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Cogenerazione: stabilizzazione della frequenza e della tensione in isola

Negli impianti di cogenerazione, a causa della lenta dinamica dei motori a gas, si possono verificare delle instabilità di frequenza e tensione, che portano al blocco dell’impianto, durante le seguenti condizioni:
A) Perdita della rete: in caso di cessione di energia in rete
B) Perdita della rete: in caso di assorbimento di energia dalla rete
C) Funzionamento in isola: in caso di elevate variazioni di carico

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Articoli tecnico scientifici o articoli contenenti case history
mcTER Milano 2012

Pubblicato
da Alessio Rampini




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1 Piller Italia Srl COGENERAZIONE STABILIZZAZIONE DELLA FREQUENZA E DELLA TENSIONE IN ISOLA PILLER PCD (Power Conditioning Device) TECNOLOGIA E APPLICAZIONI mcTER '' 28 giugno 2012 2 Piller Italia Srl Presentazione azienda Dal 1909 Piller produce
macchine elettriche con
particolare attenzione
a qualità e affidabilità.
Piller Power Systems GmbH
Osterode / Germania
appartiene al Gruppo inglese
Langley Holdings plc.
3 Piller Italia Srl Prodotti ' Gruppi rotanti di continuità - potenza UPS installata > 3.000 MVA - numero di installazioni > 5.000 - numero di macchine > 7.000 ' Gruppi statici di continuità ' Commutatori statici ' Sistemi di alimentazione aeroportuali a 400 Hz ' Convertitori di frequenza 50/60 Hz ' Sistemi di alimentazione per applicazioni militari 4 Piller Italia Srl Servizi Piller ' Studi di fattibilità ' Supporto tecnico ' Posa in opera ' Commissioning/training operatore ' Prove di funzionamento ' Manutenzione e riparazione ' Diagnosi e ricerca guasti ' Diagnostica e supporti remoti ' Noleggio UPS rotanti e Banchi di carico 5 Piller Italia Srl COGENERAZIONE PROBLEMA
Negli impianti di cogenerazione, a causa della lenta dinamica dei motori a gas, si possono
verificare delle instabilità di frequenza e tensione, che portano al blocco dell''impianto,
durante le seguenti condizioni:
A) Perdita della rete: in caso di cessione di energia in rete B) Perdita della rete: in caso di assorbimento di energia dalla rete C) Funzionamento in isola: in caso di elevate variazioni di carico SOLUZIONE
Il sistema Piller PCD (Power Conditioning Device) ha la funzione di stabilizzare la frequenza negli impianti di cogenerazione durante tali transitori. L''obiettivo si ottiene
tramite l''impiego di un gruppo rotante Piller UNIBLOCK UBT con accumulatore cinetico
POWERBRIDGE da 16MJ, in grado di compensare variazioni di potenza positive o
negative (ad es. esportazioni o importazioni di energia dalla rete o gradini di carico),
svolgendo la funzione di polmone elettrico VANTAGGI
- miglior qualità dell''energia elettrica ed eliminazione dei fermi impianto;
- cedere energia alla rete ottenendo introiti aggiuntivi;
- far funzionare la cogenerazione con i massimi rendimenti elettrici e termici; 6 Piller Italia Srl COGENERAZIONE CASO A) PERDITA DELLA RETE CON CESSIONE DI ENERGIA VERSO RETE 7 Piller Italia Srl Pcog = Pc + Ptr Carico Rete G COG (Pcog) (Ptr) V, f (Pc) V, f fissati dalla rete
COG regola P e Q
A) COG in parallelo rete con trasferimento potenza verso la rete COGENERAZIONE 8 Piller Italia Srl Carico Rete G COG (Pcog) (Ptr) Pcog = Pc + Ptr (') V f (') V f (Pc) A) COG in parallelo rete con trasferimento potenza verso la rete COGENERAZIONE 9 Piller Italia Srl Pcog Pc Ptr t (s) V f Rete Isola A) COG in parallelo rete con trasferimento potenza verso la rete COGENERAZIONE P (kW) 10 Piller Italia Srl Carico Rete G COG (Pcog) (Ptr) Pcog = Pc + Ptr V , f = OK V, f (Pc) Polmone Elettrico (PCD) M G M A) COG in parallelo rete con trasferimento potenza verso la rete COGENERAZIONE 11 Piller Italia Srl Pcog Pc Ptr t transitorio Energia accumulata dal PCD V f Rete Isola A) COG in parallelo rete con trasferimento potenza verso la rete COGENERAZIONE P (kW) 12 Piller Italia Srl COGENERAZIONE CASO B) PERDITA DELLA RETE CON ASSORBIMENTO DI ENERGIA DALLA RETE 13 Piller Italia Srl Carico Rete G COG (Pcog) (Ptr) Pc = Pcog + Ptr V, f (Pc) V, f fissati dalla rete
COG regola P e Q
COGENERAZIONE B) COG in parallelo rete con trasferimento potenza dalla rete 14 Piller Italia Srl Carico Rete G COG (Pcog) (Ptr = 0) Pc > Pcog V f (') V f (Pc) B) COG in parallelo rete con trasferimento potenza dalla rete COGENERAZIONE 15 Piller Italia Srl Pcog Pc2 Ptr t (s) V f Rete Isola B) COG in parallelo rete con trasferimento potenza dalla rete Stacco carichi Pc1 transitorio COGENERAZIONE P (kW) 16 Piller Italia Srl Carico Rete G COG (Pcog) (Ptr) Pc = Pcog + Ptr V , f = OK V, f (Pc) Polmone Elettrico (PCD) M G M B) COG in parallelo rete con trasferimento potenza dalla rete COGENERAZIONE 17 Piller Italia Srl Pcog Pc Ptr t (s) V f Rete Isola B) COG in parallelo rete con trasferimento potenza dalla rete Stacco carichi Pc Energia ceduta dal PCD transitorio COGENERAZIONE P (kW) 18 Piller Italia Srl COGENERAZIONE CASO C) FUNZIONAMENTO IN ISOLA CON ELEVATE VARIAZIONI DEL CARICO 19 Piller Italia Srl Carico G COG (Pcog) (Ptr) Pc = Pcog ± Ptr V , f = OK V, f (Pc) Polmone Elettrico (PCD) M G M C) COG in ISOLA con elevate variazioni di carico COGENERAZIONE 20 Piller Italia Srl Pcog Pc3 t (s) V f Isola Pc2 Pc1 Energia in/out dal PCD Pcog C) COG in ISOLA con elevate variazioni di carico COGENERAZIONE P (kW) 21 Piller Italia Srl COGENERAZIONE LA SOLUZIONE: UNIBLOCK UBT POWER CONDITIONING DEVICE 22 Piller Italia Srl UNIBLOCK T: funzione PCD Bypass automatico come ridondanza in caso di emergenza UNIBLOCK è collegato in derivazione alla linea del carico. La bobina disaccoppia il carico dalla rete. Raddrizzatore/inverter POWERBRIDGE eroga o assorbe energia M G Utenze Rete z z z z Rendimento: 0,96 MTBF: 1.300.000 h Schema di principio G = '' '' = UNIBLOCK POWERBRIDGE 23 Piller Italia Srl UNIBLOCK M/G Cuore del Sistema Cosa è UNIBLOCK: Macchina Sincrona Trifase con doppio avvolgimento statorico 24 Piller Italia Srl Unica macchina elettrica estremamente affidabile comprendente motore e generatore Generatore Motore Raddrizzatore rotante Avvolgimento ''generatore'' Avvolgimento ''motore'' Motore di lancio Eccitatrice Ventola Tecnologia standard fino agli anni ''80 Macchina compatta mono-rotore
progettata da Piller nell ''anno 1981 UNIBLOCK: l''evoluzione costruttiva 25 Piller Italia Srl Ventola Motore di lancio Eccitazione senza spazzole Avvolgimenti ''motore' e ''generatore' in unico statore Rotore unico con gabbia di smorzamento Disposizione verticale per bassa sollecitazione del cuscinetto Sede del cuscinetto reggispinta Cuscinetto di lavoro UNIBLOCK M/G 26 Piller Italia Srl Magnete di trazione Cuscinetto superiore Cuscinetto superiore di guida Raddrizzatore a diodi rotanti Avvolgimento eccitatrice Macchina sincrona principale Volano Cuscinetto inferiore Cuscinetto inferiore di sicurezza POWERBRIDGE: la composizione 27 Piller Italia Srl 0 20 40 60 80 100 120 140 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 UPS power /kVA Bridgi ng tim e /s Tempo di scarica del POWERBRIDGE da 16.5 MJ rispetto al carico applicato Potenza CC Tempo massimo di scarica a 3600 rpm 400V 50Hz 480V 60Hz (kW) (s) 133 122 330 kVA 292 57 420 kVA 373 45 500 kVA 444 38 625 kVA 548 31 750 kVA 658 25 800 kVA 688 24 1000 kVA 860 19 1100 kVA 946 17 1300 kVA 1118 15 1670 kVA 1404 12 Carico UNIBLOCK T: autonomia con POWERBRIDGE 28 Piller Italia Srl UNIBLOCK T: quadro elettrico Powerbridge Macchina Uniblock Convertitore di frequenza Interruttori Rete, uscita e bypass Pannello comandi 29 Piller Italia Srl UNIBLOCK T ''Raffreddamento ad Acqua' L''UNIBLOCK con sistema
di raffreddamento ad
acqua è connesso al
circuito di acqua
refrigerata del palazzo o
stabilimento. Scambiatore Aria/acqua
Flusso aria da 2500 fino a
10800m³/h
Flusso acqua da 3.8 fino a
2x9.5m³/h Temperatura aria scambiatore calore:
Max Ingresso 65°C / Max Uscita 35°C 30 Piller Italia Srl DIMENSIONAMENTO Dati necessari al dimensionamento del PCD: - Dimensionamento volano PB in base all''energia da accumulare o cedere durante il transitorio - Dimensionamento del M/G in base alla potenza da assorbire o erogare durante il transitorio - Comportamento dinamico della COG: kW/s erogabili dalla COG - Massima potenza trasferibile in rete durante il transitorio rete '' isola (o massima variazione del carico) 31 Piller Italia Srl Pcog Pc Ptr t (s) Energia accumulata dal PCD kW Ptr (kW) Uniblock MJ = Ptr(kw)2 (2 x kW/s cog x 1000) Powerbridge DIMENSIONAMENTO 32 Piller Italia Srl COGENERAZIONE CASE STUDY AMD - Dresda Centro di ricerca - Italia 33 Piller Italia Srl 1) AMD: industria produzione di semiconduttori ¾ Processo: produzione microprocessori ¾ Applicazione: stabilità della frequenza e della tensione di stabilimento con la presenza della cogenerazione ¾ Problema: trasferimento dei disturbi dalla rete ai carichi critici;
instabilità di frequenza e tensione dei motori a gas
durante il transitorio rete-isola e l''esercizio in isola ¾ Soluzione : 3 x UBT 1670 kVA con Accumulatore PowerBridge CASE STUDY 34 Piller Italia Srl CASE STUDY 35 Piller Italia Srl ' L''accoppiamento diretto con la rete, trasferisce tutti i disturbi ai carichi critici ' Stabilizzazione della rete durante l''esercizio in isola dell''impianto cogenerazione, a causa dell''instabilità dei motori a gas ' PILLER POWER SYSTEM con reattanza di disaccoppiamento ' PILLER POWER SYSTEM stabilizza la frequenza e la tensione durante il funzionamento in isola 20kV Premium
Power 20 kV PILLER UNIBLOCK-T PCD Diagramma a blocchi Soluzione Problema Reattanza di disaccoppiamento CHIP PLANT Motori a Gas - CHP G Rete G G M Esigenze del Cliente:
' Stabilità tensione: ± 8% (senza micro-interruzioni) ' Stabilità frequenza: ± 1% POWERBRIDGE Inverter UNIBLOCK (PCD: Polmone elettrico) COG: 25 MW CARICO: 20 MW CASE STUDY 3 x UBT 1670 MV 36 Piller Italia Srl 2) Centro di ricerca internazionale - Italia ¾ Processo: studio della luce ¾ Applicazione: stabilità della frequenza e della tensione con la presenza di una trigenerazione ¾ Problema: trasferimento dei disturbi dalla rete ai carichi critici;
instabilità di frequenza e tensione dei motori a gas
durante il transitorio rete-isola e l''esercizio in isola ¾ Soluzione : 1 x UBT 1100 kVA con Accumulatore PowerBridge CASE STUDY 37 Piller Italia Srl Carico: 1000 kW
Motori a gas: 3 x 580 kW Impianto elettrico della trigenerazione Carico UBT PCD Motori a gas CASE STUDY Rete 38 Piller Italia Srl Installazione CASE STUDY 39 Piller Italia Srl CASE STUDY 40 Piller Italia Srl CASE STUDY 41 Piller Italia Srl CASE STUDY 42 Piller Italia Srl CASE STUDY 43 Piller Italia Srl Prove in campo
Evento: mancanza rete 2xCOG (50%): 580kW Carico: 310kW Export: 270kW Impianto Hz PB Hz CASE STUDY 44 Piller Italia Srl Prove in campo
Evento: mancanza rete 3xCOG (75%): 1305kW Carico: 600kW Export: 705kW Impianto Hz PB Hz CASE STUDY 45 Piller Italia Srl Grazie per la Vostra attenzione Piller Power Systems Piller Italia Srl V.le Colleoni 25 -20864 Agrate Brianza (MB) Tel. 039 689 2735; Fax. 039 689 9594 Sito: www.piller.com; E-mail: italia@piller.com


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