SMART WIND: sviluppo prototipale di controllore ausiliario per supporto di frequenza per generatori eolici non inerziali

SMART WIND: sviluppo prototipale di controllore ausiliario per supporto di frequenza per generatori eolici non inerziali

_

Responsabile di Progetto: Andrea Bonfiglio

Dipartimento: DITEN Dipartimento di ingegneria navale, elettrica, elettronica e delle telecomunicazioni 

Obiettivo del progetto 

Il progetto ha l’obiettivo di realizzare un prototipo hardware su scheda FPGA (Field Programmable Gate Array) di un controllore ausiliario per il supporto di frequenza per generatori eolici non inerziali. Le funzionalità e prestazioni del prototipo saranno validate mediante simulazioni Real-Time (RT) in logica “Hardware in The Loop (HIL)”. La validazione RT presuppone lo sviluppo sul Simulink di un modello dettagliato del generatore eolico e di tutta l’architettura di controllo “tradizionale”, che consente il corretto esercizio della turbina eolica. Un ulteriore elemento, essenziale per la validazione delle prestazioni del sistema di controllo, è la fedele replica delle dinamiche di frequenza del sistema elettrico, includendo i disturbi che nella realtà potrebbero interferire con il funzionamento della tecnologia. È quindi necessario modellare in dettaglio sul simulatore RT i modelli dei sistemi fisici e definire una serie di prove funzionali che rispecchino le richieste operative dei gestori di rete. Il sistema di controllo sarà sviluppato su scheda FPGA, collegata direttamente al simulatore RT attraverso interfacce analogiche e digitali e a trasduttori fisici presenti in applicazioni reali, al fine di tenere in considerazione anche le problematiche di ritardo di misura e presenza di rumore, che potrebbero inficiare sulle prestazioni del prototipo.

Brevetto di riferimento 

102018000007930 "Metodo e sistema di controllo di generatori non inerziali, in particolare di generatori eolici, mediante emulazione di inerzia"

 

Breve descrizione del problema che la tecnologia risolve

La tecnologia affronta il problema di rendere i generatori eolici (o aerogeneratori) capaci di supportare il sistema elettrico in caso di necessità relativa a pericolosi transitori di frequenza. Il crescente impiego di generazione da fonte rinnovabile, tipicamente interfacciata al sistema elettrico per mezzo di convertitori di potenza, sta riducendo l’inerzia del sistema. Questa tendenza introduce nuove problematiche per il corretto esercizio del sistema elettrico che, a fronte di repentine variazioni di carico, può subire pericolosi transitori che possono anche condurre ad eventi di blackout totale o parziale. La tecnologia SMART WIND di UNIGE si configura come un controllore ausiliario che ha l’obiettivo di rendere i generatori eolici partecipi al supporto di frequenza mediante l’emulazione di un comportamento inerziale che ha il compito di calmierare questo tipo di transitori. Questa caratteristica prende il nome di “Inerzia Sintetica”.

 

Settori di potenziale applicazione della tecnologia sviluppata (diretti e indiretti)

Il settore di riferimento del progetto è sicuramente quello dell’energia ed in particolare dei generatori eolici. Le aziende che potrebbero essere potenzialmente interessate al nuovo controllore sono i costruttori di generatori eolici di grande potenza, in grado di recepire i potenziali vantaggi offerti dalla tecnologia SMART WIND e spingere i propri fornitori di sistemi di controllo a integrare tale tecnologia nel loro portfolio prodotti. Il costruttore di generatori eolici rappresenta infatti il front-end nelle richieste/requisiti definiti dai codici di rete, e pertanto colui che è maggiormente sensibile alle innovative richieste provenienti dall’ambito regolatorio, delle quali potersi fare addirittura anticipatore, incrementando così la propria competitività.

In subordine il prodotto potrebbe essere presentato/offerto ai costruttori di sistemi di controllo per generatori eolici, per l’industrializzazione/ integrazione del prototipo nel sistema di controllo dell’aerogeneratore e successiva proposta di commercializzazione ai costruttori di generatori eolici.

 

Descrizione progressiva delle attività e dei risultati conseguiti rispetto agli obiettivi

Il progetto si articola su cinque Milestone richiamate sinteticamente di seguito:

M1 – Ingegnerizzazione del brevetto e realizzazione del prototipo;

M2 – Approvvigionamento del materiale necessario per la realizzazione del prototipo;

M3 – Realizzazione del test-bed su sistema di simulazione Real-Time;

M4 – Test di validazione del prototipo realizzato in logica HIL;

M5 – Valutazione tecnico-economica per l’eventuale commercializzazione del prodotto.

Attualmente sono in corso, parallelamente, le attività della fase M1 e M3.

Per quanto concerne la Milestone M1, è stato scelto di realizzare il controllore ausiliario su un circuito logico programmabile (FPGA), viste la flessibilità e le prestazioni che questo tipo di dispositivo permette di ottenere. Il controllore è stato descritto in linguaggio VHDL, utilizzando una rappresentazione dei dati in virgola fissa, in modo da minimizzare la latenza e la complessità del circuito. Il codice è stato verificato dapprima singolarmente, mediante simulazioni VHDL di tipo “post place and root”, che tengono conto anche dei ritardi di propagazione dei segnali all’interno della scheda; successivamente, sono state effettuate simulazioni HIL non in RT, interfacciando il controllore descritto in VHDL con il modello Simulink del generatore eolico con i relativi controlli, realizzato nella Milestone M3. Questa simulazione consente di vedere l’effetto del controllore sul sistema, tenendo conto del rumore di quantizzazione, dovuto alla rappresentazione in virgola fissa dei dati, della latenza del circuito e del tempo di campionamento delle grandezze necessarie (definito in 40ms che corrisponde al tempo minimo di risposta dei sensori di frequenza veloci presenti in commercio).

Per quanto concerne la Milestone M3 è stato scelto di utilizzare Speedgoat come simulatore RT in quanto consente di definire modelli dinamici e sistemi di controllo in modo molto flessibile, accurato ed efficace sfruttando l’ambiente di sviluppo MATLAB/Simulink Real-Time.

Attualmente, è stato implementato sul simulatore RT il modello del sistema eolico, che comprende il modello della pala eolica, del convertire lato macchina, del convertitore lato rete, della rete elettrica di alta tensione (inclusa la dinamica di frequenza) e di tutti i sistemi di controllo dei convertitori e dell’angolo di pitch della pala, che caratterizzano il nomale esercizio di un generatore eolico. Sono state effettuate con successo simulazioni in tempo reale con passi di calcolo molto ridotti (50 ms).

A completamento delle milestone M3 si prevede lo svolgimento di un serie di prove di validazione del modello in differenti condizioni di funzionamento e in presenza di differenti scenari dinamici (aumento/diminuzione di vento, transitorio di frequenza sulla rete elettrica, ecc.).

Infine, sarà necessario definire e configurare le uscite e gli ingressi del modello RT per la successiva connessione con il prototipo, utilizzando le schede di Input/Output disponibili sulla Target Machine di Speedgoat.

Sulla base dello stato di avanzamento delle Milestone M1 ed M3 si prevede di poter attivare le attività di approvvigionamento dell’hardware necessario alla realizzazione del prototipo entro il mese di Giugno 2021.

 

Immagini

Configurazione di un set-up di validazione HIL

Figura 1 Configurazione di un set-up di validazione HIL.

Schema funzionale del sistema aerogeneratore con indicazione del controllo tradizionale e dell’integrazione della tecnologia SMART WIND

Figura 2 Schema funzionale del sistema aerogeneratore con indicazione del controllo tradizionale e dell’integrazione della tecnologia SMART WIND

Referente per richiesta contatti/informazioni

Andrea Bonfiglio

Settore valorizzazione della ricerca e trasferimento tecnologico