A funzione di un trasformatore in a cunnessione di e turbine eoliche à a rete elettrica
L'energia eolica hè diventata una di e fonti d'energia rinnuvevule chì crescenu più rapidamente in parechji paesi. E turbine eoliche cunvertenu l'energia cinetica di e raffiche di ventu in energia elettrica per mezu di generatori. Tuttavia, l'elettricità generata da e turbine eoliche ùn pò esse canalizzata direttamente in a rete. Hè quì chì i trasformatori ghjocanu un rolu vitale. I trasformatori ùn sò micca solu "dispositivi d'aumentu di tensione", ma piuttostu cumpunenti chjave chì garantiscenu chì l'elettricità di e turbine eoliche pò esse trasmessa in modu efficiente, sicuru è risponde à i standard di qualità di l'energia richiesti da l'operatori di rete.
1. Perchè l'eoliche anu bisognu di trasformatori?
I generatori di turbine eoliche producenu tipicamente tensioni medie chì sò relativamente basse paragunate à i requisiti di i sistemi di trasmissione è distribuzione. Per esempiu, i generatori ponu pruduce tensioni chì varianu da centinaie di volt à parechji kilovolt, mentre chì e rete di distribuzione à media tensione operanu tipicamente à 20 kV o 33 kV, è e rete di trasmissione ponu ghjunghje à 150 kV, 275 kV, o ancu di più. Questa differenza di livelli di tensione richiede chì i dispositivi currispondanu à i livelli di tensione di a rete à a quale sò cunnessi.
Oltre à a differenza di tensione, ci sò una quantità di altre ragioni per chì i trasformatori sò cusì impurtanti:
– Efficienza di trasmissione di putenza: una tensione più alta permette una corrente più chjuca per a stessa putenza, cusì e perdite I²R in u cavu sò ridutte.
– Cunfurmità cù e norme di rete: a rete hà esigenze strette in quantu à a tensione, l'isolamentu è a prutezzione.
– Sicurezza è isolamentu: i trasformatori ponu furnisce un isolamentu galvanicu trà u latu di a turbina è u latu di a rete, aiutendu à prutege l'attrezzatura è u persunale.
– Integrazione di u sistema di parchi eolici: à scala di un parcu eolico, parechje turbine devenu esse cumminate è disposte prima di esse distribuite à a rete.
2. A funzione principale di un trasformatore: aumentà a tensione (step-up)
A funzione più cunnisciuta di un trasformatore in un sistema di turbine eoliche hè di aumentà a tensione da u generatore à una tensione adatta per u sistema di cullettore o direttamente à a sottustazione. Stu prucessu hè chjamatu trasfurmazione step-up.
Perchè duverebbe esse aumentatu ? Perchè quandu a tensione hè aumentata, a corrente chì scorre per u cavu per una data putenza diminuirà. L'impattu:
– A perdita di rame in i cavi è l'apparecchiature diventa più chjuca.
– A dimensione di u cunduttore pò esse più ecunomica.
– A distanza di trasmissione di putenza da a turbina à a sottustazione diventa più pussibule senza perdita di putenza eccessiva.
In i parchi eolici, ogni turbina hà tipicamente u so propiu trasformatore (trasformatore muntatu nantu à u piattu) chì aumenta a tensione da u generatore (per esempiu, 690 V) à a rete di cullettore (per esempiu, 20 kV o 33 kV). Dopu, à a sottustazione di u parcu eolico, un altru trasformatore a aumenta torna à a tensione di trasmissione.
3. Fornisce isolamentu è prutezzione elettrica
I trasformatori servenu ancu cum'è barriera è separatore trà duie parti di un sistema elettricu. Questu isolamentu hè impurtante per:
– Reduce u risicu di disturbi da u latu di a turbina chì si sparghjenu direttamente à u latu di a rete.
– Aiutu à a coordinazione di a prutezzione, per esempiu selezziunendu un schema di messa à terra adattatu.
– Prutege l'apparecchiature elettroniche di putenza aduprate spessu in e turbine eoliche muderne.
E turbine eoliche muderne utilizanu spessu convertitori per regulà a frequenza è a tensione di uscita di u generatore, in particulare in e turbine à velocità variabile. Quessi sistemi sò sensibili à i picchi di tensione, l'armoniche è i disturbi transitori. Un trasformatore ben cuncipitu, inseme cù dispositivi di prutezzione cum'è scaricatori, relè è interruttori automatichi, aiuta à riduce u risicu di danni.
4. Riduce l'impattu di i disturbi è aumenta l'affidabilità
A rete elettrica pò subisce disturbi cum'è corti circuiti, sovratensioni è cali di tensione. E turbine eoliche ponu ancu creà disturbi specifichi, cum'è fluttuazioni di putenza per via di cambiamenti di velocità di u ventu è distorsioni armoniche da u convertitore.
I trasformatori cuntribuiscenu à l'affidabilità di u sistema per via di:
– Fornisce una impedenza chì aiuta à limità a corrente di cortocircuitu.
– Supporta a coordinazione di i sistemi di prutezzione in modu chì l'interruzzione di i disturbi si faci in modu selettivu.
– Fà parte di un cuncepimentu chì permette à a turbina di risponde à i requisiti di u codice di a rete, cum'è a capacità di suppurtà e cadute di tensione momentanee (fault ride-through) in certi standard di u sistema energeticu.
In pratica, i trasformatori devenu ancu resiste à e cundizioni operative cambianti. A putenza di a turbina ùn hè micca custante; di cunsiguenza, u caricu nantu à u trasformatore pò fluttuà. U cuncepimentu termicu è a putenza nominale di u trasformatore devenu tene contu di stu prufilu di caricu dinamicu.
5. Aghjustà a cunfigurazione è u sistema di messa à terra
Unu di l'aspetti impurtanti di un trasformatore hè a cunfigurazione di l'avvolgimenti cum'è Delta (Δ) è Wye/Stella (Y). Sta cunfigurazione affetta:
– Cumu u sistema hè messu à terra (messa à terra).
– Cumportamentu versu l'armoniche triplene (per esempiu, armoniche di u terzu ordine).
– Percorsu di corrente di guasto à terra.
Per esempiu, l'usu di una cunfigurazione delta da una parte pò aiutà à "intrappulà" certe armoniche in modu chì ùn scorrinu micca in a rete. Intantu, una cunfigurazione à stella cù un neutru à terra pò furnisce una riferenza di tensione stabile è facilità a rilevazione di guasti à terra. A scelta di a cunfigurazione ùn hè micca uniforme; dipende da a cuncepzione di a turbina, da i standard di a rete lucale è da a strategia di prutezzione implementata.
6. Aiuta à gestisce a qualità di l'energia
A qualità di l'energia hè una questione critica in l'integrazione di l'energie rinnuvevuli. L'operatori di rete esigenu certi limiti per:
– Fluttuazioni di tensione (sfarfallamentu),
– Distorsione armonica,
– Squilibriu di fase,
– Fattore di putenza.
I trasformatori ùn sò micca filtri armonici primari, ma influenzanu l'interazione trà a turbina, u convertitore è a rete. L'impedenza di u trasformatore, a scelta di u materiale di u core è a cunfigurazione di l'avvolgimentu ponu influenzà u livellu di l'armonici trasmessi. In l'applicazioni di u mondu reale, i trasformatori spessu travaglianu in cunghjunzione cù altri dispositivi - cum'è filtri armonici, banchi di condensatori, STATCOM o sistemi di compensazione reattiva - per assicurà chì a pruduzzione di u parcu eolico rispetti i requisiti di u codice di a rete.
7. Tipi di trasformatori in sistemi di turbine eoliche
In a cunnessione di e turbine eoliche à a rete, parechji tipi di trasformatori sò cumunemente usati:
1. Trasformatore muntatu nantu à a nacelle: piazzatu in cima à una torre, vicinu à u generatore. U vantaghju hè chì i cavi di bassa tensione sò più corti, ma l'accessu per a manutenzione hè più difficiule.
2. Trasformatore à a basa di a torre (base di a torre): più facilmente accessibile per a manutenzione, ma richiede una trasmissione di putenza à bassa tensione da a nacelle à u fondu di a torre.
3. Trasformatore muntatu nantu à u piattu: un trasformatore in un armariu à u livellu di u terrenu, spessu adupratu per aumentà a tensione à a rete di cullettori.
4. Trasformatore principale elevatore di tensione: aumenta a tensione da a rete di cullettori (20-33 kV) à una tensione di trasmissione più alta.
A selezzione di a situazione è di u tipu di trasformatore hè ligata à u disignu meccanicu, i costi d'installazione, a sicurezza di u travagliu, i livelli di rumore è e strategie operative.
8. Sfide operative: calore, vibrazioni è ambiente
I trasformatori in i sistemi di turbine eoliche sò cunfruntati à cundizioni ambientali difficili. In e zone custiere, per esempiu, ci hè un risicu di currusione per via di l'aria salata. In i lochi freddi, l'insulazione è a viscosità di l'oliu (per i trasformatori raffreddati à oliu) ponu esse problematiche. Se u trasformatore hè allughjatu in una nacelle, a vibrazione è u muvimentu dinamicu di a turbina influenzanu ancu a so affidabilità meccanica.
Dunque, i trasformatori di turbine eoliche anu tipicamente specifiche chì mettenu in risaltu:
– Resistenza à l'umidità,
– Sistema di raffreddamentu adeguatu,
– Prutezzione da u fulmine è da e sovratensioni,
– Monitoraghju di e cundizioni cum'è a temperatura, u gasu dissoltu (DGA) è a scarica parziale in certe applicazioni.
Cunclusioni
I trasformatori sò cumpunenti chjave chì permettenu l'integrazione sicura è efficiente di l'electricità di e turbine eoliche in a rete elettrica. U so rolu si estende oltre u semplice aumentu di a tensione, cumprese l'isolamentu elettricu, a prutezzione, u miglioramentu di a qualità di l'energia, a messa à terra è u miglioramentu di l'affidabilità generale di u sistema. In u cuntestu di a crescita di l'energia eolica, a selezzione è a cuncepimentu adatte di i trasformatori sò cruciali per u successu di l'operazioni di i parchi eolici, sia tecnicamente sia ecunomicamente. Cù un trasformatore adattatu, l'electricità generata da u ventu pò scorrere costantemente in a rete, sustinendu un approvvigionamentu energeticu più pulitu è più sustenibile.
