Adaptive VSG-Based Coordinated Frequency Support Strategy for Grid-Following/Grid-Forming Hybrid Wind Farms

La moderna rete elettrica è un delicato equilibrio tra offerta e domanda, un sistema che per oltre un secolo si è affidato a massicce turbine rotanti in centrali a carbone e gas. Queste macchine pesanti agiscono come un naturale ammortizzatore; il loro peso e la loro inerzia mantengono la frequenza del sistema stabile anche quando il carico cambia improvvisamente. Mentre il mondo si sposta verso energie più pulite, i parchi eolici stanno sostituendo queste centrali tradizionali. Tuttavia, le turbine eoliche non ruotano con la stessa massa pesante. Esse si collegano alla rete tramite interruttori elettronici, il che significa che mancano di quel naturale cuscinetto fisico. Quando viene aggiunta una grande quantità di energia eolica senza abbastanza di questo "peso rotazionale", la rete diventa fragile. Se si verifica un disturbo improvviso, come lo spegnimento di una grande fabbrica o il guasto di un generatore, la frequenza del sistema può scendere troppo rapidamente, potenzialmente innescando blackout.

Per risolvere questo problema, gli ingegneri hanno sviluppato due modi diversi per far comportare le turbine eoliche in modo più simile ai generatori tradizionali. Un metodo, chiamato grid-following (seguimento della rete), prevede che la turbina ascolti la rete e adegui la propria produzione di conseguenza, molto più come un passeggero che segue un conducente. L'altro, il grid-forming (formazione della rete), permette alla turbina di agire come il conducente, impostando la propria tensione e frequenza per supportare la rete. Sebbene le turbine grid-forming siano potenti, possono essere instabili in determinate condizioni, e le turbine grid-following sono meno efficaci nel fornire un supporto immediato. La sfida risiede nel far lavorare insieme questi due diversi tipi di turbine in modo fluido, specialmente quando la velocità del vento cambia e la rete affronta uno shock improvviso.

Un team di ricercatori della Università Marittima di Shanghai e dell'Istituto di Ricerca sulle Attrezzature Elettriche di Shanghai ha proposto una nuova strategia per coordinare questi parchi eolici ibridi. Hanno riconosciuto che il modo standard di controllare queste turbine utilizza impostazioni fisse che non cambiano, indipendentemente da quanto sia grave un disturbo o da quanto supporto stiano fornendo le altre turbine. Questa rigidità può portare a una situazione in cui le turbine grid-following aspettano troppo a lungo prima di aiutare, o aiutano troppo quando non è necessario, sprecando energia e usurando le apparecchiature. I ricercatori hanno sviluppato un sistema in cui le turbine possono adattare il proprio comportamento in tempo reale, regolando la propria "rigidità" e lo "smorzamento" interno in base a ciò di cui la rete ha esattamente bisogno in quel momento.

Il cuore della loro soluzione prevede un metodo di controllo noto come generatore sincrono virtuale. Questo approccio basato su software inganna la turbina eolica facendole agire come se avesse la massa pesante e rotante di un generatore tradizionale, permettendole di resistere ai cambiamenti di frequenza. Nel nuovo design dei ricercatori, la forza di questa massa virtuale e la quantità di smorzamento che fornisce non sono numeri fissi. Invezione, cambiano dinamicamente a seconda di quanto velocemente la frequenza sta scendendo e di quanto sia scesa. Se la frequenza inizia a crollare rapidamente, il sistema aumenta istantaneamente la sua inerzia virtuale per rallentare la caduta. Man mano che il sistema inizia a recuperare, le impostazioni cambiano per aiutare la frequenza a tornare alla normalità senza superamenti eccessivi o oscillazioni selvagge. Questo approccio adattivo assicura che le turbine grid-forming forniscano la giusta quantità di supporto al momento giusto.

I ricercatori hanno anche affrontato un problema specifico di coordinamento tra i due tipi di turbine. Le turbine grid-following hanno solitamente una "banda morta" (deadband), un piccolo intervallo di fluttuazione della frequenza in cui non fanno nulla per evitare di reagre a ogni minimo sussulto. In un parco ibrido, se le turbine grid-forming stanno già fornendo un forte supporto, le turbine grid-following non dovrebbero intervenire inutilmente. Tuttavia, se le turbine grid-forming sono in difficoltà, le grid-following devono intervenire immediatamente. Il team ha creato una banda morta dinamica che cambia la propria ampiezza in base alle prestazioni in tempo reale delle unità grid-forming. Se le turbine grid-forming stanno facendo un buon lavoro, la banda morta si allarga, dicendo alle turbine grid-following di restare tranquille e risparmiare le loro riserve di energia. Se il supporto delle grid-forming si indebolisce, la banda morta si restringe, segnalando alle turbine grid-following di attivare immediatamente il proprio supporto. Ciò crea una relazione fluida e cooperativa in cui i due tipi di turbine agiscono come un'unica unità intelligente piuttosto che come due gruppi separati.

Per testare questa idea, i ricercatori hanno costruito una simulazione al computer dettagliata di un sistema elettrico contenente due generatori tradizionali e un parco eolico ibrido con quaranta turbine grid-following e venti turbine grid-forming. Hanno sottoposto questo sistema virtuale a improvvisi disturbi di carico sotto tre diverse velocità del vento: bassa, media e alta. In ogni scenario, hanno confrontato la loro nuova strategia adattiva con due metodi più vecchi: uno in cui le turbine utilizzavano impostazioni fisse e un altro in cui solo le turbine grid-forming si adattavano mentre le grid-following rimanevano statiche.

I risultati hanno mostrato un chiaro vantaggio per l'approccio adattivo. Quando si verificava un grande disturbo, il sistema che utilizzava la nuova strategia manteneva una frequenza minima più elevata, il che significa che la rete rimaneva molto più vicina al suo limite operativo sicuro. Nello scenario a bassa velocità del vento, la frequenza è scesa a 49,8641 Hz con il vecchio metodo fisso, ma la nuova strategia l'ha mantenuta a 49,8772 Hz. Nello scenario ad alta velocità del vento, il miglioramento è stato ancora più pronunciato, con la frequenza che è rimasta a 49,7326 Hz rispetto ai 49,7117 Hz del metodo fisso. Queste frequenze minime più elevate sono critiche perché riducono il rischio che il sistema attivi arresti di emergenza.

Oltre a mantenere la frequenza più alta, la nuova strategia ha migliorato il modo in cui le turbine condividono il carico di lavoro. Le simulazioni hanno mostrato che le turbine grid-forming hanno rilasciato più della loro energia cinetica immagazzinata quando necessario, e le turbine grid-following hanno attivato il loro supporto in modo più efficace. Fondamentalmente, la banda morta dinamica ha impedito alle turbine grid-following di attivarsi troppo spesso durante le fluttuazioni minori. I ricercatori hanno scoperto che questo ha ridotto il numero di volte in cui le turbine dovevano cambiare la loro produzione di potenza, il che è vitale per ridurre l'usura delle apparecchiature. Coordinando i due tipi di turbine in modo che reagiscano solo quando necessario e in proporzione al bisogno effettivo, il sistema ha raggiunto un migliore equilibrio tra il mantenimento della stabilità della rete e la preservazione della durata di vita del parco eolico.

Lo studio conclude che questa strategia di coordinamento adattivo offre un modo pratico per integrare alti livelli di energia eolica senza sacrificare la stabilità della rete. Consentendo all'inerzia virtuale e alle soglie di attivazione di cambiare in tempo reale, il parco eolico ibrido può rispondere ai disturbi con la stessa flessibilità e resilienza di una centrale elettrica tradizionale. Le simulazioni suggeriscono che questo metodo non solo evita che la frequenza scenda troppo in basso, ma assicura anche che i diversi componenti del parco eolico lavorino insieme in modo efficiente, fornendo una soluzione robusta per il futuro delle reti di energia rinnovabile.