MICRO-RETI DI DISTRIBUZIONE: CONTROLLO E MODELLI DELLE SORGENTI

Transcript

1 Università egli Stui i Paova Facoltà i Ingegneria Corso i Laurea Specialistica in Ingegneria Elettrotecnica Tesi i Laurea Specialistica: MICRO-RETI DI DISTRIBUZIONE: CONTROLLO E MODELLI DELLE SORGENTI Relatore: Prof. Ing. Mauro Anriollo (DIE, Dipartimento i Ingegneria Elettrica) Laureano: Fabio Beneetti Anno Accaemico 00/0

2

3 INDICE INDICE SOMMARIO... INTRODUZIONE... 3 LE MICRO-RETI Generalità...5. Struttura e caratteristiche i una micro/smart-gri Power Management System Tecnologie utilizzate per le sorgenti i energia Controllo e gestione ei carichi Riuzione el carico Sistema intelligente i riuzione el carico Sistemi i comunicazione Ambiti i ricerca e problematiche principali per le micro-gri...7 ANALISI E MODELLI DELLE SORGENTI DI ENERGIA Introuzione...9. Fotovoltaico Moello i una schiera fotovoltaica con MPPT..... Potenza in uscita a un impianto fotovoltaico Componente eterministica ella raianza giornaliera Posizione el sole nel cielo Calcolo ella raianza Calcolo irraggiamento giornaliero meio mensile Componente stocastica ella raianza giornaliera Anamento ella temperatura Proucibilità i un impianto fotovoltaico Batterie Batterie al piombo-acio I

4 Micro-reti i istribuzione: controllo e moelli elle sorgenti.4.. Caratteristiche Moello i una batteria Generatore Diesel Moello el motore iesel Moello el generatore sincrono Eolico L energia el vento Turbina eolica Generatore eolico Valutazione el potenziale energetico eolico Inverter Moello ell inverter Sistema i sincronizzazione con la rete CONTROLLO DEI CONVERTITORI NELLE MICRO-RETI.6 3. Introuzione Configurazioni i una micro-rete Interfaccia tra micro-rete e rete pubblica Aspetti legati alle caratteristiche egli inverter e al loro controllo Controllo ell inverter elle sorgenti Controllo ella cauta i tensione e ella cauta i frequenza Controllo ella potenza erogata all inverter Controllo ella potenza erogata all inverter meiante il controllo iretto el rapporto i moulazione M e sul controllo ell angolo i sfasamento δ Controllo ella potenza erogata all inverter meiante controllo i corrente Controllo ella tensione continua in ingresso all inverter CONCLUSIONI BIBLIOGRAFIA APPENDICE A: Formalismo i Park Coici Matlab... 9 II

5 SOMMARIO SOMMARIO L argomento trattato nel lavoro i questa tesi i laurea sono le micro-reti i istribuzione. In particolare vengono analizzate le principali sorgenti i energia che possono essere presenti in una micro-rete e viene analizzato il controllo el convertitore che interfaccia la maggior parte i queste sorgenti con la micro-rete. Nel primo capitolo si introucono alcune tecniche per il controllo ell energia elettrica nelle micro-reti, sia al punto i vista ella prouzione a fonte istribuita, sia al punto i vista ell utilizzo in maniera efficiente a parte ei carichi. Tale tecniche sono già state sperimentate e utilizzate negli anni in molteplici applicazioni inustriali. Questi sistemi oggi possono essere riuniti e utilizzati nel contesto i una rete elettrica che serva una limitata porzione i territorio o i utenze meiante l introuzione i un sistema i controllo e i supervisione che ne coorini le funzioni. La rete iviene quini intelligente e tene a superare le problematiche introotte negli ultimi anni al progressivo estenersi elle sorgenti rinnovabili a carattere aleatorio poiché la rete è otata i capacità che ne attenuano le fluttuazioni. Nel secono capitolo vengono presentante varie sorgenti i energia istribuita: sistemi fotovoltaici, batterie, sistemi eolici, generatori iesel. Vengono moellizzate le sorgenti e viene analizzato il loro potenziale impatto in una rete. Nel terzo capitolo si parla el controllo ei convertitori i interfaccia tra le sorgenti e la micro-rete. In particolare si presentano e vengono moellizzati in Simulink ei sistemi i controllo per gli inverter che collegano le fonti i energia istribuite alla rete.

6

7 INTRODUZIONE INTRODUZIONE Il consumo i energia elettrica è in continuo aumento e questo ha messo sempre più in evienza i problemi legati all approvvigionamento energetico, all inquinamento, all efficienza e al risparmio energetico. Questo ha spinto verso una prouzione sempre maggiore i energia a impianti i prouzione i piccola taglia istribuiti nel territorio, ovvero quella che è conosciuta come generazione istribuita (DG istribuite generation). Questi tipi i impianti sono spesso legati alla prouzione i energia a fonti rinnovabili: fotovoltaico, eolico, mini-iroelettrico Se confrontate con le tecnologie utilizzate nelle grani centrali termoelettriche tutte quelle utilizzate per la generazione istribuita consentono generalmente, ciascuna in misura iversa, i riurre le emissioni nocive, in particolare CO, NO X e SO, oltre a riurre la ipenenza alle fonti i energia fossili. In aggiunta impianti alle imensioni abbastanza contenute ovrebbero risultare più facilmente integrabili nell'ambiente circostante. Le reti i istribuzione ovranno ovviamente essere aattate a questo nuovo scenario i gestione ei flussi i energia, infatti il sistema i istribuzione ell energia elettrica è stato progettato consierano un flusso i potenza uniirezionale, secono gli schemi più classici ella trasmissione ell energia. La iffusione in larga scala ella generazione istribuita è potenzialmente in grao i alleggerire il sistema i trasmissione e i risolvere in parte i crescenti problemi che sono costretti a fronteggiare gli operatori el sistema elettrico, correlati in buona sostanza all aumento ei carichi, alle nuove politiche ambientali e alle pressioni economiche el mercato. Le unità i prouzione istribuita possono operare irettamente in parallelo con la rete i istribuzione principale oppure all interno i una micro-rete (micro-gri). Una micro-rete è un gruppo i carichi e sorgenti i energia operanti come un singolo sistema controllabile che fornisce energia elettrica e eventualmente anche calore all area locale. Le micro-reti si aattano bene all uso i sistemi i automazione per migliorarne l efficienza, rientrano quini anche nel concetto i reti intelligenti (Smart-gri). Una smart-gri è una rete ove l uso i sensori, i sistemi i misura, i comunicazione e i controllo consentono i innalzare la funzionalità e l efficienza el sistema elettrico. I vantaggi alla base elle micro-reti incluono un aumento i efficienza economica e un ottimizzazione elle risorse, infatti, si ha una riuzione ei costi i trasporto i energia (si consuma ove si prouce), migliore gestione ella prouzione e ei carichi e una maggiore continuità i servizio. I benefici ambientali e economici elle micro-reti, e i conseguenza, l'accettabilità e il grao i proliferazione nel settore ell alimentazione elettrica, sono in primo luogo eterminati alla capacità i controllo e alle caratteristiche operative. Gli obiettivi i una micro-rete sono: Massimo utilizzo elle fonti rinnovabili Risparmio e efficienza energetica Qualità ella fornitura elettrica. Lo sviluppo elle micro-reti, grazie anche alle opportunità offerte alle fonti rinnovabili, possono avere un effetto importante per l elettrificazione i zone rurali in paesi in via i 3

8 Micro-reti i istribuzione: controllo e moelli elle sorgenti sviluppo, oltre ovviamente al beneficio economico che possono introurre con la loro applicazione in meie e grani infrastrutture anche nei paesi già elettrificati. Le micro-reti sono solitamente usate in piccole aree urbane o in piccole aree inustriali. Esse offrono iversi benefici ai consumatori: maggiore affiabilità, maggiore power quality, in alcuni casi un energia più ecologica e un risparmio economico, grazie anche alle opportunità offerte al mercato elettrico. Inoltre la generazione istribuita può essere un vantaggio per la rete pubblica riuceno le congestioni. 4

9 Capitolo : LE MICRO-RETI CAPITOLO LE MICRO-RETI. Generalità Le Micro-reti (micro-gri) sono piccoli sistemi i istribuzione locali contenenti generatori e carichi, il cui funzionamento potrebbe essere totalmente separato (autonomo o in isola) al sistema i istribuzione principale o a esso collegato (non autonomo). Una micro-rete è gestita a un centro i controllo, che monitorizza la omana / offerta i energia e ottimizza l'utilizzo ei iversi generatori istribuiti e ei carichi. Il concetto i micro-rete si concentra sull integrazione i più sorgenti i energia i iverso tipo, con iversi aspetti relativi all'interfaccia tra sorgenti e rete (compresa l'applicazione ell elettronica i potenza e sistemi i controllo) e all'affiabilità. Una struttura tipica i micro-rete è rappresentata in figura.. Fig.. Esempio i Micro-rete Una rete totalmente autonoma può risultare conveniente in aree ove sia particolarmente carente la rete i trasmissione e/o i istribuzione, o ove la sua costruzione sia ecisamente antieconomica e, più in generale, in tutti quei casi in cui si avverta in moo particolare il peso el costo ella trasmissione e ella istribuzione. Per contro, questa potenziale riuzione i costi potrebbe essere completamente vanificata alla necessità i fornire alla micro-rete un livello i affiabilità comparabile con quello ella rete pubblica, e comunque aatto alle esigenze egli utenti alimentati. In particolare, nel caso elle micro-reti autonome, il ispacciamento ell energia prootta a risorse istribuite e le problematiche connesse alla regolazione ella frequenza e ella potenza, richieono l aozione i ionee tecniche i controllo, simili a quelle che ovranno essere impiegate per la gestione ella generazione istribuita nelle reti i istribuzione pubblica, e i aeguati sistemi i comunicazione. Il iscorso è invece ifferente per le micro-reti non autonome che, anche se lasciano ai consumatori e ai prouttori l onere ello sviluppo, ella realizzazione e el mantenimento ella rete, presentano l inubbio e grane vantaggio i poter utilizzare la rete i istribuzione in moo a avere fissate tensione e frequenza i riferimento, i poter fornire potenza agli 5

10 Micro-reti i istribuzione: controllo e moelli elle sorgenti utenti anche in caso i perita i risorse istribuite e i consentire la venita alla rete i eventuali esuberi i prouzione i energia. Un altro aspetto molto importante, infine, è che la micro-rete può garantire l alimentazione, per lo meno parziale, elle utenze a essa afferenti anche nell eventualità in cui si abbiano guasti nella rete pubblica i istribuzione, aumentano quini il livello i qualità el servizio. L'interfaccia con la rete principale vee la micro-rete come un unico noo, con possibilità i ispacciare l energia in moi iversi all'interno el sistema locale i istribuzione i energia elettrica e se necessario la isconnette alla rete principale, per esempio in caso i guasto. Se la rete principale a cui la micro-rete è connessa eve comunque essere in grao i alimentare tutte le utenze anche qualora si abbiano avarie e problemi alla DG, si avrebbero evientemente pochi vantaggi per l ente istributore, in quanto gli impianti i istribuzione ell ente ovrebbero essere in ogni caso imensionati per far fronte alla conizione più sfavorevole. Un altro aspetto essenziale è sicuramente quello legato al funzionamento in isola ella micro-rete a seguito i eventuali guasti nella rete i istribuzione, che può consentire i migliorare il livello i continuità el servizio per gli utenti connessi. Affinché il sistema possa risultare efficiente è tuttavia necessario che la micro-rete possa passare al funzionamento in parallelo a quello in isola in breve tempo, garanteno livelli i qualità aeguati. A tal proposito sarà necessario che vi siano efficienti sistemi i comunicazione tra rete, sorgenti i prouzione e carichi, in moo che si possa iniviuare rapiamente quale risorsa possa eventualmente operare a centrale pilota per controllare la prouzione i potenza attiva e reattiva elle altre in moo efficiente, per la regolazione ella tensione e ella frequenza e attivare un opportuno programma i riuzione el carico (per i carichi non sensibili) qualora la prouzione non sia in grao i far fronte alla omana i energia egli utenti. In una micro rete si notano quattro elementi fonamentali: la generazione locale (istribuita) il controllo i potenza ei carichi l interfaccia verso la rete principale il sistema i gestione ella micro-rete. A secona el livello i penetrazione elle sorgenti i energia rinnovabili, ei vincoli imposti ai carichi e alla power quality, elle strategie imposte alla partecipazione al mercato elettrico, il controllo necessario e le strategie operative i una micro-rete possono essere significativamente iverse a quelle ei sistemi i alimentazione convenzionali. Le principali ragioni sono: aleatorietà elle sorgenti a fonti rinnovabili sorgenti che necessitano l uso i convertitori statici necessità i gestire sistemi i accumulo ell energia necessità i mantenere un certo livello i power quality gestione i connessioni e isconnessioni i sorgenti e carichi anche per ragioni economiche. L'introuzione i micro-reti richiee inoltre i riveere la struttura e le protezioni ei sistemi i istribuzione, con l'introuzione i interruttori intelligenti per assistere la isconnessione / riconnessione ella micro-rete al sistema i istribuzione principale. [][][3] 6

11 Capitolo : LE MICRO-RETI. Struttura e caratteristiche i una micro/smart-gri Il concetto i smart-gri è nato per trasformare raicalmente il sistema elettrico meiante l utilizzo i tecnologie i comunicazione avanzate e controlli automatici. In linea i principio la smart-gri consiste nell integrare la rete i telecomunicazioni con la rete i istribuzione elettrica. L integrazione è a tutti i livelli, fino a arrivare all utenza finale cercano, tramite opportuni metoi, i moificarne il comportamento per renerlo virtuoso rispetto ai consumi e agli sprechi. Questo epocale cambiamento i paraigma eriva non solo alla volontà i ottimizzare la rete esistente, ma a stringenti consierazioni ambientali, che sono anate elineanosi nell ultimo ventennio opo gli accori i Kyoto. Il tutto eve essere fatto rispettano normative quaro vigenti emanate alla Comunità Europea e recepite agli Stati attraverso regolamentazioni aatte al sistema nazionale i prouzione, stoccaggio, trasporto e istribuzione ell energia. L innovazione apportata alle reti elettriche i nuova generazione eve essere consona alle regole i mercato totalmente libero qual è quello egli stati avanzati a economia i mercato. Le principali caratteristiche i una smart-gri sono: Self-healing, ovvero capacità i rilevare, analizzare e risolvere i problemi; Capacità i tener conto el comportamento ei carichi nel progetto e nella gestione ella rete; Capacità i fornire un livello i power quality ioneo alle effettive necessità i consumatori e inustrie; Consentire l utilizzo i iverse tecnologie i generazione; Permettere un pieno sfruttamento elle opportunità el mercato elettrico; Permettere l ottimizzazione ei capitali minimizzano i costi i gestione e manutenzione, meiante l impiego i opportune tecniche i monitoraggio. Una micro-rete presenta tre elementi peculiari che renono molto interessante questa architettura: Power Management System (PMS): E il sistema i controllo e i gestione che provvee al ispacciamento, ottimizzano sia prouzione sia utilizzatori; Sistemi i controllo istribuiti: il sistema i governo ha sì una struttura centrale, ma fa leva su iversi sistemi i controllo e monitoraggio istribuiti che agiscono su tre tipologie i sottosistemi: i generatori istribuiti, i carichi e l interfaccia verso la rete elettrica esterna (Figura.). La regolazione i potenza e tensione viene eseguita su ogni singolo generatore per risponere opportunamente alle variazioni i carico, mentre i carichi vengono raggruppati per funzione o per installazione fisica; Protezioni: i sistemi i protezione per micro-gri richieono particolari soluzioni. Una ifferenza sostanziale tra micro reti e le reti traizionali è legata alla variazione ella corrente i cortocircuito nel passaggio tra funzionamento collegato alla rete e funzionamento in isola. Occorre a tal proposito ricorrere a ifferenti criteri i scelta elle protezioni per le iverse conizioni i funzionamento. Mentre il sistema centrale el PMS eve essere in grao i fornire la supervisione e proporre un funzionamento pressoché ottimale ella micro-rete, i controllori i livello inferiore, cioè i controllori locali elle sorgenti i energia e ei carichi, evono fornire il controllo effettivo, opo aver ricevuto i comani al PMS. Ogni sottosistema (generatori, gruppi i carichi) ha quini un proprio sistema i controllo e monitoraggio locale preposto allo svolgimento elle 7

12 Micro-reti i istribuzione: controllo e moelli elle sorgenti funzioni i comano e i monitoraggio elle singole apparecchiature, in grao i colloquiare col sistema centrale in maniera sicura e rapia. A sua volta ogni sistema i controllo e monitoraggio locale viene collegato alle varie apparecchiature e ai sensori i campo per una raccolta ati capillare. Il controllore centrale ella micro-rete fissa i livelli i potenza e tensione elle sorgenti e assicura che ogni sorgente prena rapiamente la sua quota i carico in base allo stato i funzionamento ella rete. Quano la micro-rete è connessa alla rete principale non ci sono problemi i bilanciamento e la ifferenza tra generazione e consumo nella micro-rete è compensata alla rete pubblica. Comunque ci può essere necessità i regolazione el carico o ella generazione nei casi ci siano ei limiti posti a scelte strategiche o a obblighi contrattuali. La regolazione el carico e ella generazione è invece necessaria nel funzionamento in isola per mantenere il bilancio tra le potenze e quini la stabilità ella rete. L alimentazione eve essere garantita ai carichi classificati come critici, mentre altri carichi possono entrare in una strategia i controllo che consente anche i limitare i picchi e livellare la curva i carico. Queste attività vengono svolte al PMS. Fig..: Schema i principio controllo e supervisione micro-rete.. Power Management System Il Power Management System (PMS) è una piattaforma harware e software che fornisce funzioni i monitoraggio e gli strumenti per la gestione e l ottimizzazione ella prouzione e el consumo i energia. Il ispositivo eve avere il controllo non solo elle sorgenti ma anche ei ispositivi i accumulo e ei carichi come si vee in figura.3. Fig..3: Schema i principio controllo e supervisione micro-rete 8

13 Capitolo : LE MICRO-RETI Come preceentemente accennato si tratta i una struttura a più livelli: un server centrale agisce e comunica con più sistemi i controllo locale che controllano le singole sorgenti o gruppi i carichi. L'insieme i tutte le informazioni che potenzialmente interessa le operazioni ella micro-rete è enorme e comprene i ettagli tariffari, le prestazioni elle apparecchiature, i ettagli e le previsioni i carico, i possibili guasti, ecc... Un PMS in grao i ottimizzare le prestazioni i una micro-rete in qualsiasi conizione operativa richieerebbe una capacità i elaborazione tale a essere attualmente irrealizzabile. L insieme elle informazioni che riguarano il funzionamento ella micro-rete evono quini essere analizzate per eterminare quali informazioni sono più utili, quali sono ottenibili e a quali costi. Naturalmente assieme a questa analisi è necessario eterminare come il PMS utilizzerà le informazioni acquisite. Il sistema eve essere in grao monitorare in tempo reale la microrete, prelevano le informazioni i funzionamento ai sistemi periferici collegati. Con particolari algoritmi è possibile elaborare i ati a sensori i campo e a ati storici al fine i preveere una evoluzione nel breve perioo. Le principali azioni el PMS nei confronti ella micro-rete sono: Misure i potenza e raccolta ati a sensori Raccolta e immagazzinamento ati storici Controllo ei sistemi i prouzione locale i energia, gestione ei sistemi i accumulo e controllo ei carichi Analisi ella tariffa ell energia, previsioni el carico e bilanciamento preventivo el sistema Controllo el fattore i potenza Gestione elle situazioni i emergenza e i guasto esterno e interno Strumenti per la misura ella potenza e sensori consentono i acquisire ati ai vari ispositivi e ai punti importanti ella micro-rete. Questi vengono poi resi isponibili, attraverso sistemi i comunicazione, ai ispositivi ei livelli superiori (ata loggers, PMS). I ati possono essere raccolti a ata loggers che li renono isponibili al PMS. I ata loggers sono utilizzati anche per la loro capacità i buffer ei ati. La funzione i raccolta ati prevee l accumulo ei ati storici nel atabase i archiviazione, i ati evono quini essere archiviati in moo efficiente così a poter essere recuperati velocemente per consentire anche un analisi post-processo. Inoltre evono poter essere rappresentati graficamente in moo efficace per essere interpretati agli operatori. Sistemi i supervisione SCADA (Supervisory Control An Data Acquisition), sono in grao i gestire in moo ottimale l accesso ai ati, in tempo reale o storici, e rappresentare schematicamente l impianto attraverso grafici sinottici, facilitano la visione e il controllo ella micro-rete a parte ell operatore. Il sistema i misura può comprenere il rilevamento ei isturbi, rilevano il THD (Total harmonic istorsion) e gli altri parametri che caratterizzano la power quality. Il PMS eve analizzare questi parametri e eventualmente attivare elle azioni per migliorare la qualità ell energia. I vari ati vengono raccolti in moo automatico in tempo reale e il PMS eve essere in grao i filtrarli e elaborarli in moo a attuare le opportune azioni i controllo: Controllo ella fornitura i energia alle sorgenti in base alla possibilità i prouzione elle singole sorgenti ottimizzano la prouzione e minimizzano i costi. Controllo ella omana i energia, gestione elle priorità e ella riuzione ei carichi (Intelligent Loa Sheing ILS). 9

14 Micro-reti i istribuzione: controllo e moelli elle sorgenti Bilanciamento ell energia: eve esserci un bilanciamento in tempo reale tra l energia prootta e prelevata alla rete e l energia consumata. Il server centrale el PMS provvee al funzionamento ottimale ella micro-rete attraverso l invio i valori i tensione i riferimento a ciascuna unità i controllo elle sorgenti in base a eterminati criteri, per esempio: minimizzare le perite, massimizzare l efficienza elle sorgenti, soisfare contratti presi con la rete principale, ecc E opportuna un analisi e la proiezione ella omana i energia futura. Al fine i impostare un efficace strategia i ottimizzazione energetica la situazione ieale (anche se non sempre isponibile) è quella i conoscere esattamente il piano i prouzione e i consumi, questo porterebbe alla massima ottimizzazione. Può esserci anche una funzione i analisi elle tariffe in moo a valutare i costi legati al consumo i energia. A tal fine è utile analizzare iversi programmi i pianificazione, minimizzano i costi rispetto a una tariffa che può variare anche nell arco ella giornata. Per esempio si possono programmare le operazione a più alto consumo energetico nei perioi a tariffa minore. Il sistema può controllare anche il fattore i potenza e quini la potenza reattiva. Questo è possibile grazie all uso i convertitori active front en, filtri attivi o VAR compensator che consentono la prouzione i energia reattiva. Per quanto riguara l ultimo punto il sistema i controllo eve riconoscere le situazioni i emergenza. Quano il sistema fisicamente non è in grao i rispettare le soglie imposte al PMS per la normale gestione, si verifica una situazione i emergenza, coinvolgeno l operatore che eve prenere la ecisione corretta. Il PMS eve in questo caso fornire all operatore tutti i ati utili per analizzare il problema e risolverlo. Il PMS eve inoltre esser in grao i rilevare il caso i guasto ella rete principale e provveere i conseguenza alla gestione ei flussi i energia nel funzionamento in isola in moo tale a non superare le capacità i prouzione interna... Tecnologie utilizzate per le sorgenti i energia Le sorgenti i energia i queste reti sono spesso a frequenze variabili o in continua quini sono collegate con la rete meiante inverter a tensione impressa VSI (Voltage Source Inverter) con moulazione a larghezza i impulso PWM (Pulse With Moulation). Questo ifferenzia molto il controllo elle micro-gri urante il funzionamento in isola rispetto i normali sistemi elettrici, ove l energia è prootta prevalentemente a macchine rotanti. Le normali apparecchiature i generazione i tipo statico sono state progettate per la maggior parte consierano che la rete a monte abbia una capacità infinita. Questo ha fatto passare in secono piano tutte le consierazioni in merito a sinusoialità ella tensione, problemi i corto-circuito, scambio i energia attiva e reattiva, ma iventano invece importanti in una micro-rete. In particolare si può usare una soluzione i conversione statica che prevee uno staio i collegamento alla rete el tipo active front en. L efficienza energetica richiee l uso i convertitori statici anche per regolare il consumo i energia ei carichi in maniera ottimale. Si tratta in prevalenza i sistemi per controllo ei motori e per controllo ell illuminazione. [4] Le principali tecnologie isponibili per la DG possono essere suivise in tecnologie traizionali, come motori a combustione interna e microturbine; tecnologie che sfruttano fonti rinnovabili, come sistemi fotovoltaici, turbine eoliche e mini-irauliche; tecnologie più innovative come celle a combustibile. 0

15 Capitolo : LE MICRO-RETI Motori a combustione interna: Essi vengono utilizzati principalmente come unità i emergenza (gruppi elettrogeni). Questi generatori possono collocarsi in un range i potenze che va al kw a qualche MW; i combustibili più comunemente impiegati sono il gasolio e il gas naturale. Microturbine: Sono turbine a combustibile i piccola potenza, generalmente a gas naturale. I prootti ella combustione, che hanno elevata temperatura e pressione, si espanono nella turbina che consente i mantenere in rotazione il generatore elettrico oltre al compressore stesso. I gas in uscita alla turbina sono ancora sufficientemente cali a poter essere impiegati in maniera efficiente; si ottengono così cicli cogenerativi per la prouzione i energia termica e elettrica. Pannelli fotovoltaici: L'energia che il sole irraia sulla terra può essere irettamente convertita in energia elettrica meiante pannelli fotovoltaici, costituiti a celle elementari i materiale siliceo connesse in serie e in parallelo in moo a formare ei mouli. Turbine eoliche: Anche l'energia eolica può essere convertita, ricorreno a turbine eoliche o aerogeneratori prima in energia meccanica i rotazione e successivamente in energia elettrica. L'energia eolica è sfruttabile per la prouzione i elettricità quano il vento soffia a una velocità compresa tra un minimo i 4 5 m/s e un massimo i 0 5 m/s, al i sopra el quale la macchina viene posta fuori servizio per motivi i sicurezza. Un aspetto che caratterizza questo tipo i energia è la sua elevata aleatorietà. Turbine mini-irauliche: Quano si parla i generazione istribuita i natura iroelettrica si intene lo sfruttamento i piccoli islivelli isponibili anche in fiumi o torrenti con portate limitate, sfruttati a piccole centrali in grao i prourre al massimo qualche MW. Celle a combustibile: Le celle a combustibile sono ispositivi in grao i realizzare la combustione ell'irogeno per via elettrochimica meiante una reazione i combustione controllata, in cui il combustibile è irogeno, il comburente è ossigeno e il prootto finale è acqua. Il combustibile usato per la cella è, come etto, l'irogeno, ma in alcuni casi essa può essere alimentata irettamente con irocarburi che subiscono all'interno ella macchina una trasformazione che permette i separare e eliminare il carbonio. E il caso a esempio el reforming el metanolo (CH 3 OH+H O = CO +3H ) o i altri combustibili a isposizione. Sistemi i accumulo i energia: Uno ei maggiori ostacoli alla iffusione elle fonti energetiche rinnovabili è costituito al fatto che spesso sono fonti iscontinue e aleatorie, soprattutto per quanto riguara il solare, l eolico e in qualche misura, il mini e il micro iroelettrico. In una micro-rete, è i fonamentale importanza immagazzinare l energia meiante sistemi i accumulo. Durante eventuali picchi i carico, infatti, la micro-gri potrebbe non essere in grao i risponere alle variazioni i carico senza un immeiata isponibilità i energia. I sistemi i accumulo iventano inispensabili in tutti quei casi che veono impiegate massicce quantità i prouzione a fonti rinnovabili. E necessario aottare ei sistemi i accumulo che abbiano un ciclo i carica-scarica con il renimento energetico netto più elevato possibile. In tal senso, si consieri che l'accumulo i energia è interessante quano l'energia recuperata utile netta, etratta quini anche ell'energia spesa per il funzionamento egli ausiliari (pompe, scambiatori, controlli, ecc), è maggiore el 70% ell'energia in entrata. Nelle reti i potenza classiche, il più semplice sistema i accumulo ell energia è legato all inerzia ei generatori: quano si ha un incremento i carico in rete, il eficit iniziale i

16 Micro-reti i istribuzione: controllo e moelli elle sorgenti potenze è soisfatto all inerzia el sistema, a iscapito i una piccola riuzione ella frequenza i rete. Nel caso i una micro-rete, per mantenere tensione e frequenza all'interno ei limiti, è invece necessario poter isporre i forme i energia aventi una rapia risposta. Per questo motivo vengono principalmente utilizzati ei sistemi come batterie, volani e superconesatori. Le batterie sono le apparecchiature più traizionali per l accumulo i energia. In questo caso, ato che l energia è sotto forma i corrente continua, è necessaria l interfaccia con inverter. Il volano, invece, accumula energia a alta velocità (fino a rpm) ruotano accoppiato al motore/generatore. La rotazione avviene a una velocità elevata al momento che l energia accumulata è proporzionale proprio al quarato ella velocità. I superconensatori, infine, sono conensatori elettrolitici a elevata capacità che immagazzinano energia sotto forma i carica elettrostatica. Tali componenti presentano una notevole velocità i scarica: per questo motivo essi possono essere utilizzati per le rapie variazioni i carico nelle MicroGri. [5] In linea el tutto generale benefici economici erivanti alla gestione ell impianto con accumulatori possono essere ottenuti con: LOAD LEVELLING: livellamento el profilo i carico, realizzano un assorbimento alla rete pari alla potenza meia i quella istantanea assorbita, compensano con l accumulo gli scostamenti a tale meia. PEAK SHAVING: eliminazione ei picchi i potenza più elevati attraverso l utilizzo el sistema i accumulo, imensionano l interfaccia lato rete con una potenza inferiore a quella i picco. L abbassamento ella potenza i picco impegnata può apportare economie nella gestione ell impianto per effetto ella riuzione ella quota elle tariffe ell energia elettrica legate alla potenza. Il corrispettivo per la potenza assorbita, solitamente è eterminato in base alla potenza contrattualmente impegnata o in base al picco i potenza massimo in un certo perioo (solitamente un mese). Per quanto riguara il picco si consiera la potenza meia nel perioo stabilito i integrazione (solitamente 5 minuti). Il istributore non à nessun limite i potenza istantanea, purché quella misurata nel quarto ora sia pari a quella impegnata. Ovviamente tutti i picchi i potenza oltre quella ichiarata non sono garantiti e unque potrebbero portare a frequenti interruzioni per sovraccarico ella linea con la quale viene alimentato l impianto. Il costo ella potenza che supera la soglia ella potenza impegnata è a aggiungere alla quota fissa mensile, calcolata in base alla potenza impegnata stessa. Solitamente all utente è lasciata anche la possibilità i scegliere egli impegni i potenza variabili nella giornata...3 Controllo e gestione ei carichi Il sistema i controllo ella micro-rete comprene anche la supervisione ei carichi, come a esempio la riuzione o la rimoulazione i eterminati carichi. Il controllo locale ei carichi eve attuare elle strategie per evitare picchi i omana rispetto ai piani energetici stabiliti e per garantire il bilanciamento. Il controllo el carico non ha solo lo scopo i garantire il bilancio energetico nel caso i funzionamento in isola, ma rientra nell ambito el management ella omana i energia che ha come scopo una maggiore efficienza e una riuzione ei costi. Il sistema i monitoraggio locale eve raccogliere i ati storici sui consumi in moo a renere possibile un analisi e la proiezione ei consumi futuri al fine i impostare

17 Capitolo : LE MICRO-RETI un efficace strategia i ottimizzazione energetica e quini anche vantaggi economici. Una riuzione el carico può essere richiesta quano c è uno squilibrio tra la omana e la fornitura i energia elettrica, per esempio per una richiesta i energia maggiore al picco previsto, o per guasti alla rete pubblica, o per guasti alle sorgenti i energia ella micro-rete. La moifica ella curva i assorbimento i energia a parte ei carichi può avere i seguenti obiettivi: Taglio el picco: cioè riurre il picco i carico usano un controllo iretto el carico. Il controllo iretto el carico è un mezzo per riurre il costo legato alla capacità i picco. Spostamento el carico: questo implica i spostare i carichi alla zona i picco alla zona fuori picco, con una iminuzione el costo meio ell energia consumata nel caso i prezzi minori nella zona fuori picco, o in ogni caso una riuzione el picco. Oltre a un opportuna pianificazione ei carichi, nella micro-rete eve esserci innanzitutto un sistema in grao i gestire la priorità ei carichi. La sequenza i riuzione ella omana ipene alla classificazione ei singoli carichi (critici, riucibili, riprogrammabili): Carichi critici: carichi che evono essere soisfatti in ogni momento, quali server e carichi legati a processi essenziali. Una micro-rete eve soisfare tutti i carichi critici in moo prioritario rispetto a qualunque altro carico. Carichi riucibili: L'entità i alcune richieste potrebbero essere flessibili. Alcuni carichi hanno un livello preferito, ma il livello ella omana può essere abbassato a scapito i un certo costo o isagio. Un esempio è l aria conizionata. I carichi riucibili possono essere caratterizzati ai seguenti parametri: omana a pieno carico, percentuale i carico che può essere riotta, costi ella riuzione, penenza ella rampa con cui il carico può variare, lunghezza el perioo in cui il carico può essere riotto, e frequenza massima elle riuzioni. Carichi riprogrammabili: alcuni carichi possono essere flessibili nella loro programmazione i richiesta i energia, per esempio si può evitare l avvio contemporaneo i più motori per riurre il picco i corrente. La riprogrammazione potrebbe coinvolgere anche l'esecuzione i alcune attività con elevato assorbimento i energia spostanole nel corso ella giornata. I carichi riprogrammabili possono essere caratterizzati ai seguenti parametri: omana el carico, lunghezza temporale massima i rinegoziazione, costo ella riprogrammazione, tempo necessario prima che l azione possa avere effetto, e il tasso i riuzione el carico una volta che è stato rimoulato. Il controllo con la possibilità i tagliare e riprogrammare l assorbimento ei carichi è importante per il controllo el profilo i prelievo i energia ella micro-rete. Vista anche l elevata aleatorietà i alcune sorgenti i energia rinnovabile, la possibilità i tagliare e riprogrammare i carichi iventa importante per rispettare il profilo i prelievo i potenza previsto e limitarne il picco. [6][7]..3. Riuzione el carico La riuzione el carico eve avvenire per risponere ai isturbi che nascono nella rete nei casi si abbia una eficienza nella generazione rispetto ai consumi, a causa i guasti o perite 3

18 Micro-reti i istribuzione: controllo e moelli elle sorgenti i generatori. L entità ella riuzione eve essere aeguata al isturbo e anche il tempo i intervento eve essere opportuno.[8][9] Sistemi convenzionali utilizzati per la riuzione el carico sono: Relè i frequenza: intervengono nel caso i calo i frequenza Controllori a logica programmabili (PLC) A- Schema con relè i frequenza La frequenza tene a variare appena non sia più pareggiato il bilancio complessivo fra potenze prootte e potenze attive richieste. I relè i frequenza rilevano ogni rapia o grauale iminuzione ella frequenza e avviano un intervento a graini egli interruttori interbloccati collegati ai carichi. Quano la frequenza scene al i sotto el livello i frequenza fissato per il primo graino, il relè aspetta un tempo prefissato, per evitare un intervento inutile, e poi mana il segnale i apertura a uno o più interruttori collegati ai carichi. Questo viene fatto per cercare i ribilanciare prouzione e consumi e quini far risalire la frequenza. Se la frequenza continua a scenere, quano raggiunge il valore corrisponente al graino successivo e opo un ulteriore tempo i ritaro, il ispositivo fa aprire altri interruttori collegati ai carichi. Uno schema che rappresenta il moo i intervento è rappresentato in figura.4. Fig..4: Schema i sistema i riuzione el carico meiante relè i frequenza Questo sistema i riuzione el carico ha alcuni problemi: Tempo i risposta lento ei relè: come etto oltre al tempo necessario perché la frequenza scena al valore i intervento el relè, viene introotto un tempo i ritaro per evitare interventi intempestivi urante variazioni transitorie ella frequenza. Distacco i carico eccessivo o comunque non opportuno: il relè viene impostato secono le conizioni i isturbo più gravi, e quini l entità el istacco i carico può essere eccessiva in caso i guasto non grave. Questo sistema non consente i rilevare ulteriori informazioni come il tipo e la collocazione el isturbo. Quano i relè eterminano che la frequenza è scesa al i sotto ella soglia i intervento, aprono gli interruttori prefissati, inipenentemente alle conizioni i carico con cui stanno operano gli utilizzatori a essi collegati. La sequenza i intervento egli interruttori può non essere ottimale e eventuali moifiche evono essere a livello harware. 4

19 Capitolo : LE MICRO-RETI B- Sistema i riuzione el carico con PLC Con uno schema basato su controllori a logica programmabile, la riuzione i carico viene comunque avviata in base a un sistema i controllo i frequenza, o in base a altri segnali i controllo. Ogni sottosistema è otato i un PLC che è programmato per il controllo ella sequenza i istacco i un gruppo i carichi. La sequenza i istacco ei vari interruttori controllati al PLC può essere così programmato in base a altre informazioni provenienti al monitoraggio el sistema. La sequenza può essere facilmente cambiata a livello software...3. Sistema intelligente i riuzione el carico A causa egli inconvenienti ei metoi traizionali i riuzione el carico, è opportuno utilizzare un sistema i riuzione el carico intelligente (Intelligent Loa Sheing ILS), in grao i migliorare il tempo i risposta e fare una veloce, ottimale e affiabile riuzione el carico. Questo approccio richiee una conoscenza globale el sistema e ei suoi vincoli, assieme alla conoscenza el isturbo. Le informazioni richieste sono: Conizioni el funzionamento prima el isturbo: omana totale el sistema, potenza scambiata con la rete principale, potenza generata a ogni sorgente, riserva i ogni sorgente, impostazioni i controllo per ogni unità in funzione, configurazione e vincoli el sistema (numero linee, flussi i potenza, capacità elle linee, grao i carico ei carichi in particolare i quelli che possono essere tagliati, ecc ) Conizioni i funzionamento successive al isturbo: nuova omana i carico, sorgenti rimaste isponibili, riserva per ogni sorgente isponibile, tempo necessario per aumentare la prouzione, nuova configurazione el sistema, stato ei carichi che possono essere tagliati. Natura e urata el isturbo: completa o parziale perita ella connessione alla rete pubblica, completa o parziale perita i sorgenti interne, aggiunta i carico, locazione el isturbo, urata el isturbo, interruzione el isturbo (autoestinzione, guasto i isolamento, intervento el sistema i protezione ecc..). Risposta transitoria el sistema al isturbo: Risposta ella frequenza e ella tensione el sistema, stabilità el sistema, interventi ei sistemi i protezione. I moerni sistemi i acquisizione ati e monitoraggio sono in grao i rilevare e riorinare i ati i funzionamento e quini ottenere le preceenti informazioni necessarie. Il power management system eve acquisire i ati che sono essenziali, analizzarli e garantire le seguenti funzioni: Memorizzare la configurazione el sistema e le conizioni in cui eve essere istaccato o aggiunto un carico Preveere la risposta el sistema con tutte le possibili configurazioni. Utilizzare le conoscenze fornite alle casistiche inserite al progettista Aattamento automatico ai cambiamenti el sistema Prenere veloci e corrette ecisioni riguaro la riuzione i carico in base alla loro priorità e in base allo stato egli interruttori ei carichi Distaccare la minima quantità i carico per mantenere la stabilità e la frequenza nominale In figura.5 è rappresentato lo schema i un sistema intelligente i riuzione i carico (ILS) che comprene i seguenti blocchi: 5

20 Micro-reti i istribuzione: controllo e moelli elle sorgenti Fig..5: Schema a blocchi elle funzioni i un ILS Sistema i monitoraggio: controlla costantemente il sistema, il cambiamento elle conizioni i funzionamento, i flussi i potenza, lo stato ei generatori e ei carichi. Moelli ella rete: contengono la topologia el sistema, informazioni sulle connessioni, e le proprietà ei componenti el sistema. Lista ei isturbi: lista contenente i possibili isturbi el sistema Base i conoscenza: atabase contenente preefiniti ati ingresso e i corrisponenti ati uscita calcolati in base ai moelli ella rete e a stui e simulazioni el sistema fatti off-line. La risposta inamica el sistema, comprese le variazioni i frequenza, sono tra le uscite i questo blocco. Sistema i calcolo: in base ai ati monitorati, agli aggiornamenti sul sistema e ai ati forniti al blocco Base i conoscenza, il sistema i calcolo perioicamente aggiorna le tabelle i riuzione i carico, garanteno così che nel caso si verifichi un isturbo, venga tagliata la quantità i carico ottimale. Controllori istribuiti: si utilizzano sistemi i controllo o PLC per controllare gli interruttori ei carichi in base alla sequenza i riuzione stabilita e inviata al sistema i calcolo...4 Sistemi i comunicazione Le tecnologie utilizzabili possono essere suivisi nelle tre seguenti categorie: Sistemi powerline (PLL, etti anche sistemi a one convogliate): tecnologia per la trasmissioni ati che utilizza la rete i alimentazione elettrica. Si realizza sovrapponeno al trasporto i corrente elettrica, continua o alternata a frequenza inustriale un segnale a frequenza più elevata che è moulato all'informazione a trasmettere. La separazione ei ue tipi i correnti si effettua grazie al filtraggio e separazione egli intervalli i frequenze utilizzate. Questi sistemi sono utilizzati principalmente per il controllo ei consumi e ei carichi, anche se lo sviluppo ella tecnologia ha portato al suo utilizzo anche per i sistemi i controllo egli interruttori; Cavi telefonici e fibra ottica ; Sistema Wireless (senza fili) : non fa uso i cavi e utilizza one raio a bassa potenza. Costituisce una soluzione a basso costo in quanto permette i comunicare virtualmente a qualsiasi punto eliminano il cablaggio. Ogni sistema i comunicazione wireless è composto a un trasmettitore, un ricevitore e agli elementi eputati all'irraiazione 6

21 Capitolo : LE MICRO-RETI elettromagnetica ovvero alla trasuzione elettro-elettromagnetica e viceversa ovvero le antenne, i laser, i fotorivelatori. Tra i vari stanar possibili per le comunicazioni fra i sistemi che costituiscono una microgri le più utilizzate sono sicuramente lo stanar RS-485 e Ethernet. Nell Aprile el 003 è stato pubblicato lo stanar IEC Tale ocumento i stanarizzazione, nato per applicazioni nell ambito ell automazione elle sottostazioni i istribuzione ell energia, può essere convenientemente utilizzato per le comunicazioni tra le apparecchiature nelle micro-reti. Questo stanar può essere applicato sia su sistemi wireless, sia su fibbra ottica sia su sistemi powerline. Alcuni sviluppi el protocollo IEC 6850 sono: per le comunicazioni per il controllo e il monitoraggio negli impianti i prouzione iroelettrici, per le comunicazioni per le sorgenti i energia istribuite, per le comunicazioni tra sottostazioni, IEC per le comunicazioni per il controllo e il monitoraggio negli impianti i prouzione i energia eolica. Spesso si usa lo stanar IEC 6850 per la comunicazione i ispositivi a livello locale, mentre si usa il protocollo IEC /04 tipicamente per il controllo remoto..3 Ambiti i ricerca e problematiche principali per le micro-gri I principali settori i sviluppo per le micro-reti si incentrano sulle problematiche i moellizzazione e sviluppo ei mezzi e elle tecnologie necessarie per costruire un infrastruttura sicura e affiabile. Lo sviluppo si realizza in base alle aree funzionali: a) Creazione i moelli: Stilare un catalogo i componenti, strategie i controllo operative e casi test per le micro-reti; Sviluppare moelli i reti e risorse rinnovabili; Creare elle funzioni test per la rilevazione ei comportamenti principali in eterminate inamiche; Creare elle linee guia per i ispositivi elle micro-reti in moo a attuare compatibilità e scambio; Integrare i progetti i micro-reti con i sistemi già esistenti. b) Sviluppo elle tecnologie: Sistemi affiabili i test e misura sulle prestazioni; Ampliamento elle bane i trasmissione, comunicazioni sicure e affiabili; Applicazione sia ella tensione alternata sia ella tensione continua per la istribuzione; Sviluppo i metoi per il controllo elle DER e il controllo elle tensioni; Elettronica i potenza per la conversione e lo stoccaggio ell energia e per la gestione ella potenza reattiva. c) Dimostrazione e valutazione: Verifica elle prestazioni elle tecnologie micro-reti inclusi metoi i controllo e interoperabilità; Archiviazione i ati i analisi e moellizzazioni; Costruzione i processi e infrastrutture per i test e il supporto. 7

22 8

23 Capitolo : ANALISI E MODELLI DELLE SORGENTI DI ENERGIA CAPITOLO ANALISI E MODELLI DELLE SORGENTI DI ENERGIA. Introuzione In questo capitolo vengono analizzate e moellizzate alcune possibili sorgenti i energia e componenti i una micro-rete. I componenti trattati sono: sistema fotovoltaico, batterie, generatore con motore iesel, sistema eolico, convertitore per l interfaccia elle sorgenti con la rete.. Fotovoltaico Il fotovoltaico consiste nella conversione iretta ell energia solare in elettricità attraverso un fenomeno fisico-chimico enominato effetto fotovoltaico. L effetto fotovoltaico è noto fin al 839, e trova il suo fonamento nell esperienza el fisico francese Emon Becquerel (80-89) che presentò alla Accaemia elle Scienze i Parigi la sua Memoria sugli effetti elettrici prootti sotto l influenza ei raggi solari. Solo nel 954, opo lo sviluppo ei processi per la prouzione i silicio cristallino, Person, Fuller e Chapin, ottennero la prima cella solare commerciale in silicio realizzata all interno ei laboratori Bell. Le celle solari oggi comunemente usate sono quelle al silicio cristallino, al silicio monocristallino e al silicio amorfo. La struttura tipica i un sistema fotovoltaico e rappresentata in figura. e è composta a mouli fotovoltaici, a un convertitore DC/DC, a un convertitore DC/AC (inverter) e ai sistemi i controllo associati. Più mouli sono collegati in serie e in parallelo a formare una schiera (array) fotovoltaica. I mouli sono raggruppamenti piani i celle fotovoltaiche, i potenza che va ai 0 ai 00 W i picco erogati nelle conizioni i raianza nominale. Il moello a singolo ioo rappresentato in figura. è uno ei più comuni e semplici moelli usati per rappresentare la caratteristica elettrica i una singola cella fotovoltaica. Essa è rappresentata come un generatore i corrente I L con in parallelo un ioo, una resistenza in parallelo R sh legata alla corrente i ispersione verso terra, e una resistenza in serie R s che rappresenta le perite interne ovute al flusso i corrente. [][] Fig..: sistema fotovoltaico con conversione a ue stai 9

24 Micro-reti i istribuzione: controllo e moelli elle sorgenti Fig.. : moello a singolo ioo i una cella fotovoltaica La cella connessa a un circuito con carico, colpita a raiazione, prouce corrente elettrica continua chiamata anche foto corrente (I L ). In efinitiva al buio la cella si comporta come un ioo, mentre esposta a raiazione si comporta come un generatore i corrente continua. Se alla cella non è connesso nessun carico (conizione i circuito aperto) ai morsetti ella cella stessa si formerà una ifferenza i potenziale massima nota come tensione a vuoto (open circuit voltage, V 0 ), con corrente circolante nulla. La tensione a vuoto ella cella è: V0 = V + Rs I (.) Dove V è la tensione ai terminali ella cella [V] In conizione i cortocircuito si misura una corrente massima etta corrente i cortocircuito (short circuit current, I scc ). La corrente erogata è ata a: qv0 AkT V 0 I = I L I D e (.) R sh Dove: G I L = [ I scc + K I ( T 5) ] (.3) 000 I D = I Dr T T r 3 e qe GO BK Tr T (.4) Dove: q: carica ell elettrone (, C) K: costante i Boltzmann (, J/K) T: temperatura in K I L : corrente generata alla raiazione solare I D : corrente inversa i saturazione ella cella A, B: costanti ella giunzione p-n G: raianza solare in W/m I scc : corrente i cortocircuito a 5 C e 000 W/m K I : coefficiente i variazione ella corrente i cortocircuito con la temperatura E GO : ban gap ella giunzione T r : temperatura i riferimento, T r =30,8 K I Dr : corrente i saturazione ella cella alla temperatura T r 0