della girante 17 in modo da essere trascinato in rotazione insieme alla girante 17. Preferibilmente il rotore 31 à ̈ fissato alle pale della girante 17, in quanto non à ̈ prevista alcuna variazione del passo delle pale.

Preferibilmente, il generatore 3 à ̈ del tipo indicato nelle domande di brevetto internazionali pubblicate con n° WO2009093181 e n° WO2009093183, la cui descrizione à ̈ qui incorporata almeno per le parti necessarie alla comprensione e realizzazione della presente invenzione.

Il sistema di controllo 29 sopra menzionato implementa una logica di controllo o algoritmo, in una o più unità elettroniche, in modo da proteggere in modo automatico il generatore 3 ed i convertitori 4,7 da flussi aleatori del fluido operativo con velocità eccessive. Per raggiungere questo effetto, con riferimento allo schema a blocchi funzionale di figura 8, il sistema di controllo 29 calcola un set-point Tref di coppia resistente oppure corrente, che à ̈ equivalente alla coppia in quanto si tratta di grandezze proporzionali, almeno in un campo di funzionamento lineare della macchina elettrica. Il set-point Tref definisce un obiettivo desiderato ed à ̈ calcolato in funzione delle effettive condizioni operative dell’aerogeneratore 1, ossia in funzione della velocità del fluido operativo come meglio verrà descritto nel seguito, per regolare poi la coppia resistente effettiva applicata dal generatore 3 sulla girante 17.

Per ottenere questa regolazione, sistema di controllo 29 comprende un blocco 101 che implementa un regolatore in retroazione, il quale opera in modo tale da garantire che la coppia resistente effettiva e/o la corrente erogata effettivamente dal generatore 3 raggiunga il set-point Tref. Questa regolazione viene eseguita dall’unità elettronica di controllo 6 in risposta al set-point Tref ed in risposta ad ingressi F che sono indicativi di misure delle correnti di fase dello statore 30 e della posizione del rotore 31 (la posizione del rotore 31 potrebbe essere eventualmente ricavata da un valore stimato o misurato della velocità di rotazione della girante 17, come ad esempio il valore ωm descritto sotto, invece di pervenire come informazione dal generatore 3).

In particolare, il regolatore à ̈ un regolatore di corrente, convenientemente di tipo proporzionale-integrale, che confronta la coppia resistente o la corrente obiettivo (Tref) con quella effettivamente erogata (indicata dagli ingressi F) e che, sulla base del risultato del confronto, genera un riferimento, convenientemente di tensione, per il convertitore 4, il quale viene comandato tramite i segnali di pilotaggio dei commutatori elettronici di potenza (nello schema di figura 8 à ̈ stato omesso il convertitore 7 per questioni di semplicità grafica).

Il risposta al riferimento fornito dal regolatore, il convertitore 4 imprimerà quindi una tensione di pilotaggio su alcune fasi dello statore 30. La metodologia di pilotaggio più idonea e più comune à ̈ il pilotaggio a modulazione di ampiezza di impulso (Pulse Width Modulation).

Il controllo sul generatore 3 genera una variazione di corrente elettrica alternata generata dallo statore 30 e, di conseguenza, una variazione di coppia resistente esercitata dal rotore 31, al fine di raggiungere il setpoint Tref.

In base a quanto sopra esposto, in risposta al controllo di coppia/corrente eseguito dal regolatore, l’insieme dell’unità elettronica di controllo 6, del convertitore 4 e del generatore 3 può essere visto come un regolatore di coppia resistente, che stabilisce una coppia pari, istante per istante, al set-point Tref richiesto.

Come accennato sopra, il set-point Tref viene calcolato in funzione della velocità V del fluido operativo (ossia del vento). Il grafico di figura 5 mostra la mappa di funzionamento dell’aerogeneratore 1, avente quattro regioni operative diverse:

• Regione I (V ≤ Vcut-in): la velocità V, quando à ̈ minore di un valore di soglia Vcut-in, à ̈ troppo bassa per avere benefici nella conversione dell'energia; in questo caso, la rotazione della girante 17 e del rotore 31 à ̈ bloccata meccanicamente da un dispositivo di arresto rilasciabile (non illustrato);

• Regione II (Vcut-in ≤ V ≤ Vrated): quando la velocità V à ̈ maggiore del valore di soglia Vcut-in ed à ̈ minore di un valore nominale Vrated, viene prodotta energia elettrica con l'obiettivo di massimizzare il trasferimento della potenza P dal fluido operativo al generatore 3; la potenza P à ̈ data dalla seguente relazione:

P = Ï Ï€R2 Cp V3 / 2

dove Ï Ã ̈ la densità del fluido operativo, Ï€R2 à ̈ la superficie spazzata dalle pale della girante, e Cp à ̈ il cosiddetto coefficiente di potenza; l’algoritmo ha caratteristiche tali da rendere massimo il coefficiente di potenza Cp in questa regione di funzionamento;

Regione III (Vrated ≤ V ≤ Vcut-out): quando la velocità V supera il valore nominale Vrated, ma rimane al di sotto di un limite massimo Vcut-out, la potenza P viene mantenuta ad un valore costante, ossia ad una potenza nominale Pn, riducendo la velocità di rotazione ω della girante 17 all’aumentare della velocità V, in modo da ridurre di conseguenza il coefficiente di potenza Cp;

Regione IV (V ≥ Vcut-out): quando la velocità V supera il limite massimo Vcut-out, il trasferimento di potenza viene annullato, mediante dispositivi di frenatura e/o arresto meccanici di tipo rilasciabile (non illustrati), in quanto la velocità V sarebbe tale da portare il punto di lavoro oltre i limiti imposti dal generatore 3 e dai convertitori 4 e 7.

Ciascuna delle suddette regioni di funzionamento à ̈ associata ad una specifica strategia di gestione. Le regioni I e IV, non essendo caratterizzate da estrazione di potenza, sono semplicemente gestite mediante frenatura e/o arresto meccanici e non saranno oggetto della presente trattazione.

Per quanto riguarda le regioni II e III, invece, il funzionamento dell’aerogeneratore 1 à ̈ gestito regolando la coppia resistente esercitata dal generatore 3 sulla girante 17, come sopra esposto.

Poiché la dinamica di una macchina elettrica à ̈ estremamente veloce, se confrontata con quella di un sistema aerodinamico, il controllo del generatore 3 viene trattato come se avesse un “guadagno unitario†, ossia come se fosse un sistema che risponde istantaneamente al comando imposto e, quindi, alle variazioni del set-point Tref.

Secondo un aspetto preferito della presente invenzione, nelle regioni II e III il set-point Tref viene determinato in base ad una stima della velocità V, senza l’ausilio di sensori dedicati (anemometri). Infatti, l’anemometro in genere à ̈ sconsigliabile, sia per la scarsa attendibilità delle misure, sia perché soggetto ad usura e manutenzione.

Con riferimento alla figura 8, preferibilmente il sistema di controllo 29 comprende, inoltre, un blocco 105 che implementa un osservatore di stato, il quale determina un valore stimato Tw della coppia aerodinamica (ossia la coppia meccanica generata dalla spinta del fluido operativo sulle pale) oppure un valore stimato Pw della potenza aerodinamica trasmessa dal fluido operativo alla girante 17 (i due valori sono comunque correlati dalla relazione Pw = Tw ω). In particolare, il modello matematico dell’osservatore di stato à ̈ basato sull’osservatore di Luenberger.

L’osservatore di stato fornisce in uscita i valori Tw, Pw e opera in risposta ad un ingresso definito da un valore ωm indicativo della velocità della girante 17 (ωm può essere un valore misurato o un valore stimato), e in risposta ad un ingresso definito dal set-point Tref, che à ̈ indicativo della coppia resistente del generatore 3 (ipotizzando che la dinamica elettrica del generatore sia estremamente più veloce di quella della turbina) che contrasta la coppia motrice dovuta alla girante 17.

Nel presente caso, il valore ωm à ̈ definito da un valore misurato tramite encoder o resolver. Oltre a fornire, in uscita, i valori Tw,Pw, l’osservatore di stato esegue un filtraggio sul valore ωm e fornisce in uscita un valore filtrato ωf, indicativo della velocità di rotazione della girante 17.

Il sistema di controllo 29 comprende, inoltre, un blocco 107 che opera in risposta a soli due ingressi definiti dai valori ωf e Tw e calcola un valore stimato Vw della velocità del fluido operativo, senza misurazione diretta tramite anemometro (il valore ωf potrebbe essere sostituito da un altro valore indicativo della velocità di rotazione della girante 17, ad esempio ωm).

Per stimare la velocità del fluido operativo, si possono utilizzare modelli matematici che sfruttano i dati di progetto (la curva del coefficiente di potenza Cp in funzione del fattore λ denominato “Tip Speed Ratio†, come la curva di esempio mostrata in figura 1) e dati misurati (ad esempio la velocità angolare della girante).

Uno dei metodi più diffusi in letteratura consiste nel determinare una funzione che interpoli la curva del coefficiente di potenza Cp e che possa essere derivata; si stima poi la coppia aerodinamica e si determina il valore del “Tip speed ratio†λ tramite il metodo di Newton-Raphson; dal valore di λ si risale, infine, alla velocità V. Questo metodo, però, richiede l'esistenza di una curva che sia derivabile e che interpoli in maniera sufficientemente accurata la curva del coefficiente di potenza Cp, la quale normalmente viene ottenuta per punti tramite simulazioni fluidodinamiche o tramite sperimentazione.

Questa condizione non à ̈ sempre soddisfatta. Pertanto, à ̈ preferibile utilizzare un metodo diverso, che verrà descritto in dettaglio nel seguito.

Ancora con riferimento alla figura 8, il sistema di controllo 29 comprende, inoltre, un blocco 109, che ha la funzione di supervisore ed il compito di identificare la regione di funzionamento dell’aerogeneratore 1.

In particolare, il blocco 109 opera in risposta a tre ingressi definiti dai valori Tw, Pw e Vw. Andando più in dettaglio, nel blocco 109 il valore Vw viene comparato con i valori memorizzati relativi alle velocità della mappa di funzionamento (Vcut-in, Vrated, Vcut-out) ed in base all’esito della comparazione, si determina in quale regione di funzionamento sta operando l’aerogeneratore 1 e/o si abilita un corrispondente blocco di regolazione. Come accennato sopra, i blocchi di regolazione per le regioni I e IV non sono rappresentati. Per le regioni II e III, il sistema di controllo 29 comprende rispettivi blocchi di regolazione 111,113, i quali generano rispettivi set-point di coppia resistente o corrente che vengono forniti al blocco 101 in alternativa l’uno all’altro per definire il set-point Tref. In altre parole, se il punto di funzionamento dell’aerogeneratore 1 si trova nella regione III, il blocco 109 seleziona il blocco 113, affinché il blocco 101 riceva il set-point Tref determinato dal blocco 113. Se il punto di funzionamento si trova nella regione II (fatta eccezione eventualmente per una parte terminale di transizione), il blocco 109 seleziona il blocco 111, affinché il blocco 101 riceva il set-point Tref determinato dal blocco 111.

Per quanto riguarda la regione II, il blocco 111 implementa un inseguitore di un punto di funzionamento a potenza massima (“Maximum Power Point Tracking†) corrispondente ad una condizione in cui le pale della girante 17 lavorano alla massima efficienza, ossia una condizione in cui la velocità di rotazione ω ha un valore ωopt tale da ottimizzare il “Tip Speed Ratio†λ ed il coefficiente di potenza Cp ha valore massimo Cpmax (figura 1) per qualunque velocità del fluido operativo nella regione II, ossia:

λ = λopt = ωopt R / V

Il blocco 111 opera in risposta al valore ωf (o in alternativa ωm) e calcola il set-point Tref in funzione dei valori numerici Cpmax e λopt (figura 1) definiti da dati di progetto, che sono stati ottenuti tramite simulazioni o tramite sperimentazione sulla turbina 2.

Tref = Pmax / ωf = Ï Ï€R2 Cpmax V3 / (2 ωf) =

= (Ï Ï€R5 / 2) (Cpmax / λopt3) ωf2

Ne consegue che, nella regione II, viene eseguito un puro controllo di coppia, il quale porterà ad una regolazione della velocità di rotazione ω al valore ωopt.

Per quanto riguarda la regione III, il blocco 113 opera in risposta ad ingressi che sono definiti dai valori ωf (in alternativa ωm) e Tw e da un set-point ωref, il quale corrisponde al valore desiderato per la velocità di rotazione della girante 17 e viene calcolato e fornito dal blocco 109.

Preferibilmente, il blocco 113 gestisce anche la transizione del funzionamento dalla regione II alla regione III, in modo da evitare brusche variazioni della coppia resistente, che avrebbero conseguenze negative sulla stabilità di funzionamento e sull’integrità strutturale dell'aerogeneratore 1. Con riferimento alla figura 7, quando la velocità V raggiunge un valore di sicurezza Vsafety, minore del valore nominale Vrated, il blocco 109 “stacca†il blocco 111 dal blocco 101 e fa intervenire il blocco 113 per definire il set-point Tref in ingresso al blocco 101. Nell’intervallo di velocità V compreso tra i valori Vsafety e Vrated la velocità di rotazione ω viene mantenuta ad un valore costante ωsafety, corrispondente alla velocità di rotazione che si verifica nel momento in cui la velocità V del fluido operativo raggiunge il valore Vsafety.

In altre parole, il blocco 109 impone ωref = ωsafety : la potenza P continua comunque ad aumentare (fig. 6), in quanto la coppia aerodinamica T continua a crescere all’aumentare della velocità V fino al valore nominale Vrated.

Si nota dalle figure 6 e 7 come l’adozione di questa gestione della transizione di funzionamento fra la regione II e la regione III riduce notevolmente il tasso di variazione della velocità di rotazione (accelerazione angolare) della girante 17, rispetto al caso mostrato in linea tratteggiata secondo cui non viene effettuata alcuna gestione della transizione.

Nella regione III, per mantenere costante la potenza al valore di potenza nominale Pn, non à ̈ possibile più mantenere costante la velocità di rotazione ω. Pertanto, il blocco 109 riduce il set-point ωref al di sotto del valore ωsafety, in modo da compensare la crescita della coppia aerodinamica, la quale naturalmente tende ad aumentare all’aumentare della velocità V del fluido operativo: ωref= Pn / Tw

Il blocco 113 comprende un ramo di regolazione in retroazione di tipo proporzionale-integrale (PI) che esegue una regolazione in funzione dello scarto tra il set-point ωref ed il valore ωf, ed in base ad un modello dinamico che correla la velocità di rotazione ω con la coppia resistente fornita dal generatore 3 (in funzione di momenti di inerzia, configurazione del generatore, ecc…).

Inoltre, il blocco 113 comprende un ramo di compensazione in avanti della coppia aerodinamica, che sfrutta il valore Tw, per migliorare le prestazioni di regolazione. Infatti, grazie a questa compensazione, il ramo di regolazione à ̈ totalmente dedicato all'inseguimento del set-point ωref, senza dover gestire eventuali disturbi. Inoltre, la compensazione in avanti linearizza il sistema di controllo (l'espressione della coppia aerodinamica contiene non-linearità).

In questa strategia di gestione per la regione III, quindi, sono implementati due regolatori in cascata: uno relativo alla velocità di rotazione ω, nel blocco 113 (la cui uscita rappresenta il set-point Tref), e uno relativo alla coppia resistente, nel blocco 101 (che, tramite l'elettronica di potenza, ossia il convertitore 4, gestisce l'effettiva erogazione di corrente da parte del generatore 3).

Riassumendo quanto sopra esposto, il blocco 109, come supervisore, ha lo scopo di attivare/disattivare i diversi blocchi di regolazione in funzione del punto di funzionamento della turbina, in particolare per attuare le seguenti fasi:

• regolazione di coppia in modo da massimizzare la potenza meccanica, per velocità V del fluido operativo comprese tra Vcut-in e Vsafety:

• regolazione in cascata velocità/coppia a velocità di rotazione costante, per velocità V comprese tra Vsafety e Vrated, in modo da gestire la transizione dalla regione II alla regione III;

• regolazione in cascata velocità/coppia a potenza costante, per velocità V comprese tra Vrated e Vcutout.

Per quanto riguarda il calcolo della stima della velocità del fluido operativo (Vw), secondo un aspetto della presente invenzione, il blocco 107 utilizza un metodo iterativo, che consiste nel determinare il valore del fattore “Tip Speed Ratio†λ a partire dalla stima della coppia aerodinamica (Tw) ed a partire da una mappa memorizzata, sotto forma di curva o di tabella, che rappresenta i valori del coefficiente di potenza Cp in funzione del fattore λ per la turbina in uso (come accennato sopra, questi dati sono ottenuti ad esempio da simulazioni aerodinamiche e/o sperimentazioni effettuate in fase di progetto della turbina).

L'espressione iterativa che permette di identificare il valore effettivo del fattore λ ad un dato istante di tempo t à ̈ la seguente:

λk+1= λk– Î³ï „Tw

ossia ï „Î»k= – Î³ï „Tw

ove γ à ̈ un valore costante positivo scelto dal progettista, e ΔTw à ̈ lo scarto fra il valore Tw stimato della coppia aerodinamica (fornito dal blocco 105) ed il valore di coppia aerodinamica che si ottiene tramite calcolo a partire dal valore λk. Esplicitando l'espressione di ΔTw(t):

λk+1= λk– γ (Tw – (Ï Ï€R2 Cp(λk) V3 / (2 ω))) =

= λk– γ (Tw – (Ï Ï€R5 Cp(λk) ω2 / (2 λ3

k)))

In altre parole, dopo aver ipotizzato un primo valore di tentativo per λksi calcola il corrispondente valore Cp(λk) del coefficiente di potenza in base alla suddetta mappa. Tramite la relazione sopra indicata si calcola il valore λk+1, il quale viene riutilizzato come secondo valore di tentativo per ripetere il calcolo.

Come primo valore di tentativo, ad esempio, si può adottare il valore λopt. Per ottenere la stima del valore effettivo di λ all’istante t, à ̈ necessario iterare N volte il calcolo. Quanto più alto à ̈ il numero di iterazioni N, tanto migliore sarà l’approssimazione della stima rispetto al valore effettivo di λ. In altre parole, l’iterazione fa convergere il calcolo verso un valore di λ che, usato nel calcolo della coppia aerodinamica, fornisce lo stesso valore stimato dal blocco 105.

Inoltre, la stima della velocità sarà tanto più accurata quanto più accurata à ̈ la mappa del coefficiente di potenza Cp(λ).

Nel caso sopra descritto, l’algoritmo che stima la velocità del fluido operativo funziona solo quando la girante 17 à ̈ in movimento. Infatti, nel modello dell’osservatore di Luenberger non à ̈ possibile introdurre il concetto del bloccaggio meccanico che viene attuato nelle regioni I e IV. Inoltre, il valore ωm à ̈ misurato da un sensore di rotazione applicato alla girante 17. Pertanto, quando l’aerogeneratore 1 opera nelle regioni I e IV, non à ̈ disponibile il valore Tw sulla coppia aerodinamica, che invece à ̈ necessario all’algoritmo per calcolare e fornire la stima sulla velocità del fluido operativo.

Tuttavia, il blocco 109 ha necessità di ricevere una informazione su tale velocità anche nelle regioni I e IV, per avere un riferimento in base al quale comandare lo sblocco della girante 17 e quindi entrare nella regione II quando la velocità V supera il valore di soglia Vcut-in ed entrare nella regione III quando la velocità V scende al di sotto del limite massimo Vcut-out. Per raggiungere tale scopo à ̈ necessario aggiungere almeno un dispositivo di innesco, o trigger, che opera in funzione della velocità del fluido operativo ed invia un segnale di consenso e/o un segnale di inibizione al blocco 109 quando la velocità V oltrepassa, in un senso o nell’altro, il valore di soglia Vcut-in ed il limite massimo Vcut-out.

Ad esempio, tale trigger potrebbe essere definito da interruttori elettromeccanici del tipo “a bandiera†che si spostano quando la velocità del fluido operativo supera i valori Vcut-in e Vcut-out.

In alternativa, per fornire il segnale di consenso che consente di passare dalla regione IV alla regione III, un sensore di posizione o un sensore angolare (ad esempio di tipo induttivo, ad effetto Hall, di tipo on-off, ecc…) potrebbe essere previsto in modo da determinare se il gruppo 20 à ̈ inclinato con un determinato angolo rispetto alla posizione di regime.

Da quanto precede appaiono i vantaggi della presente invenzione.

In primo luogo, il sistema di protezione 28 viene associato ad un controllo di tipo “attivo†, per fare in modo che, all’aumentare della velocità V del fluido operativo, la spinta sulla girante 17 provochi la rotazione attorno all’asse 21 del gruppo 20 basculante, in modo tale da ridurre o addirittura annullare la portata del fluido operativo che investe assialmente la girante 17, in caso di un flusso troppo intenso del fluido operativo.

Nel contempo, la sofisticata architettura di controllo del sistema 29 permette anch’essa di salvaguardare l’aerogeneratore 1 e permette di operare in maniera ottimale a diverse velocità del fluido operativo, senza l’utilizzo di pale a passo variabile e senza accorgimenti meccanici per regolare la velocità di rotazione, in quanto si interviene solamente sulla coppia resistente esercitata dallo statore 30 del generatore 3.

La presenza del gruppo 20 basculante e la capacità del sistema di controllo 29 di gestire il funzionamento nella regione III permettono di avere una ridondanza nella protezione, per cui l’aerogeneratore 1 à ̈ estremamente affidabile. In particolare, il sistema di protezione 28 per lasciare basculare il gruppo 20 interviene in un punto di funzionamento intermedio della Regione III (ossia il sistema di protezione 28 à ̈ tarato in modo da iniziare la rotazione del gruppo 20 attorno all’asse 21 quando la velocità V del fluido operativo raggiunte una soglia che à ̈ intermedia tra i valori Vrated e Vcut-out). Pertanto, la Regione II rimane divisa idealmente in due fasce di funzionamento, la prima affidata solamente al sistema di controllo 29, e la seconda affidata sia al sistema di controllo 29 che al sistema di protezione 28. Grazie a questa suddivisione, non à ̈ necessario sovradimensionare il generatore 3, poiché quest’ultimo non deve gestire la limitazione dell’intera potenza nella seconda fascia della Regione III (infatti, almeno una parte della potenza disponibile del fluido operativo viene già limitata dalla rotazione del gruppo 20).

Il sistema di controllo 29 richiede l’uso di una macchina elettrica in grado di sviluppare una coppia resistente che possa essere regolata, come il generatore 3 del tipo sopra descritto, ma à ̈ una valida ed affidabile alternativa per evitare quei sistemi di tipo noto che in modo esclusivamente meccanico tendono a limitare la potenza nella Regione III.

Il sistema di controllo 29 permette di sfruttare un più ampio intervallo di velocità del fluido operativo, rispetto a quanto applicato in altri aerogeneratori di tipo noto.

La stima della coppia aerodinamica (Tw) eseguita dall’osservatore di stato evita l’uso di sensori di misura dedicati e permette di regolare in modo efficace la velocità di rotazione ω e, di conseguenza, gestire la transizione dalla Regione II alla Regione III in modo da limitare le sollecitazioni.

Inoltre, la stima della velocità del fluido operativo (Vw), oltre ad essere importante per l'attivazione/disattivazione dei diversi blocchi di regolazione, permette di eliminare l’uso di anemometri. Rispetto ad altre metodologie di stima di tipo noto, il procedimento iterativo sopra descritto ha requisiti meno stringenti per arrivare ad ottenere il valore stimato Vw.

Dal punto di vista costruttivo, il gruppo 20 à ̈ estremamente compatto, per cui l’aerogeneratore 1 può essere utilizzato non solo per impianti eolici. Ad esempio, una possibile applicazione in ambito aeronautico potrebbe essere quella relativa alla turbina denominata comunemente RAT (Ram Air Turbine): si tratta di una piccola turbina installata su velivoli e usata come fonte di energia ausiliaria; essa genera energia grazie al flusso d’aria che la investe, dovuto alla velocità del velivolo.

Un’altra possibile applicazione potrebbe essere quella di una turbina per il recupero di energia da un flusso di gas di scarico, per cui il fluido operativo non sarebbe definito propriamente da aria, ma da tali gas di scarico.

Da quanto precede appare, infine, evidente che all’aerogeneratore 1 e al metodo di controllo descritti con riferimento alle figure allegate possono essere apportate modifiche e varianti che non esulano dal campo di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, il sistema di controllo 29 di tipo “attivo†può essere implementato anche nel caso di turbine con pale a passo regolabile; e/o il rotore del generatore 3 potrebbe essere collegato tramite un albero alla girante 17.

La velocità del fluido operativo potrebbe essere stimata tramite un procedimento di calcolo diverso, oppure tramite tradizionali sensori anche se questi ultimi non sono particolarmente vantaggiosi.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Aerogeneratore (1) comprendente: - una turbina (2) comprendente una girante (17) che à ̈ girevole attorno ad un asse di rotazione sotto la spinta di un fluido operativo; - un generatore (3) comprendente un rotore (31) trascinato in rotazione da detta girante (17); - almeno un convertitore statico (4) collegato elettricamente a detto generatore (30); - mezzi di regolazione per regolare il funzionamento dell’aerogeneratore (1) in risposta a variazioni di flusso del fluido operativo; caratterizzato dal fatto che detti mezzi di regolazione comprendono: - mezzi di determinazione (107) per determinare un valore (Vw) indicativo della velocità del fluido operativo; - mezzi elettronici di comando (6) configurati in modo da comandare detto convertitore statico (4) in funzione del detto valore (Vw); e - detto convertitore statico (4), il quale à ̈ configurato in modo da pilotare detto generatore (3) per regolare la corrente elettrica erogata dal generatore (3), in risposta a comandi emessi da detti mezzi elettronici di comando (6). 2.- Aerogeneratore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che: - detto generatore (3) à ̈ coassiale a detta girante (17), e - detta turbina (2) comprende una struttura (11) supportante un gruppo (20), il quale à ̈ definito dall’insieme di detta girante (17) e di detto generatore (3) ed à ̈ girevole rispetto a detta struttura (11) attorno ad un asse di regolazione (21); mezzi di protezione (28) essendo previsti per lasciare ruotare automaticamente detto gruppo (20) attorno a detto asse di regolazione (21) quando l’intensità del fluido operativo supera un determinato limite. 3.- Aerogeneratore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di protezione (28) comprendono una disposizione del detto asse di regolazione (21) in direzione tangenziale rispetto a detto asse di rotazione (18) ed in posizione distanziata radialmente da detto asse di rotazione (18). 4.- Aerogeneratore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di protezione (28) comprendono mezzi elastici (26) esercitanti una coppia di contrasto opposta alla coppia di rotazione esercitata, in uso, dal fluido operativo attorno a detto asse di regolazione. 5.- Aerogeneratore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto rotore (31) circonda detta girante (17) ed à ̈ accoppiato alle estremità radiali esterne delle pale della detta girante (17). 6.- Aerogeneratore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di determinazione (107) sono definiti da mezzi di calcolo configurati in modo da stimare il detto valore (Vw) in funzione di ingressi (ωf,Tw) indicativi rispettivamente della velocità di rotazione e della coppia aerodinamica della detta girante (17). 7.- Metodo di controllo per controllare un aerogeneratore realizzato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, il metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: - determinare un valore (Vw) indicativo della velocità del fluido operativo; - calcolare un set-point (Tref) in funzione del detto valore (Vw), detto set-point (Tref) definendo una coppia resistente desiderata sulla detta girante (17) oppure una corrente elettrica desiderata, e - pilotare detto generatore (3) in modo da regolare la corrente elettrica erogata dal generatore (3) per inseguire detto set-point (Tref). 8.- Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di: - confrontare detto valore (Vw) con una pluralità di valori di soglia memorizzati (Vcut-in, Vsafety, Vrated, Vcut-out); - selezionare un blocco di regolazione tra almeno due blocchi di regolazione disponibili (111,113) in risposta all’esito del confronto. 9.- Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che, quando detto valore (Vw) à ̈ superiore ad un valore nominale (Vrated), il detto set-point (Tref) viene calcolato in modo da ridurre la velocità di rotazione della girante (17) all’aumentare della velocità del fluido operativo, mentre si mantiene costante la potenza. 10.- Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che, quando detto valore (Vw) à ̈ compreso tra un valore di sicurezza (Vsafety) e detto valore nominale (Vrated), il detto set-point (Tref) viene calcolato in modo da mantenere costante la velocità di rotazione della girante. 11.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 10, caratterizzato dal fatto di calcolare un set-point di velocità (ωref) definente una velocità desiderata di rotazione della girante (17), e calcolare il detto setpoint (Tref) tramite una regolazione in retroazione della velocità di rotazione e tramite una compensazione in avanti della coppia. 12.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 11, caratterizzato dal fatto che, quando detto valore (Vw) à ̈ inferiore ad uno di detti valori di soglia memorizzati (Vsafety), il detto set-point (Tref) viene calcolato in modo da massimizzare il coefficiente di potenza (Cp) della turbina (2). 13.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 12, caratterizzato dal fatto di stimare la coppia aerodinamica della girante (17) tramite un osservatore di stato (105), in funzione di un ingresso (ωm) indicativo della velocità di rotazione della girante (17). 14.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 13, caratterizzato dal fatto che detto valore (Vw) viene stimato in funzione di soli due ingressi (ωf,Tw) indicativi rispettivamente della velocità di rotazione e della coppia aerodinamica della detta girante (17). 15.- Metodo secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detto valore (Vw) viene stimato, ad un dato istante di tempo, tramite la relazione V = ω R / λ dove ω = ωf valore indicativo della velocità di rotazione della girante in detto istante; R = raggio della girante; λ = fattore determinato con una serie di iterazioni successive tramite la seguente relazione: λk+1= = λk– γ (Tw – (Ï Ï€R5 Cp(λk) ω2 / (2 λ3 k))) dove γ = costante numerica; Tw = valore indicativo della coppia aerodinamica della girante in detto istante; Ï = densità del fluido operativo; Cp(λk) = coefficiente di potenza, determinato in funzione del valore λksulla base di una mappa memorizzata, che rappresenta i valori del coefficiente di potenza (Cp) della detta turbina in funzione del fattore λ.