Garantire la lubrificazione critica nelle turbine eoliche durante gli scenari di interruzione della rete 

Un approccio basato sul convertitore DC/DC ad alta tensione CBS-10K per proteggere asset meccanici di alto valore

Garantire la lubrificazione critica nelle turbine eoliche durante gli scenari di interruzione della rete

Un approccio basato sul sistema DC/DC CBS-10K per proteggere asset meccanici di alto valore

Il contesto dell'energia eolica

L'energia eolica svolge un ruolo chiave nella transizione globale verso la generazione di elettricità da fonti rinnovabili.

Le moderne turbine eoliche sono macchine altamente ottimizzate, che combinano grandi strutture meccaniche con sistemi elettrici e di controllo sempre più complessi.

Oltre alla produzione di energia, la protezione degli asset durante condizioni operative anomale — come la perdita della rete elettrica — è diventata un fattore determinante nella progettazione per i produttori di turbine eoliche.

In questo contesto, i sistemi di alimentazione di emergenza a breve durata ma altamente affidabili sono essenziali per proteggere i sottosistemi meccanici critici, il cui guasto può portare a gravi conseguenze economiche e operative..

La sfida: lubrificazione critica in condizioni di assenza di rete (Grid-Off)

Uno dei sottosistemi più critici all'interno di una turbina eolica è il sistema di lubrificazione associato ai meccanismi di orientamento e posizionamento meccanico che operano sotto carico elevato.

L'applicazione descritta corrisponde a grandi turbine eoliche onshore con una potenza di circa 7 MW e oltre.

In questo scenario, la lubrificazione è direttamente collegata al sistema di imbardata (yaw system) e ai relativi meccanismi di orientamento necessari per posizionare in sicurezza il rotore rispetto alla direzione del vento.

Lubrificazione del sistema di imbardata (Yaw System)

Il sistema di imbardata è responsabile dell'orientamento della navicella e del rotore verso la direzione del vento. Include grandi cuscinetti e meccanismi a ingranaggi che operano sotto carichi meccanici molto elevati.

Una lubrificazione insufficiente può portare a un'usura accelerata, gravi danni meccanici e lunghi periodi di inattività della turbina. Questi sistemi meccanici sono di alto valore e difficili da riparare, rendendo la continuità della lubrificazione un requisito non negoziabile.

Durante gli scenari di interruzione della rete (grid-off), la lubrificazione deve rimanere attiva per:

• Evitare il contatto metallo-metallo.
• Completare le procedure di arresto controllato.
• Proteggere gli asset meccanici con costi di sostituzione che vanno da decine di migliaia a diverse centinaia di migliaia di euro.

Per affrontare questa sfida, è stata selezionata una soluzione di backup DC/DC ad alta potenza basata sul convertitore CBS-10K per garantire la stabilità elettrica durante la perdita della rete.

Perché le architetture di backup tradizionali sono inadeguate per le turbine dei nostri clienti

Storicamente, le soluzioni di backup si sono basate su:

• Sistemi basati su inverter DC/AC con commutazione ritardata.
• Architetture UPS convenzionali.
• Convertitori DC/DC a bassa potenza senza capacità di sovraccarico dinamico.

Questi approcci non sono riusciti a soddisfare le reali esigenze dei sistemi di lubrificazione dei nostri clienti perché:

• I ritardi di commutazione introducono cali di tensione.
• I VFD (Azionamenti a Frequenza Variabile) sono estremamente sensibili all'instabilità a livello di microsecondi.
• Le elevate correnti di spunto durante l'avvio del motore causano il crollo della tensione.

Di conseguenza, le pompe di lubrificazione potrebbero fermarsi prima del completamento del ciclo, esponendo i componenti meccanici a danneggiamenti.

Una soluzione centrata sul sistema DC/DC basata sul CBS-10K

Per superare queste limitazioni, è stata implementata un'architettura di backup incentrata sul sistema DC/DC.

Al cuore della soluzione si trova il convertitore DC/DC CBS-10K, che funge da ponte di potenza tra il sistema di batterie e i VFD (azionamenti a frequenza variabile) che alimentano le pompe di lubrificazione e i motori ausiliari.

Principi chiave della progettazione:

• Intervento immediato in caso di perdita della rete.
• Assoluta stabilità della tensione, anche in presenza di elevati carichi transitori.
• Capacità di sovraccarico a breve termine per supportare l'avvio del motore.
• Design compatto e robusto, ideale per l'integrazione all'interno della navicella (nacelle).

Piuttosto che fornire una lunga autonomia, l'obiettivo è garantire il completamento del ciclo di lubrificazione in tutte le condizioni di assenza di rete.



Perché l'approccio DC/DC con il CBS-10K funziona

La soluzione CBS-10K ha successo dove altre architetture hanno fallito grazie a:

• Elevata densità di potenza.
• Capacità di sovraccarico a breve termine.
• Eccellente risposta dinamica.
• Alta tolleranza alle correnti di spunto.
• Robustezza industriale comprovata in ambienti esigenti.
• Pronto per la certificazione UL con solo piccoli adattamenti.

Cosa fondamentale, la soluzione si basa su una piattaforma industriale standard, riducendo al minimo i rischi tecnici e della catena di approvvigionamento.

Risultati e Benefici Operativi

Sul campo, la soluzione di backup basata su DC/DC ha dimostrato:

• Prestazioni stabili durante gli eventi di assenza rete (grid-off).
• Eliminazione degli scatti involontari dei VFD.
• Completamento affidabile dei cicli di lubrificazione.
• Protezione efficace di asset meccanici di alto valore.
• Riduzione del rischio operativo ed eliminazione di eventi OPEX ad alto impatto economico.
  
  

Installazione Onshore – Validità Offshore

La soluzione è attualmente impiegata su piattaforme di turbine eoliche onshore, incluse turbine ad alta potenza nella classe multi-megawatt (≈7 MW), dove è richiesto un backup di potenza rapido, affidabile e di breve durata.

Questa classe di grandi turbine eoliche onshore è soggetta a una forte domanda di mercato, con volumi di produzione annuali che variano tipicamente da diverse centinaia fino a circa mille unità all'anno.

Dal punto di vista tecnico, lo stesso approccio CBS-10K DC/DC è valido anche per applicazioni offshore, dove si applicano requisiti simili di stabilità e rapidità di intervento all'interno di architetture di sistema ridondanti.

Punti Chiave (Key Takeaways)

• La continuità della lubrificazione è mission-critical durante i guasti alla rete.
• L'instabilità elettrica si traduce direttamente in rischio meccanico.
• Nelle grandi turbine eoliche onshore, i guasti meccanici hanno un impatto economico elevatissimo.
• Un'architettura DC/DC CBS-10K alimentata a batteria garantisce un backup di potenza rapido e affidabile.