Convertitore elettronico per l'interfacciamento con la rete di un generatore eolico di piccola potenza

Introduzione 
 3 
Capture, suo sotto pacchetto. Allo scopo di fornire al lettore una breve guida alla 
comprensione delle simbologie che questo utilizza per rappresentare i circuiti è stata 
realizzata l’appendice A. 
Al capitolo 5 si mostreranno i componenti e le configurazioni adottate per realizzare i 
circuiti di misura. 
Il capitolo 6 tratterà i circuiti ideati per la connessione ed il comando delle unità 
esterne. 
Infine il capitolo 7 mostrerà le protezioni hardware previste a bordo della scheda. 
Sarà illustrato anche un circuito ideato ad hoc per consentire alla MCU l’acquisizione 
del segnale di temperatura nei moduli di potenza. 
Si conclude questa breve introduzione precisando che le scelte operate durante il 
corso del progetto sono state dirette anche nell’obiettivo di non precludere la 
flessibilità dell’apparato, sia per agevolarne la successiva realizzazione, sia per 
adattarlo ad un maggior numero di casi. 
 
 
 4 
Capitolo 1 
L’ENERGIA DEL VENTO 
 
Premessa 
Nel presente capitolo saranno mostrati innanzitutto alcuni aspetti fondamentali 
sull’energia eolica. Si presenterà una panoramica oggettiva sui dati indicativi del suo 
incremento negli ultimi anni e s’illustreranno alcuni fenomeni che stanno alla base 
delle scelte principali operate per il convertitore elettronico in oggetto. 
 
1.1 Energia eolica 
È definita energia eolica l’energia ricavata dal flusso del vento, raccolta e convertita 
in energia meccanica attraverso apposite macchine, che nella stragrande maggioranza 
dei casi sono turbine eoliche ad asse orizzontale. Solitamente oggi quest’energia non 
viene utilizzata direttamente in forma meccanica, come avveniva nel passato, ma è 
trasformata sul posto in energia elettrica, allo scopo di consentirne una più efficiente 
manipolazione ed un agevole trasporto verso i siti di utilizzo. 
Negli ultimi anni si è assistito ad uno sviluppo esponenziale delle turbine eoliche che 
vedono oggi potenze di picco per singola installazione fino a 3 megawatt. 
Si possono distinguere due fondamentali categorie di turbine eoliche: quelle ad asse 
orizzontale, le più diffuse, e quelle ad asse verticale. Le turbine ad asse orizzontale 
sono costituite da una torre con altezza che può raggiungere i 100 metri sulla cui 
sommità è posta una gondola destinata a contenere solitamente il generatore elettrico. 
 
Capitolo 1 – L’energia del vento 
 5 
 
Figura 1.1 – Turbine eoliche ad asse orizzontale. 
 
Le turbine eoliche ad asse verticale hanno fondamentalmente il vantaggio, rispetto a 
queste ultime, di poter sfruttare qualsiasi direzione del vento senza doversi 
riorientare. Tuttavia la sostanziale minore efficienza rispetto a quelle ad asse 
orizzontale ne ha di fatto confinato l'impiego. 
 
1.2 Dati significativi 
Tra il 2000 e il 2006, la potenza da impianti eolici installati nel mondo è 
quadruplicata. Nel 2005 la potenza installata è stata di 11.000 MW, nel 2006 di 
15.000 e nel 2007 di 20.000 MW. 
Il 2008 ha registrato un record per l'energia eolica, con oltre 27.000 MW di nuova 
potenza installata in tutto il mondo. Questa crescita ha portato ad avere già alla fine 
del 2008 una potenza totale di oltre 120.000 MW, producendo elettricità pari ad oltre 
1,5% del fabbisogno mondiale d’energia. Con simili tassi di crescita si stima che ogni 
tre anni si possa incrementare di 1 punto percentuale la copertura del fabbisogno 
mondiale d’energia tramite questa fonte. 
 
1.3 L’eolico in Italia 
Il settore eolico cresce nel nostro Paese ad un ritmo mai visto prima. 
Nel 2008 si sono avute nuove installazioni per un ammontare di 1.010,40 MW. Tale 
quantità d’energia equivale approssimativamente al consumo domestico di circa 6,5 
Capitolo 1 – L’energia del vento 
 6 
milioni d’italiani. Tradotto in termini d’emissioni, questo significa circa 4,5 milioni 
di tonnellate di CO2 non emesse nell’atmosfera. La potenza totale installata ha così 
raggiunto i 3.736,47 MW, mentre la produzione elettrica annua, passando da 4 ad 
oltre 6 TWh, rappresenta circa il 2% del consumo interno lordo italiano, che vale 
oggi approssimativamente 350 TWh. 
 
1.4 Il percorso dell’energia 
Turbina eolica e generatore elettrico consentono nel loro insieme la trasformazione 
dell’energia cinetica del vento in energia elettrica. È in generale necessario però che 
questa sia a sua volta ulteriormente manipolata da un opportuno convertitore 
elettronico, che consenta di regolarne i diversi parametri elettrici per l’immissione in 
rete. L’insieme di generatore e convertitore elettronico costituiscono quello che in 
letteratura è definito azionamento elettrico. 
 
Figura 1.2 – Flusso di potenza: schema di principio. 
 
È utile ora presentare una breve riesamina dei fenomeni implicati nel trasferimento 
dell’energia dal vento alla turbina. È doveroso premettere che questa non ha la 
pretesa di essere una trattazione dettagliata e rigorosa sulla fluidodinamica delle 
turbine eoliche. Saranno brevemente richiamati solo alcuni concetti fondamentali che 
consentiranno di giustificare sia le scelte operate nella fase di progettazione del 
convertitore, che le strategie di controllo previste. 
Si osservi innanzitutto che la cessione dell’energia dall’aria avviene a scapito della 
velocità di questa stessa. Proprio attraverso la differenza di velocità fra aria in 
ingresso ed aria in uscita alla turbina si riesce in generale a calcolare la potenza che si 
è stati in grado di estrarre dal vento, potenza che chiameremo estP . 
Capitolo 1 – L’energia del vento 
 7 
La potenza complessiva disponibile nel vento, nella sezione d’interesse alla turbina, 
non è rigorosamente calcolabile, dunque per operare calcoli tecnici si ricorre ad una 
sua sovrastima che chiameremo potenza di riferimento 
rif
P , la cui determinazione è 
invece agevole. 
Definiamo ora coefficiente di potenza pC  della turbina il rapporto tra potenza estratta 
e potenza di riferimento: 
rif
est
p P
PC =           (1.1) 
pC  è un parametro di grande importanza poiché esprime in pratica la quantità di 
potenza effettivamente sottratta al vento e trasferita alla turbina, rispetto a quella che 
sarebbe integralmente contenuta nel vento, all’interno della sezione d’interesse. 
È intuibile che l’obiettivo finale per l’applicazione sarà in generale ottenere pC  più 
alto possibile. 
Indicando ora con Ω  la velocità angolare della turbina, con R  il raggio della turbina e 
con wV  la velocità del vento prima che questa sia perturbata dalle pale, si definisce 
coefficiente tip speed ratio λ  
wV
RΩ
=λ           (1.2) 
Questo è un coefficiente di notevole importanza giacché nella pratica è significativo 
che i valori di pC  (e d’altri coefficienti non richiamati nella presente trattazione) 
siano espressi in funzione di esso. 
Si riporta in figura 1.3 un andamento tipico di pC  in funzione di λ  per una generica 
turbina eolica. 
 
Figura 1.3 – Andamento tipico di Cp in funzione di λ  
Capitolo 1 – L’energia del vento 
 8 
È facile comprendere perché la curva presenti un simile andamento. Supponendo di 
trovarci alle condizioni di massimo ( 0λ ), una diminuzione di λ  corrisponderebbe ad 
una diminuzione della velocità di rotore rispetto a quella del vento oppure ad un 
aumento di quest’ultima rispetto a quella di rotore. Si avrebbe in ogni caso una 
riduzione della capacità di estrarre l’energia disponibile nel vento ed una conseguente 
diminuzione di pC . Invece un aumento di λ  corrisponderebbe ad un aumento della 
velocità di rotore rispetto alla velocità del vento con conseguente riduzione 
dell’efficienza aerodinamica delle pale ed aumento dell’energia dissipata (per 
visualizzare meglio quest’ultimo fenomeno si pensi al caso estremo in cui la velocità 
di rotazione della turbina risulti talmente elevata da far sì che le pale si comportino 
come un muro per il flusso del vento, che si troverebbe dunque costretto a 
scavalcarle, e rendere così l’energia raccolta nulla). 
Alla luce di quanto fin ora detto si comprende che per lavorare in prossimità del 
punto di massima potenza estratta (punto che verrà d’ora in poi chiamato MPPT - 
Maximum Power Point Tracking) è necessario imporre un determinato valore di λ  
(nell’esempio di figura 1.3 maxPp CC =  implica 0λλ = ). Vista la (1.2), ciò richiede 
sicuramente che l’azionamento preveda un controllo in velocità del generatore. 
Si possono ora distinguere due diverse strategie per fissare il punto di funzionamento 
in prossimità del MPPT. 
Si può pensare di effettuare una misurazione della velocità del vento ed eseguire il 
controllo della velocità del rotore di conseguenza (il che equivale esattamente ad 
imporre il λ  desiderato). Questo presenta tuttavia l’inconveniente di dover 
predisporre un anemometro dedicato per la misura del vento, posto in lontananza 
dalla turbina affinché non risenta delle perturbazioni provocate dalla stessa, e di 
prevedere un opportuno ingresso alla scheda di controllo destinato al segnale di 
velocità del vento. 
Altro metodo di controllo, più comune e solitamente preferito rispetto a questo per 
maggior efficienza ed affidabilità, è il cosiddetto ‘perturb and observe’. Tale metodo 
prevede che si modifichi di continuo il punto di lavoro della macchina e si rilevi 
istante per istante il valore di potenza elettrica in uscita al generatore. Il controllo 
stesso dirigerà di conseguenza il punto di funzionamento sempre in direzione 
dell’aumento di potenza, ottenendo in pratica di far lavorare il generatore in continua 
prossimità del MPPT. 
 9 
Capitolo 2 
CRITERI PER L’ALLACCIAMENTO DEGLI IMPIANTI DI 
PRODUZIONE ALLA RETE BT 
 
Premessa 
È il gestore della rete locale a definire lo schema e le specifiche per l’allacciamento 
dell’impianto di produzione alla sua rete di distribuzione. E’ necessario pertanto fare 
riferimento alle norme tecniche rese disponibili da questo (ad es. per la rete di Enel 
Distribuzione le DK 5940 per gli impianti da connettere alla rete in BT, le DK 5740 e 
DK 5600 per gli impianti in MT).  
Nella presente trattazione, vista la natura dell’oggetto in realizzazione, si farà 
riferimento alla direttiva DK5940 che, se pur redatta specificamente da Enel 
distribuzione, è adottata anche dagli altri enti distributori italiani. 
Si propone qui di seguito una panoramica generale della direttiva, nella quale si è 
posto particolare riguardo agli aspetti che giustificano gli equipaggiamenti hardware 
che saranno presentati al capitolo 3. Per quanto riguarda le prescrizioni prettamente 
inerenti alle strategie di controllo e l’implementazione del software, è fatta menzione 
e rimandato alla stessa direttiva. 
 
2.1 Direttiva Enel DK5940: Scopo e campo di applicazione 
Le prescrizioni della DK 5940 hanno lo scopo di definire i criteri e le modalità di 
allacciamento degli impianti di produzione alla rete di bassa tensione (BT) di Enel 
Distribuzione (d’ora in poi denominata semplicemente Enel). 
Per impianti di produzione si intendono sistemi che convertono ogni forma di energia 
primaria in energia elettrica in corrente alternata, funzionanti in parallelo con la rete 
BT di distribuzione, eventualmente tramite l’interposizione di un dispositivo di 
conversione statica. Sono inoltre oggetto di queste prescrizioni gli impianti che non 
erogano energia attiva in rete, ma per i quali è previsto un funzionamento in regime 
breve di parallelo con la rete BT (generatori per il servizio di riserva e/o di 
emergenza). 
Capitolo 2 – Criteri per l’allacciamento degli impianti di produzione alla rete BT 
 10 
Queste prescrizioni inoltre si applicano ai nuovi allacciamenti, al rifacimento di 
impianti esistenti e in occasione di variazioni contrattuali di impianti di produzione di 
potenza complessiva superiore a 1 kW, se rotanti, o 0,75 kW, se collegati alla rete 
tramite dispositivo di conversione statica. 
Le prescrizioni della DK 5940 annullano e sostituiscono la DK 5950 ed. 1.1, 
relativamente agli impianti di produzione oggetto della stessa con potenza compresa 
fra 1 e 20 kW. 
I dispositivi di conversione statica senza funzione di protezione di interfaccia o le 
protezioni di interfaccia separate (relé dedicati), dichiarati conformi alla DK 5950 ed. 
1.1, prima dell’entrata in vigore della DK 5940 ed. II (febbraio 2006), sono di fatto 
conformi alla DK 5940 ed. 2, 2.1 e 2.2 e quindi possono essere utilizzati per le 
connessioni di produttori fintantoché tali prescrizioni rimarranno in vigore. 
 
2.2 Definizioni 
Si elencano di seguito alcune definizioni alle quali si farà riferimento nel seguito: 
Complesso di misura: è l’insieme costituito da uno o più misuratori, dagli eventuali 
riduttori di corrente, di tensione e dai relativi cavetti di connessione. 
Convertitori c.c./c.a.: apparecchiature statiche o macchine rotanti usualmente 
impiegate per trasferire l'energia in c.c. sulla rete in c.a. Se reversibili, i convertitori 
c.c./c.a. consentono il trasferimento di potenza dalla corrente continua alla corrente 
alternata e viceversa. 
Convertitori c.a./c.a.: apparecchiature statiche o rotanti capaci di convertire potenza 
elettrica da una frequenza ad un'altra. I convertitori statici c.a./c.a. reversibili 
consentono il trasferimento di potenza tra reti alternate a frequenza diversa. 
Dispositivo della rete pubblica: dispositivo installato all'origine della linea della rete 
pubblica costituito da un interruttore automatico dotato di protezione 
magnetotermica. 
Dispositivo generale: dispositivo installato all'origine della rete del cliente 
produttore e cioè immediatamente a valle del punto di consegna dell'energia elettrica 
dalla rete Enel. Il dispositivo, in condizioni di "aperto", esclude l'intera rete del 
cliente produttore dalla rete pubblica. 
Capitolo 2 – Criteri per l’allacciamento degli impianti di produzione alla rete BT 
 11 
Dispositivo di interfaccia: dispositivo installato nel punto di collegamento della rete 
in isola alla restante parte della rete del cliente produttore sul quale agiscono le 
protezioni d'interfaccia. L'apertura del dispositivo d'interfaccia assicura la 
separazione dei gruppi di produzione dalla rete pubblica. 
Dispositivo del generatore: dispositivo installato a valle dei terminali di ciascun 
generatore. Il dispositivo del generatore è tale da escludere il generatore in condizioni 
di "aperto". 
Generatori sincroni: macchine rotanti in grado di generare tensione e potenza 
reattiva indipendentemente da sorgenti elettriche esterne. I generatori sincroni sono 
pertanto idonei a sostenere la tensione in assenza di alimentazione dalla rete pubblica. 
Con il termine di generatore sincrono si comprende nel seguito anche il generatore 
asincrono dotato di dispositivo di autoeccitazione. 
Generatori asincroni: macchine rotanti usualmente eccitate dalla rete a cui sono 
accoppiate oppure provviste di un complesso per l'autoeccitazione. I generatori 
asincroni, se privi del dispositivo di autoeccitazione, non sono idonei a sostenere la 
tensione in assenza di alimentazione dalla rete pubblica. 
Punto di consegna: punto di confine tra l’impianto di rete per la connessione e 
l’impianto di utenza per la connessione. Il punto di consegna è individuato dai 
morsetti cui si attesta il terminale del cavo di collegamento lato impianto di consegna. 
Punto di immissione: è il punto fisico di una rete con obbligo di connessione di terzi 
in cui viene immessa l'energia elettrica. 
Punto di misura: punto fisico nel quale viene installata un’apparecchiatura di misura 
dell’energia elettrica. 
Punto di prelievo: è il punto fisico di una rete con obbligo di connessione di terzi in 
cui viene prelevata l’energia elettrica da una utenza della rete medesima. 
Rete in isola: rete di distribuzione del cliente produttore o parte di questa che può 
funzionare separatamente da altre reti (rete del cliente produttore o rete Enel). 
Rete pubblica: sinonimo di rete Enel. 
Sistema di conversione dell'energia: complesso delle apparecchiature destinate alla 
trasformazione dell'energia fornita dalla fonte primaria in energia elettrica consegnata 
alla rete. 
Si distinguono in: 
Capitolo 2 – Criteri per l’allacciamento degli impianti di produzione alla rete BT 
 12 
- sistemi di conversione idonei a sostenere la tensione e la frequenza entro il campo 
nominale in assenza di alimentazione della rete pubblica stessa (generatori sincroni, 
asincroni autoeccitati, dispositivi di conversione statica che si comportano come 
generatori di tensione); 
- sistemi di conversione non idonei a sostenere la tensione e la frequenza entro il 
campo nominale (generatori asincroni non autoeccitati e dispositivi di conversione 
statica che si comportano come generatori di corrente). 
Sistema di misura: definizione utilizzata in ambito internazionale per indicare il 
complesso di misura (rif. Norma CEI 13-4). 
Sistema statico di continuità (UPS): insieme di convertitori, interruttori e dispositivi 
per l’accumulo di energia (ad es. batterie) che costituiscono un sistema di 
alimentazione in grado di mantere la continuità della potenza al carico, incaso di 
mancanza di alimentazione alla rete di pubblica di distribuzione. 
 
2.3 Criteri generali di funzionamento, allacciamento e di sicurezza 
contenuti nella direttiva 
Il funzionamento in parallelo della rete pubblica di un generatore è subordinato a 
precise condizioni tra le quali in particolare si richiamano le seguenti: 
- il cliente produttore non deve causare disturbi alla tensione di alimentazione e alla 
continuità del servizio sulla rete Enel; in caso contrario si dovrà interrompere il 
collegamento di parallelo dell’impianto di produzione immediatamente ed 
automaticamente; 
- in caso di mancanza di tensione sulla rete Enel, l’impianto di produzione non deve 
alimentare la rete stessa. 
Gli impianti del cliente produttore devono rispondere alle Norme CEI. In particolare, 
relativamente all’impianto di produzione, devono essere previsti il dispositivo, la 
protezione di interfaccia ed i dispositivi di generatore conformi alla Norma CEI 11-
20. 
Lo schema di base del collegamento alla rete pubblica di un cliente produttore è 
illustrato in figura 2.1. 
Il collegamento fra il generatore e la rete pubblica può essere effettuato tramite un 
dispositivo di conversione statico. 
Capitolo 2 – Criteri per l’allacciamento degli impianti di produzione alla rete BT 
 13 
Tale dispositivo è senz’altro presente qualora la generazione avvenga in CC. 
In figura 2.1 è indicato un solo generatore ma ve ne possono essere diversi in 
parallelo (in tal caso ognuno sarà dotato del proprio dispositivo di generatore). 
Nella figura 2.1 sono riportati i vari organi di manovra previsti fra impianto di 
produzione e rete pubblica: 
• dispositivo generale: separa l’intero impianto del cliente dalla rete pubblica; 
• dispositivo di interfaccia, asservito alle protezioni di interfaccia: separa i gruppi di 
generazione dalla rete pubblica; 
• dispositivo di generatore: separa il singolo generatore dal resto dell’impianto del 
cliente. 
 
 
Figura 2.1 - Schema di base del collegamento di un impianto di produzione alla rete Enel. 
Capitolo 2 – Criteri per l’allacciamento degli impianti di produzione alla rete BT 
 14 
Tali organi di manovra possono essere diversamente accorpati fra di loro purché fra il 
punto di consegna della rete pubblica e singolo generatore sia sempre presente 
almeno 1 organo di interruzione automatico conforme alle prescrizioni presentate nel 
paragrafo 2.6.2. 
Il dispositivo e la protezione di interfaccia, inseriti tra il/i generatore/i e la rete Enel, a 
salvaguardia di quest'ultima, consentono ad Enel l'esercizio della rete BT come se 
fosse passiva. 
La protezione di interfaccia, agendo sul dispositivo di interfaccia, deve disconnettere 
gli impianti di produzione dalla rete pubblica nel caso di: 
• qualunque manovra automatica o manuale di interruttori Enel comprese le 
richiusure automatiche sulla rete MT; 
• alimentazione della rete pubblica solo da parte del cliente produttore dopo l'apertura 
di interruttori Enel (rischio di prolungare il tempo di eliminazione dei guasti e di 
avere valori di tensione o frequenza non a norma sulla rete pubblica). 
Il cliente produttore deve attendersi un certo numero di interruzioni del parallelo con 
la rete Enel; di conseguenza deve curare con particolare attenzione la suddivisione 
dei propri carichi tra quelli privilegiati e non privilegiati. La suddivisione dei carichi 
a monte ed a valle dell'interruttore di interfaccia è di competenza del produttore. 
In alcune situazioni di carico, il cliente produttore deve attendersi che le protezioni di 
interfaccia intervengano dopo la richiusura rapida dell'interruttore Enel sulla linea 
MT alimentante; è opportuno, pertanto, che questi metta in atto ulteriori accorgimenti 
destinati alla salvaguardia dei propri impianti. 
Inoltre, per quanto riguarda i periodi di disattivazione degli impianti di produzione e 
la conseguente unica possibilità di alimentazione delle utenze privilegiate attraverso 
la rete pubblica, il cliente produttore può escludere le protezioni di interfaccia. 
Tale esclusione è realizzata mediante un contatto chiuso con l'interruttore di 
generatore aperto, posto in parallelo al contatto di scatto delle protezioni di 
interfaccia. 
Se sono presenti più generatori, i contatti discordi di ogni interruttore di generatore 
devono essere tra loro in serie, in modo che l'esclusione della protezione di 
interfaccia avvenga solo con tutti i generatori disattivati. 
I gruppi di generazione possono essere di tipo monofase o trifase. 
Capitolo 2 – Criteri per l’allacciamento degli impianti di produzione alla rete BT 
 15 
Per gli allacciamenti monofase la massima taglia ammessa è 6 kW. 
Per allacciamenti di tipo trifase è ammesso collegare, fra le fasi ed il neutro, 
generatori monofase di potenza non uguale purché lo squilibrio complessivo 
(differenza fra la potenza installata sulla fase con più generazione e quella con meno 
generazione) non superi 6 kW. 
La scelta del livello di tensione cui allacciare un produttore dipende dalla potenza 
dell’impianto di produzione e da quella dei carichi passivi e di altri impianti di 
produzioni presenti sulla stessa rete. 
Generalmente gli impianti di produzione di potenza nominale complessiva ≤ 50 kW 
vengono allacciati alla rete di BT ed allacciati alla rete di MT se di potenza nominale 
complessiva superiore a 75 kW. 
L’allacciamento alla rete BT può avvenire su linea esistente, su linea dedicata o 
tramite cabina di trasformazione MT/BT dedicata. 
Si rimanda alla stessa DK 5940 per la documentazione che il produttore deve fornire 
ad Enel per consentire essa, previa verifica di fattibilità tecnica a cura di Enel stessa, 
di stabilire caso per caso le modalità di allacciamento del cliente produttore. 
Nel caso che siano presenti più clienti produttori sulla rete BT dovranno essere 
valutati gli effetti della totale produzione, secondo le indicazioni fornite in seguito. 
Non è consentita la messa in parallelo alla rete di distribuzione BT di generatori 
rotanti o dispositivi di conversione statici in grado di sostenere autonomamente la 
frequenza e la tensione di rete. 
I generatori rotanti che possono essere allacciati direttamente alle reti di distribuzione 
BT sono solo quelli che si comportano durante il funzionamento in parallelo come 
generatori asincroni. 
I generatori sincroni possono essere allacciati alla rete di BT solo tramite convertitori 
AC/AC che non siano in grado di sostenere autonomamente la frequenza e la tensione 
di rete. 
I generatori asincroni autoeccitati possono essere allacciati alla rete di BT a 
condizione che il complesso di eccitazione sia escluso quando funzionano in parallelo 
alla rete Enel (In tale caso, dal punto di vista della rete Enel, il generatore si comporta 
a tutti gli effetti come un generatore asincrono non autoeccitato).