Rst 41 2014 Etapa I [626696]

PROGRAM PNII – PARTENERIATE

1

COD PROIECT: PN-II-PT-PCCA -2013 -4-1743
NR. CONTRACT FINANȚARE : 41/2014
TITLU PROIECT : Turbin ă eoliană hibridă cu ax vertical

RAPORT ȘTIINȚIFIC ȘI TEHNIC
(RST)

ETAPA DE EXECU ȚIE NR. I/2014
TITLU ETAPĂ: Analiz ă de solu ții constructive fezabile
de componente pentru TEH cu ax vertical

2

CUPRINS

1. OBIECTIVUL GENERAL AL PROIECTULUI ………………………….. ………………………….. ………. 3
2. OBIECTIVELE ETAPEI DE EXECUȚIE ………………………….. ………………………….. ……………….. 3
3. REZUMATUL ETAPEI DE EXECUȚIE ………………………….. ………………………….. …………………. 3
4. DESCRIEREA ȘTIINȚIFICĂ ȘI TEHNICĂ ………………………….. ………………………….. …………… 4
5. REZULTATE OBȚINUTE ÎN CADRUL ETAPEI CURENTE ………………………….. …………… 18
6. CONCLUZII ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 19
7. BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 19

3
1. OBIECTIV UL GENERAL AL PROIECTULUI
Obiectiv ul general al proiectului HYWINDT const ă în studiul, proiectarea , realizarea
experimentală și monitorizarea unui model funcțional de Generator Eolian Hibrid (GEH) echipat cu
sistem de gestiun e a energiei electrice și termice, destinat Turbinelor Eoliene Hibride (TEH) cu ax
vertical . Puterea totală utilă anvizajată a sistemului de conversie (putere electrică și termică) este de
3 kW.
2. OBIECTIVELE ETAPEI DE EXECUȚIE
Obiectivele specifice Etapei I de execuție a proiectului HYWINDT sunt următoarele :
– studii privind soluțiile constructive fezabile de componente pentru sisteme eoliene hibride cu ax
vertical (rotoare, generatoare electrice, generatoare hibride, structuri de conversie energetică și
comand ă, structuri de convertoare electronice etc.) ;
– elaborarea documentației necesare în vederea protecției proprietății intelectuale asupra elementelor
inovatoare și depunerea acesteia la OSIM ;
– studii privind alegerea variantei constructive a generator ului eolian hibrid ;
– diseminarea rezultatelor de cercetare .
3. REZUMATUL ETAPEI DE EXECUȚIE
Prima fază de execuție a proiectului HYWINDT a vizat analiza de soluții constructive fezabile
de componente pentru TEH cu ax vertical, pregătirea documentației pentru brevetarea conceptelor
inovative, respectiv analize privind alegerea variantei constructive a GEH .
Activitatea I.1. Analiză de soluții constructive fezabile de componente pentru TEH cu ax
vertical . Cercetările efectuate au avut ca obiectiv analiza de solu ții constructive de componente ce
pot fi utilizate pentru TEH cu ax vertical. S -au identificat mai multe soluții constructive posibile de
turbine cu ax vertical, diferite tipuri inovatoare de generatoare eoliene hibride (s -au identificat 3
soluții construc tive pentru care s -au depus 3 cereri de brevet de invenție la OSIM), diferite topologii
de convertoare electronice pentru sisteme eoliene cu conectare la rețea sau pentru sisteme eoliene
utilizate pentru stocarea energiei , etc.
Activitatea I.2. Elaborarea documentației necesare în vederea protecției intelectuale a
elementelor și conceptelor brevetabile . O atenție particulară a fost acordată elaborării documentației
necesare protecției proprietății intelectuale asupra elementelor inovative. În urma activită ții de
cercetare efectuate au re zultat 3 cereri de brevet de inveție depuse la OSIM pe data de 10.11.2014.
Cercetările efectuate s -au concretizat de asemenea prin elaborarea unei lucrări științifice trimis ă în
formă preliminară , spre publicare , la conferin ța internațională Conference on Power Electronics
and Applications, EPE’15 -ECCE Europe, Geneva, Switzerland , care se va desfășura în perioada
8-10 Sept. 2015 .
Activitatea I. 3. Analize privind alegerea variantei constructive de GEH . Ultima ac tivitate
executată în cadrul primei etape a proiectului HYWINDT este reprezentată de studii în vederea
alegerii variantei constructive a GEH. În urma analizei efectuate asupra celor 3 soluții constructive
de GEH propuse , s-a indentificat soluția optimă ce răspunde cel mai bine unui număr de criterii
impuse precum : fiabilitate, simplitate constructiv ă, costuri minime, robustețe.

4
4. DESCRIEREA ȘTIINȚIFICĂ ȘI TEHNICĂ
4.1. Introducere
Între sistemele de exploatare și conversie în electricitate a surselor regenerabile de energie un
loc important este ocupat de sistemele eoliene. Acestea permit conversia energiei cinetice a maselor
de aer în mișcare (uzual) în energie electrică.
În compara ție cu sisteme le fotovoltaice , principalul competitor pe piața sistemelor de produc ere
de energie electrică din surse regenerabile, sistemele eoliene au avantajul unei factor de încărcare
mai mare care poate ajunge în regiunile cu bun potenț ial energo -eolian la 35 % pe câ nd cele
fotovoltaice în general nu depă șesc 15 % în România . Sistem ele fotovoltaice, în special cele fixe,
fără sistem de urmărire a discului solar, sunt mai fiabile decât cele eoliene, mai predictibile (de ex.
noaptea radiația solară este practic nulă) și mai puțin fluctuante. În cazul sistemelor fotovoltaice o
reducere de două ori a intensității radiației solare determină o reducere aproximativ proporțională a
puterii electrice produse pe când o reducere a vitezei vântului de două ori determină o reducere de
circa 8 ori a energiei produse de turbinele eoliene. În plus, energia produsă de centralele
fotovoltaice nu depinde foarte mult de locul de amplasare a acestora pe teritoriul României, pe când
locația de instalare a unui parc eolian poate avea o influență majoră asupra cantității de energie
anuale furnizate (și deci asupra rentabilității investiției) întrucât există diferențe majore în ceea ce
privește potențialul energo -eolian între diferite regiuni ale țării noastre.
Sistemele eoliene au avantajul unui spațiu ocupat la sol mult mai restrâns în comparație cu cele
fotovoltaice. Terenul pe care sunt amplasate turbinele eoliene poate fi utilizat fără probleme în scop
agricol, pe când cel ocupat de panourile fotovoltaice este aproape inutilizabil.
Din punct de vedere al mediului , turbinele eoliene pot crea probleme anu mitor specii de păsări
migratoare, pe când cele fotovoltaice nu ridică probleme de această natură.
Datorit ă produc ției de mas ă prețul sistemelor fotovoltaice per kW instalat a scăzut foarte mult în
ultimii ani , fiind în momentul de fa ță comparabil cu cel a l sistemelor eoliene. Scăderea pre țului
panourilor fotovoltaice în ultimii 6 ani este de-a dreptul impresionantă , prețul per kW scăzând de
circa 6 ori, până la circa 500 Euro/ kW [1]. Evident la costul panourilor fotovoltaice trebuie
adăugate și alte costur i specifice sistemelor fotovoltaice (invertor, conectori, cabluri, protecții,
instalare etc.).
Pentru păstrarea competitivității sistemelor de conversie eoliană se depun eforturi considerabile
în ceea ce privește : reduce rea costurilor, cre șterea randament ului conversiei, a fiabilității, etc.
4.2. Sisteme eoliene cu ax vertical
Turbinele eoliene de mică și medie putere se construiesc frecvent în două variante constructive
principale : cu ax orizontal, respectiv cu ax vertical.
Turbinele cu ax orizontal sunt mai utilizate prezentând numeroase avantaje precum : eficiență
energetică ridicată, permite accesul la vânturi puternice atunci când turnul de susținere este înalt,
control turbinei este mai simplu etc. În plus coeficientul de putere C p este în general mai rid icat la
turbinele cu ax orizontal decât la cele cu ax vertical.
Turbinele cu ax vertical sunt mai eficiente în mediul urban, respectiv sub acțiunea vânturilor
turbulente . Aceste turbine prezint ă în plus avantaje în ceea ce privește costurile de mentenanță,
întrucât generatorul electric și partea electronică se află aproape de sol și sunt mai ușor de întreținut.

5
De asemenea acest tip de turbină ar putea fi mai ușor integrat în peisajul ambiant fără a deranja
foarte mult din punct de vedere vizual, aspect deo sebit de important , în special în vecinătatea
cartierelor rezidențiale. În plus turbinele eoliene cu ax vertical nu necesită sistem de orientare după
direcția vântului ca în cazul celor cu ax orizontal de puteri medii și mari (cele de puteri mici sunt de
regulă echipate cu sistem pasiv de orientare).
Pe de altă parte solicitările mecanice fiind practic diferite pe palele rotorului, partea mecanică a
turbinei cu ax vertical trebuie proiectată și executată cu grijă, pentru a putea face față eforturilor și
vibrațiilor specifice ce pot afecta durata de viață a sistemului.
Turbinele eoliene clasice cu ax vertical se compun din 3 elemente constructive principale :
rotorul turbinei , turnul de susținere și nacela care adăpostește componentele cheie ale sistemului
eolian (o parte a axului turbinei, multiplicatorul de turație dacă e cazul, generatorul electric,
sistemul electronic de comandă și control, etc.). În cazul turbinelor cu ax vertical nacela este situată
de regulă la baza sistemului eolian. Anumite turbine eoline cu ax vertical sunt ancorate suplimentar
pentru a rezista la furtuni sau v ânturi puternice.
4.2.1. Rotoare pentru turbine cu ax vertical
Cele mai utilizate tipuri constructive de rotoare eoliene cu ax vertical sunt cele în construcție
Savonius, res pectiv Darrieus (normală, în formă de H sau elicoidale ), Fig. 1 .
Principiul de funcționare al unui sistem eolian presupune în mod uzual conversia în prima etapă
a energiei cinetice a vântului în energie mecanică de rotație , urmată de conversia acesteia în
energie electrică cu adaptarea parametrilor specifici la c erințele impuse . Sistemul poate fi conectat
la o rețea locală de consumatori, la sistemul electroenergetic național, la un sistem de baterii ce
trebuie încărcate etc. Sistemele eoliene pot funcționa la viteză variabilă sau la viteză constantă
reglată electronic.

a)

6
b)

c)
Fig. 1. Exemple de soluții constructive de turbine eoli ene cu ax vertical ; a) Turbine Savonius;
b) Turbine Darrieus; c) Turbine Darrieus tip H și tip elicoidal.

4.2.2. Generatoare electrice pentru turbine cu ax vertical
Generatoarele electrice uzuale folosite în sistemele eoliene sunt : de tip sincron cu excitație
electromagnetică (Wound Rotor Synchronous Generator – WRSG) sau cu magneți permanenți
(Permanent Magnet Synchronous Generator – PMSG) , respectiv de tip asincron cu rotor în
scurtcircuit (Squirrel Cage Ind uction Generator – SCIG) sau cu rotor bobinat (Wound Rotor
Induction Generator) . Generatoarele asincrone cu rotor bobinat pot fi cu rezistență rotorică
variabilă controlată sau cu dublă alimentare (Doubly Fed Induction Generator – DFIG) .
Sistemele eolien e de mică putere sunt echipate de regulă cu PMSG sau cu SCIG . PMS G au
avantajul unui randament superior în raport cu cele asincrone și pot funcționa la un factor de putere
mai ridicat, însă SCIG sunt mai fiabile și mai ieftine.
SCIG pot funcționa conectate direct la rețea prin intermediul unui soft -starter în cazul
sistemelor eoliene cu viteză constantă sau conectate la rețea prin intermediul unui convertor
electronic de tip redresor – invertor în cazul sistemelor eoliene cu viteză variabilă .
Generatoarele sincrone integrate în sistemele eoliene sunt în general cuplate la rețea prin
intermediul unor convertoare electronice de tip redresor – invertor .
Sistemele eoliene funcționează și în regim izolat, neracordate la sistemul electroenergetic
național. Deoar ece viteza vântului este puternic fluctuantă, stabilitatea rețelei locale în ceea ce
privește tensiunea și frecvența este asigurată de regulă prin alte mijloace precum : sisteme hidro,
grupuri electrogene, turbine cu gaz, baterii, pile de combustie, biomasă , etc.
4.2.3. Structuri de conversie energetic ă pentru turbine cu ax vertical
În Fig. 2 de mai jos sunt prezentate exemple de soluții fezabile de structuri de conversie a
energiei eoliene în electricitate , utilizând turbine cu ax vertical , echipate cu dif erite tipuri de
generatoare electrice [2].

7

a)

b) Multiplicator
de turație Turbină
eoliană
GAs
3~ Generator
asincron cu
rotor în
scurtcircuit
Soft starter Transformator
Rețea
Baterie de
condensatoare
Multiplicator
de turație Turbină
eoliană
Generator
asincron cu
rotor bobinat GAs
3~
Soft starter Transformator
Rețea
Baterie de
condensatoare

8

c)

d) Multiplicator
de turație Turbină
eoliană
Generator
asincron cu
rotor bobinat GAs
3~
Convertor
electronic Transformator
Rețea
Multiplicator
de turație Turbină
eoliană
Generator
sincron cu
magneți
permanenți Gs
3~
Transformator
Rețea Convertor
electronic

9

e)

Fig. 2. Sisteme eoliene cu ax vertical . Soluții tehnice posibile ; a) sistem eolian echipat cu generator asin cron cu rotor în
scurt -circuit, multiplicator de tura ție și soft -starter; b) sistem eolian echipat cu generator asincron cu rotor bobinat și
rezistență variabilă, multiplicator de tura ție și soft -starter; c) sistem eolian echipat cu generator asincron cu d ublă
alimentare și multiplicator de tura ție; d) sistem eolian echipat cu generator sincron cu magneți permanenți, cu sau fără
multiplicator de tura ție; e) sistem eolian echipat cu generator sincron cu magneți permanenți, f ără multiplicator de
turație, cu s istem de încărcare de baterii .

Topologia convertoarelor electronice utilizate în cadrul sistemelor de conversie eoliană depind e
în primul rând de destinația acestora. Astfel distingem două tipuri principale de convertoare
electronice pentru sisteme eolien e și anume : convertoare electronice pentru sisteme eoliene
conectate la re țea, respectiv convertoare electronice pentru stocarea energiei (ex. baterii,
supercondensatoare) .
Ținând cont de faptul că generatoarele electrice utilizate în construcția sistemel or eoliene sunt
de curent alternativ, convertoarele electronice pentru sisteme le eoliene conectate la rețea presupun
o conversie de tip ac – dc – ac incluzând de regulă un redresor de putere , un convertor dc – dc
ridicător (boost converte r) și un invertor de putere pentru sincronizare cu re țeaua . Deoarece în
multe cazuri sistemele eoliene injectează putere electrică în rețeaua de medie tensiune, între invertor
și rețea se interpune în mod uzual un transformator ridicător ce crește tensiunea invertorului pân ă la
valoarea impusă de rețea. Pentru furnizarea energiei reactive se utilizează deseori o baterie de
condensatoare, iar pentru a asigura calitatea energiei injectate în rețea se folosesc sisteme de filtrare.
Sistemele eoliene utilizate pentru stocarea en ergiei utilizează convertoare electronice de tip ac –
dc incluzând de regulă un redresor de putere , un convertor dc – dc (boost converte r) și un controler
de stocare a energiei .
În cazul sistemelor eoliene de mare putere echipate cu PMSG , cea mai utilizată soluție de
convertor electronic are la bază două convertoare de tensiune cu două niveluri (2L) într -o
configurație back -to-back [3]. La puteri mai mici sunt posibil e și alte so luții, cum ar fi o punte cu
diode conectată în cascadă cu un convertor dc -dc ri dicător ( boost converte r). Pentru aplicații de
puteri mai mari, utilizarea convertoarelor cu mai multe niveluri de tensiune prezintă, în ultimii ani,
un interes din ce în ce mai mare [ 4]. Turbină
eoliană
Generator
sincron cu
magneți
permanenți Gs
3~
Magneți
permanenți Convertor
electronic
Baterie de
acumulatori

10

A. Soluții de convertoare de putere 2L unidirecționale .
O tendință evidentă în ultimii ani presupune utilizare a convertoarelor de putere dimensionate
pentru puterea nominală PMSG . Aceste generatoare nu necesită putere reactivă, iar puterea activă
circulă unidirecțional prin convertorul de putere dinspre PMSG spre rețea. Ca urmare, un simplu
redresor cu diode poate fi conectat pe partea cu generatorul sincron pentru a obține o soluție
eficientă din punctul de vedere al costurilor. Totuși, chiar și redresoarele cu diode cu 12 sau mai
multe pulsuri introduc armonici de frecvenț e joase, care pot induce fenomene de rezonanță la
nivelul axului. Un alt dezavantaj este reprezentat de reducerea puterii utile a PMSG, ca urmare a
creșterii pierderilor datorită prezenței armonicilor. Redresorul de putere poate fi necomandat
(Fig. 3) sau semicomandat.

Filtru Filtru

Fig. 3. Convertor 2L unidirecțional – sursă de tensiune pentru PMSG.

Pentru a permite funcționarea la viteză variabilă și tensiune continuă constantă se introduce un
convertor dc-dc boost (Fig. 3). În cazul utilizării DFIG , tensiunea continuă poate fi reglată prin
excitația rotorului. Se menționează că pentru nivel uri de putere de ordinul MW, convertorul dc -dc
se poate realiza prin conectarea în paralel a mai multor celule elementare de comutație de tip N.
Această conexiune utilizează unul sau mai multe inductoare cuplate magnetic și permite creșterea
frecvenței aparente de comutație, fapt care conduce la reducerea valorii, a volumului și a prețului de
cost pentru inductanța serie. O altă variantă constă în utilizarea unei soluții de conversie dc -dc boost
cu trei niveluri de tensiune. Specific soluției cu DFIG este puterea convertorului electronic redusă la
aproximativ 30% din puterea nominală a generatorului. În cazul utilizării PMSG, convertorul sta tic
de putere se dimensionează pentru puterea nominală a generatorului.
În Fig. 4 se prezintă utilizarea a două conv ertoare – surse de curent într -o configurație back -to-
back [5]. Avantajul acestei soluții constă în e xploatarea inductanțelor cablurilor lun gi folosite în
parcurile eoliene atunci când distribuția se face în curent continuu.
Folosirea invertoarelor – surse de tensiune pe partea rețelei sunt soluții adoptate în cazul când
stocarea este capacitivă (Fig. 3). În cazul unei stocări inductive se re comandă pe partea rețelei
utilizarea unor invertoare – surse de curent (Fig. 4).

B. Convertoare de putere cu două niveluri de tensiune
Convertorul sursă de tensiune (VSC – Voltage Source Converter) cu două niveluri de tensiune
(2L) comandat pe principiul mod ulației pulsurilor în lățime (Pulse Width Modulation – PWM ) este
cea mai utilizată topologie în sistemele eoliene. În domeniul conversiei 2L există atât cunoștințe
teoretice, cât și tehnologie pentru implementare. Soluția 2L -PWM -VSC se utilizează ca interf ață
între generator și rețea în configurație back -to-back (Fig. 5), iar pe partea cu rețeaua se conectează
un transformator.

11

Filtru Filtru
Fig. 4. Convertor unidirecțional – sursă de curent pentru PMSG .

Un avantaj tehnic al soluției 2L -VSC c onstă în simplitatea structurii și a numărului redus de
dispozitive, ceea ce îi conferă robustețe și fiabilitate. Totusi, domeniul puterilor și a tensiunilor
turbinelor eoliene este în creștere, iar structura 2L -VSC poate prezenta pierderi mari în comutați e și
eficiență redusă la puteri de ordinul MW și tensiuni medii (Medium Voltage – MV). De asemenea,
dispozitivele semiconductoare de putere necesită o conectare în paralel sau o conectare în serie
pentru a obține puterea și tensiunea turbinei eoliene, ceea ce ar conduce la reducerea robusteții și a
fiabilității convertorului de putere.

Filtru Filtru

Fig. 5. Convertor 2L -PWM -VSC back -to-back pentru PMSG.

O altă problemă a soluției 2L -VSC constă în obținerea la ieșire a unei tensiuni cu numai două
niveluri. Aceasta conduce la solicitări d v/dt mari atât în generator, cât și în transformator. Pentru a
limita gradientul de tensiune și a reduce factorul total de distorsiuni armonice ( Total Harmonic
Distortion – THD ), filtrele de ieșire sunt mari, v oluminoase și scumpe.
Structura 2L -VSC este recomandată pentru turbinele eoliene echipate cu DFIG însă ea este
utiliz ată și pentru turbinele eoliene echipate cu SCIG .

C. Convertoare de putere multinivel
Puterea turbinelor eoliene este în continuă creștere. Pe măsură ce puterea crește s oluția clasică
2L-VSC este din ce în ce mai dificil de utilizat cu dispozitivele semiconductoare de putere
disponibile pe piață pentru a obține performanțe acceptabile. Structurile de conversie multinivel
prezintă mai multe nive luri de tensiune la ieșire, amplitudine mare a tensiunii și putere mare de
ieșire. În ultimii ani, acestea au devenit cele mai interesante soluții pentru sistemele eoliene [ 6].
În general, convertoarele multinivel pot fi clasificate în patru categorii [ 7]: structura cu punct
neutru fixat (NPC – Neutral -Point -Clamped), structura cu condensatoare intermediare (Flying –
Capacitor – FC), structura cu inductoare cuplate magnetic (Coupled -Inductor – CI) și structura în
cascadă.
Structura NPC cu trei niveluri de ten siune (3L) este una dintre cele mai comercializate
convertoare de pe piață. Similar cu topologia 2L -PWM -VSC și convertorul de putere 3L -NPC este
configurat back -to-back (Fig. 6) în cazul PMSG . Acesta realizează un nivel suplimentar de tensiune
și solicităr i dv/dt mai mici decât topologia 2L. Ca urmare, filtrele sunt mai mici. Prin utilizarea unor
întreruptoare statice de putere cu aceeași capabilitate în tensiune, convertorul 3L -NPC este capabil

12
să dubleze amplitudinea tensiunii la ieșire în comparație cu s tructura clasică 2L. Totuși, cercetări
recente au arătat că pierderile totale în dispozitivele semiconductoare de putere sunt repartizate
neuniform între întreruptoarele exterioare și cele interioare [ 8]. Acest dezavantaj conduce la
reducerea puterii maxim e de ieșire și/sau la reducerea frecvenței maxime de comutație.

Filtru Filtru

Fig. 6. Convertor 3L-NPC -VSC back -to-back pentru PMSG.

Pentru a compensa acest dezavantaj și deci, pentru o mai bună uniformizarea a pierderilor totale
în întreru ptoare , au fost introduse noi grade de libertate sub forma unor dispozitive semiconductoare
de putere active (3L -Active NPC -VSC) , Fig. 7. Datorită acestora a fost posibilă dezvolt area unei
noi strategii de comandă PWM cu stări de comutație redundante [ 9], care a condus la o frecvență
aparentă de comutație de două ori mai mare decât frecvența de comutație și la o echilibrare mai
bună a pierderilor totale în dispozitivele semiconductoare de putere. Odată cu creșterea frecvenței
aparente de comutație s -a optimizat și dimensionarea filtrelor.

Filtru Filtru

Fig. 7. Convertor 3L-ANPC -VSC back -to-back pentru PMSG.

Convertorul 3L -FC este o topologie cu trei niveluri de tensiune care se bazează pe existența unor
surse de tensiune continuă intermed iare [ 7]. Aceste surse sunt materializate în practică sub forma
unor condensatoare, denumite și condensatoare intermediare sau flotante (Flying Capacitor – FC).
Topologia poate fi generalizată pentru N niveluri de tensiune prin conectarea în serie a ( N-1) celule
de comutație ( N
3). Sursele intermediare se conectează între celulele de comutație. Pe măsură ce
numărul celulelor înseriate crește, solicitările d v/dt sunt din ce în ce mai reduse și frecvența aparentă
de comutație crește. Pri n condensatoarele intermediare circulă curentul de sarcină, un aspect
important în dimensionarea lor. Tensiunea la bornele FC este o fracțiune din tensiunea de
alimentare, fapt care conduce la reducerea atât a energiei stocate, cât și a tensiunii comutate de
dispozitivele semiconductoare de putere.
Asemănător cu celelalte structuri multinivel și acest convertor este configurat back -to-back
(Fig. 8) în cazul PMSG . Echilibrarea tensiunilor la bornele surselor intermediare se face prin
intermedi ul comenzii și cu ajutorul unor filtre suplimentare, acordate pe frecvența de comutație.

13
Pentru o mai bună dimensionare a FC se preferă comenzile PWM cu funcționare discontinuă
(DPWM – Discontinuous PWM), cu discontinuități de câte 60° electrice.

Filtru Filtru

Fig. 8. Convertor 3L -FC-VSC back -to-back pentru PMSG.

Acest concept multinivel a fost îmbunătățit prin suprapunerea a două etaje FC, noul concept fiind
denumit Stacked -Flying -Capacitors (SFC). Convertorul SFC permite reducerea tensiunii la bornele
FC, reducând astfel atât energia stocată în FC, cât și volumul acestora. În funcție de conceptele
multinivel care au participat la obținerea SFC, există mai multe tehnologii de realizare, fiecare cu
avantajele și dezavantajele ei. Una dintre ac estea are la bază utilizarea principiului NPC și a
conceptului de conversie unidirecțional Vienna Rectifier , fiind prezentată pentru prima dată pentru
cazul bidirecțional generalizat cu N niveluri de tensiune ( N
3) în [ 10].
Recent, st ructura redresorului unidirecțional Vienna cu trei niveluri de tensiune (3L) a fost
propusă pentru conectarea pe partea PMSG [11] -[12], fiind o soluție de conversie mai eficientă și
mai ieftină decât convertorul 2L -PWM -VSC.
Redresorul PWM trifazat 3L -Vienna conține câte un singur întreruptor static de putere activ pe
fiecare fază, fiind este cea mai populară structură ac -dc unidirecțională. Fiecare braț este compus
din două etaje în cascadă, care comută același curent de linie, dar la frecvențe diferite.
Pe baza analizei efectuate, în Fig. 9 se propune o variantă nouă de sistem eficient, în configurație
back -to-back , care combină avantajele structurilor prezentate mai sus (3L -Vienna și 3L -ANPC).
În literatură există două variante diferite de redresoare un idirecționale Vienna , publicate pentru
prima dată în [1 3] și [1 4]. Pentru creșterea eficienței convertoarelor electronice soluția [1 3] a stat la
baza mai multor dezvoltări recente. O parte dintre aceste studii au fost publicate în [1 5], altele sunt
în curs de publicare. Dintre studiile aflate în curs de publicare se află și lucrarea [1 6] propusă de
membrii echipei la o conferință de prestigiu din Europa.

Filtru Filtru

Fig. 9. Sistem eficient în configurație back -to-back propus pentru PMSG .

14
D. Soluții de convertoare electronice dc -dc utilizate pentru stocarea energiei
În general, convertoarele electronice dc -dc utilizate pentru stocarea energiei sunt bidirecționale
în curent și unidirecționale în tensiune. Acestea pot fi cu 2L sau multinivel.
Un exemplu de convertor dc-dc 2L utilizat pentru stocarea energiei electrice este prezentat în
Fig. 10 (a). Acesta este alcătuit din două întreruptoare bidirecționale în curent și unidirecționale în
tensiune, care primesc o comandă PWM complementară. Între ruptoarele au o bornă comună care se
conectează spre un inductor sau o sursă de curent. Celelalte borne ale întreruptoarelor sunt
conectate spre o sursă de tensiune continuă.
Structura clasică 2L prezintă două regimuri de funcționare, unul de tip ridicăto r (boost ) și altul
de tip coborâtor ( buck ). Selecția regimului de funcționare depinde de modul de stocare sau
recuperare a energiei. Principalul avantaj este simplitatea, ceea ce conduce la costuri de realizare
mici. Dezavantajele soluției derivă din faptu l că este o configurație cu două niveluri de tensiune.
O posibilitate de creștere a performanțelor constă în conectarea celulelor de comutație în paralel
prin intermediul unor inductanțele cuplate magnetic ( InterCell Transformers – ICT), Fig. 10(b) sau
fără cuplaj magnetic. În acest mod frecvența aparentă de comutație este un multiplu al frecvenței de
comutație și ondulațiile curentului sunt reduse proporțional cu numărul celulelor conectate în
paralel. Curentul care circulă prin întreruptoarele de putere e ste o fracțiune din curentul total și
astfel, pierderile totale sunt mai mici decât în cazul configurației clasice.

(a) (b) ICT

(c) (d)

Fig. 10. Convertoare electronice dc -dc utilizate pentru stocarea capacitivă.

Pentru a reduce tensiunea comutată de dispozitivele semiconductoare se poate utiliza una dintre
structurile prezentate în Fig. 10 (c) și (d). Ambele configurații permit obținerea unei frecvențe
aparente de comutație egală cu de două ori frecvența de comutație. În cazul topologiei din Fig. 10(c)
există două surse secundare de tensiune continuă, în timp ce structura FC prezentată în Fig. 10 (d)
dispune doar de o sursă de tensiune continuă.
4.3. Sisteme eoliene hibride cu ax vertical propuse în cadrul proiectului HYWIN DT
Sistemele eoliene hibride cu ax vertical propuse spre analiză în cadrul proiectului HYWINDT,
spre deosebire de cele clasice , permit conversia energiei eoliene simultan în electricitate și în

15
energie termică , permițând obținerea unor randamente superioar e ale conversiei energetice ,
reducerea costurilor, respectiv scăderea dimensiuni lor de gabarit ale generatorului eolian.
Conversia energiei în cazul sistemelor eoliene hibride este asigurată prin intermediul unui
Generator Eolian Hibrid (GEH) care furnize ază energie electrică întocmai ca un generator electric
de tip sincron trifazat, respectiv energie termică , Fig. 11.
GEH este alcătuit din două părț i principale, un Generator cu Magneți Permanenți (GMP) și un
Sistem de Încălzire cu Magneți Permanenți (SIMP ), formând împreună un dispozitiv de conversie a
energiei eoliene în construcție compactă și caracterizat de o eficiență energetică ridicată, Fig. 12.
Cele două componente GMP și SIMP au un rotor comun (armătură mobilă) echipat cu Magneți
Permanenți (MP). Statorul GMP este unul clasic , similar cu cel al unui generator sincron. Statorul
SIMP este alcătuit dintr -o serpentin ă parcursă de lichid (agent termic) care are două tronsoane.
Primul tronson al serpentinei (Serpentina 1 în Fig. 12) se află în contact cu miezul statoric al GMP ,
fiind folosit pentru ră cirea acestuia, prin preluarea de către agentul termic a unei părți importante a
pierderilor dezvoltate în mașină (pierderi Joule, respectiv pierderi în fier) . Cel de -al doilea tronson
al serpentinei (Serpent ina 2 în Fig. 12) permite încălzirea suplimentară a agentului termic lichid
prin efectul Joule al c urenț ilor turbionari induși în pereț ii serpentinei SIMP de către câmpul
magnetic învârtitor produs de MP rotor ici.

Fig. 11. Principiul de funcț ionare al unui sistem eolian
cu ax vertical echipat cu Generator Eolian Hibrid (GEH).

În comparație cu PMSG clasice, un GMP echipat cu circuit de răcire poate fi mai compact
întrucât poate func ționa la densit ăți de curent mult mai mari. Prin evacuarea pr in convecție forțată a
căldurii disipate î n GMP se asigură protecția sistemului de izolație electrică a mașinii, respectiv
protecția MP (aceștia putând fi demagnetizați dacă se încălzesc excesiv) , elemente esențiale ce
determină durata de viață și fiabilit atea echipamentului . Temperatura agentului termic lichid aflată
în stare fierbinte la ie șirea din G EH trebuie corelat ă cu debitul s ău și păstrată î n limite acceptabile
prin intermediul unui sistem de gestiune a energiei , Fig. 13. Param etrii energiei electr ice produsă de
GMP vor fi reglaț i cu ajutorul aceluiași sistem de gestiune a energiei (electrice și termice) , energia
electrică generată fiind injectată în reț ea. En. eoliană
Energie
termică Energie
electrică GEH

16
Trei variante constructive de G EH pot fi avute î n vedere în cadrul proiectului, acestea fiind
prezentate schematic în Fig. 12 în secțiune axială :
– GEH cu flux magnetic radial ș i rotor interior, Fig. 12 (a) ;
– GEH cu flux magnetic radial ș i rotor exterior , Fig. 12 (b) ;
– GEH cu flux magnetic axial, Fig. 12 (c) .

a)

b)

17

c)
Fig. 12. Sec țiuni axial e prin G EH în diferite variante constructive ; a) GEH cu flux magnetic radial și
rotor interi or; b) GEH cu flux magnetic radial și rotor exterior ; c) GEH cu flux magnetic axial.

Fig. 13. Sistem de gestiune a energiei electrice și termice produse de GEH.

GEH prezintă mai multe avantaje în raport cu generatoarele eoliene clasice precu m:
– permite conversia energiei eoliene simultan în energie electrică și termică cu un randament
superior generatoarelor electrice clasice întrucât o mare parte a căldurii disipate în generator
datorită pierderilor (pierderi în fier, pierderi Joule, pierd eri prin curenți turbionari în magneți) este
recuperată;
– dimensiuni de gabarit mai redus e decât în cazul generatoarelor electrice clasice (căldura
datorată pierderilor este evacuată prin convecție forțată, prin urmare dimensionarea generatorului
permite adoptarea unor densități mai mari de curent, cu o scădere a dimensiunilor de gabarit);
– GEH poate fi utilizat ca sursă de energie electrică cât și termică pentru diferite obiective
rezidențiale sau industriale, fie în variantă independentă fie în combinaț ie cu alte surse de energie
(panouri fotovoltaice, panouri solare termice, pompe de căldură etc.);

18
– GEH prezintă o funcționare robustă la viteze mari ale vântului întrucât frânarea turbinei
eoliene se efectuează în mod natural datorită curenților turbion ari induși în serpentina generatorului;
– Gestionarea energiei termice este simplă (senzor de temperatură montat la ieșirea circuitului
termic + controler + pompă); energia elecrică produsă este livrată în rețea utilizând un convertor
electronic clasic spe cific sistemelor eoliene clasice ;
– GEH permite obținerea de energie electrică și termică ieftină .
Cele trei soluții de GEH prezentate anterior fac obiectul a trei cereri de brevet de invenție
depuse la OSIM în luna Noiembrie 2014 [17]-[19]. Trebuie men ționat faptul ca structurile din Fig.
12 sunt preliminare, prezentate în scopul descrierii principiului de funcționare , fără a oferi multe
detalii constructive .
În urma analizelor efectuate , ținând cont de mai multe criterii precum fiabilitate, robustețe,
costuri minime, simplitate constructivă, etc. s -a ales în vederea implementării în cadrul proiectului
HYWINDT varianta constructivă de GEH cu flux magnetic radial și rotor interior . Această variantă
constructivă permite o construcție simplă a miezului magnet ic statoric al GMP ce poate fi realizat
din tole din oțel electrotehnic, în mod similar cu miezurile statorice clasice ale mașinilor sincrone
sau asincrone. Miezul rotoric este deasemenea simplu de realizat din oțel masiv pe acesta fiind
dispuși magneții p ermanenți. Magneții pot fi montați pe suprafața rotorului , pot fi semiîngropați sau
pot fi interiori (îngropați în miezul rotoric). Circuitul de răcire/încălzire alcătuit în principal din
serpentinele 1 și 2, este de asemenea ușor de realizat , de exemplu din țeavă din oțel izolată la
exterior pentru a reduce pierderile termice.
Dimensionarea și proiectarea optimală a GEH cu toate elementele constructive aferente va fi
abordată î n etapa următoare a proiectului de cercetare, conform planului de realizare pro pus.

5. REZULTATE OBȚINUTE ÎN CADRUL ETAP EI CURENTE
Activită țile propuse în planul de realizare a proiectului pentru etapa curentă s-au efectuat
integral . În urma cercetărilor întreprinse s -au ob ținut rezult atele prezentate de mai jos , care constau
în 3 cer eri de brevet de invenție depuse la OSIM , respectiv în elaborarea unei lucrări știițifice în
forma preliminară trimisă spre publicare la conferin ța interna țională The 17th IEEE European
Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2015) :

Cereri de brevet de invenție depuse la OSIM :
[1] CBI A/00838/10.11.2014 depusă la OSIM : Generator eolian hibrid cu flux magnetic radial
și rotor exterior.
[2] CBI A/00839/10.11.2014 depusă la OSIM : Generator eolian hibrid cu flux magnetic radial
și rotor inter ior.
[3] CBI A/00840/10.11.2014 depusă la OSIM : Generator eolian hibrid cu flux magnetic axial.

Lucrări științifice trimise spre publicare la conferințe internaționale ( ISI Proceedings ):
[4] Floric ău D., Tudorache T. : A Novel Generalization of Boost -Type PFC Topologies with
Multiple Switching Cells Connected in Series and Parallel , propus ă pentru The 17th IEEE European
Conference on Power Electronics and Applications (EPE 2015 ).

19
6. CONCLUZII
În cadrul Etapei de execuție Nr. I /2014 a proiectului HYWINDT (Contract Nr. 41/2014 ) au fost
prevăzute trei activități cu caracter tehnic și științific , toate fiind realizate integral. Activitatea de
cercetare efectuată în cadrul etapei curente a vizat analiza de soluții constructive fezabile de
componente pentru TE H cu ax vertical, pregătirea documentației pentru brevetarea conceptelor
inovative, respectiv analiz e privind alegerea variantei constructive a GEH.
Prima activitate a avut ca obiectiv analiza de soluții constructive de componente ce pot fi
utilizate pent ru TEH cu ax vertical. Cercetările efectuate au permis identificarea mai multor soluții
constructive posibile de turbine cu ax vertical, de generatoare eoliene hibride (3 soluții constructive
inovatoare protejate prin depunerea a 3 cereri de brevet de inve nție la OSIM), de topologii de
convertoare electronice pentru sisteme eoliene cu conectare la rețea sau folosite pentru stocarea
energiei .
A doua activitate a urmărit elabor area documentației tehnice necesare protecției proprietății
intelectuale asupra conceptelor inovative , în urma activității de cercetare re zultând un număr de 3
cereri de brevet de inveție depuse la OSIM pe data de 10.11.2014. Cercetările efectuate s -au
concretizat de asemenea prin elaborarea unei lucrări științifice trimis ă în formă pre liminară spre
publicare , la conferința internațională Conference on Power Electronics and Applications, EPE’15 –
ECCE Europe, Geneva, Switzerland .
Ultima activitate inclusă în cadrul primei etape a proiectului HYWINDT conform planului de
realizare a vizat e fectuarea unor analize în vederea alegerii variantei constructive a GEH. Conform
studiilor realizate asupra celor 3 soluții constructive de GEH propuse s -a indentificat soluția tehnică
ce răspunde cel mai bine criterii lor impuse (fiabilitate, simplitate co nstructiv ă, costuri minime,
robustețe ).
7. BIBLIOGRAFIE
[1] http://www.alibaba.com/
[2] A. J. Pujante, E. Gómez, A. Molina, J. A. Fuentes and S. Martín : “State of the Art of Wind Turbines
Modelling with Induction Generator (DFIG) ”, European Wind Energy Confer ence and Exhibition (EWEC).
Europe's premier wind energy event. 20 -23 April 2010, Warsaw, Poland
[3] M. Liserre, R. Cardenas, M. Molinas, and J. Rodriguez, “Overview of multi -MW wind turbines and wind
parks” , IEEE Trans. Ind. Electron.,vol. 58, no. 4, pp. 1081 –1095, Apr. 2011.
[4] F. Blaabjerg, M. Liserre, and K. Ma, “Power electronics conv erters for wind turbine systems ”, IEEE
Trans. Ind. Appl., vol. 48, no. 2, pp. 708 –719, Mar./Apr. 2012.
[5] J. Dai, D. D. Xu, and B. Wu, “A novel control scheme for curren t-sourceconverter -based PMSG wind
energy conversion systems ”, IEEE Trans.Power Electron., vol. 24, no. 4, pp. 963 –972, Apr. 2009.
[6] K. Ma, F. Blaabjerg, and D. Xu, “Power devices loading in multilevel converters for 10 MW wind
turbines” , in Proc. ISIE, J un. 2011, pp. 340 –346.
[7] J. Rodriguez, S. Bernet, P. K. Steimer, and I. E. Lizama, “A survey on neutral -point -clamped inverters ”,
IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 57, no. 7, pp. 2219 –2230, Jul. 2010.
[8] T. Bruckner, S. Bernet, and H. Guldner, “The activ e NPC converter and its loss -balancing control ”, IEEE
Trans. Ind. Electron., vol. 52, no. 3, pp. 855 –868, Jun. 2005.
[9] D. Floricau, E. Floricau, M. Dumitrescu, “Natural Doubling of the Apparent Switching Frequency u sing
Three -Level ANPC Converter ”, Inter national School on Nonsinusoidal Currents and Compensation –
ISNCC’08, Łagów, Poland, pp.1 -6, 2008.
[10] D. Floricau and F. Richardeau, “New Multilevel Converters Based on Stacked Commutation Cells with
Shared Power Devices ”, IEEE Trans. on Ind. Electronic s, Vol.58, No.10, pp.4675 –4682, Oct.2011.

20
[11] H. Chen, N. David, and D. C. Aliprantis, “Analysis of permanent -magnet synchronous generator with
Vienna rectifier fo r wind energy conversion system ”, IEEE Trans. Sustainable Energy, vol. 4, no. 1, pp. 154 –
161, Jan. 2013.
[12] A. Rajaei, M. Mohamadian, and A.Y. Varjani, “Vienna -Rectifier -Based Direct Torque Control of
PMSG for Wind Energy App lication ”, IEEE Trans. on Ind. Electronics, Vol.60, No.7, pp.2919 –2929,
Oct.2013.
[13] J.W. Kolar and F.C. Zach, “A novel three -phase utility interface minimizing line current harmonics of
high-power telec ommunications rectifier modules ”, Record of the 16th IEEE International
Telecommunications Energy Conference, Vancouver, Canada, Oct. 30 -NOV. 3, pp.367 -374, 1994.
[14] H. Midavaine, P.L. Moigne, and P. Bartholomeus, “Multilevel three phase rectifier with sinusoidal input
currents ”, in Proc. IEEE PESC’96, pp.1595 –1599, 1996.
[15] M. S. Ortmann, S. A. Mussa, and M. L. Heldwein, “Three -Phase Multilevel PFC Rectifier Base d on
Multistate Switching Cells ”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 4, pp. 1843 -1854, Apr. 2015.
[16] D. Floricau and T. Tudorache, “A Novel Generalization of Boost -type PFC Topologies with Multiple
Switching Cells C onnected in Series and Parallel ”, the 17th Conference on Power Electronics and
Applications, EPE’15 -ECCE Europe, Geneva, Switzerland, 8 -10 Sept. 2015 (se află în procesul de recenzie).
[17] CBI A/00838/10.11.2014 depusă la OSIM : “Generator eolian hibrid cu flux magnetic radial și rotor
exterio r”.
[18] CBI A/00839/10.11.2014 depusă la OSIM : “Generator eolian hibrid cu flux magnetic radial și rotor
interior ”.
[19] CBI A/00840/10.11.2014 depusă la OSIM : “Generator eolian hibrid cu flux magnetic axial ”.

Data: 01.12.2014