UNITÀ OPERATIVA DI CASSINO

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1 UNITÀ OPERATIVA DI CASSINO DIPARTIMENTO DI AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA INDUSTRIALE DAEIMI VIA G. DI BIASIO CASSINO 1. PRODUZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA Nel settore della produzione dell energia elettrica la ricerca ha continuato a concentrarsi sul controllo dei generatori sincroni. Negli anni precedenti erano state studiate ed introdotte delle tecniche innovative di controllo dell eccitazione delle macchine sincrone con l obiettivo di aumentare le prestazioni della regolazione della tensione nei nodi di generazione e di garantire tali prestazioni al variare delle condizioni di funzionamento del sistema elettrico. In questo biennio tali tecniche sono state rivisitate ed estese per perseguire l ulteriore obiettivo di aumentare la stabilità delle macchine rispetto ai modi di oscillazione sottosmorzata introdotti dalla regolazione della tensione. In [PROD-CASS1] le tecniche di controllo robusto sono state applicate al modello elettromeccanico del generatore sincrono per portare in conto delle variazioni delle condizioni di funzionamento a fronte di piccole e grandi perturbazioni. E stato proposto un unico controllo a retroazione degli stati basato sulla soluzione di un equazione di Riccati con l obiettivo di garantire sia la stabilità che gli obiettivi di regolazione della tensione anche in di un disturbo ignoto ma limitato. In [PROD-CASS2] le tecniche di controllo non lineare sono state applicate al AVR e al PSS di un generatore sincrono. L obiettivo è di garantire sia il rapido smorzamento delle oscillazioni elettromeccaniche in seguito ad un corto circuito che il ripristino della tensione ai valori di pre-guasto nelle nuove condizioni di funzionamento post-guasto. L AVR è stato progettato con la tecnica della compensazione delle non linearità, mentre la scelta dei guadagni del PSS è legata direttamente al fattore di attenuazione del disturbo dovuto all interazione con l azione del AVR e alla frequenza e allo smorzamento delle oscillazioni elettromeccaniche. In [PROD-CASS3] la tecnica di controllo a retroazione degli stati è stata applicata separatamente al AVR e al PSS, con lo scopo di semplificare l approccio alla progettazione dei due componenti. I guadagni dei due controllori sono messi in diretta relazione con le specifiche definite sulla risposta ad anello chiuso delle variabili di stato elettromeccaniche. I controllori garantiscono teoricamente un funzionamento stabile dell anello chiuso al variare delle condizioni di funzionamento, sebbene tale risultato è ottenuto nell ipotesi di modellare l interazione tra le due azioni di controllo mediante due disturbi limitati. Infine, in [PROD-CASS4] tale ipotesi è stata rimossa e una progettazione più complessa di AVR e di PSS è stata sviluppata portando in conto l interazione tra le due azioni di controllo mediante la teoria dei sistemi inversi. [PROD-CASS1] G. Fusco, M. Russo: Robust design of excitation controller for transient stability and voltage regulation in power systems, 18 th IEEE Mediterranean Conference on Control and Automation (MED10), Marrakech, Marocco, giugno 2010, pp [PROD-CASS2] G. Fusco, M. Russo: Nonlinear design of excitation controller and power system stabilizer for voltage regulation and transient stability, 2010 American Control Conference, Baltimore, USA, giugno-luglio 2010, pp Pagina 1 di 14

2 [PROD-CASS3] G. Fusco, M. Russo: A simple design approach for excitation controller and power system stabilizer, ASME 2010 Dynamic Systems and Control Conference (DSCC2010), Cambridge, USA, settembre 2010 [PROD-CASS4] G. Fusco, M. Russo: Nonlinear control design for excitation controller and power system stabilizer Control Engineering Practice, Elsevier Ltd., vol. 19, n. 3, marzo 2011, pp TRASMISSIONE E MERCATO DELL ENERGIA ELETTRICA Nel settore della trasmissione dell energia elettrica è stato affrontato il seguente tema: Gestione ottimale degli impianti di produzione nel mercato elettrico Controllo decentralizzato dei generatori in un sistema multimacchina 2.1 Gestione ottimale degli impianti di produzione nel mercato elettrico Nel quadro di un mercato liberalizzato, è stato affrontato il problema dello unit commitment delle unità di produzione. Lo unit commitment rientra nella cosiddetta gestione di breve termine, che copre l arco di una giornata suddivisa in ore. Sulla base di previsioni circa prezzo e domanda, vengono determinati i livelli di produzione da far assumere ora per ora ai diversi gruppi/centrali del produttore; strettamente collegata a tale determinazione è la scelta dei gruppi (unit commitment), tra quelli disponibili, da tenere in servizio nelle diverse ore della giornata. La trattazione di tali aspetti, viene vista come un unico problema, indicato come Unified Unit Commitment (U-UC) Nel lavoro [TRAS-CASS1] si è affrontato il problema dello UC in un contesto di mercato oligopolistico. Quest'ultimo determina una mutua influenza tra i soggetti operanti sul mercato e richiede che gli operatori tengano conto in modo opportuno delle decisioni altrui per assicurare l'ottimalità delle proprie scelte. Il comportamento di un produttore in ambito oligopolistico è ben rappresentabile mediante la curva di domanda residua vista dal produttore stesso; essa dipende dalla domanda di energia elettrica e dal comportamento degli altri attori del mercato elettrico. Per modellare in maniera realistica l'attività di un produttore che intende operare nel mercato del giorno prima, si è scelto di tenere debito conto dell'incertezza sulla conoscenza delle curve di domanda residua. L'approccio adottato è di tipo "mean-variance", che consente di tener conto delle incertezze che si accompagnano alla conoscenza della curva di domanda residua nonché di descrivere il grado di avversione al rischio del produttore. Le limitazioni al funzionamento delle unità di generazione (vincoli di rampa, minimo tempo di accensione e spegnimento, limiti sul minio e sul massimo della potenza generabile) sono state compiutamente rappresentate. Con riferimento poi all'ingresso nel mercato elettrico di nuovi produttori con tecnologie di conversione più efficienti (ciclo combinato), nel lavoro [TRAS-CASS2], si è esaminata l'influenza delle caratteristiche di tali impianti (taglia adottate, modalità di gestione, caratteristiche delle modalità di accensione e del costo del combustibile) sulle curve di costo. Si è quindi esaminato l impatto di tali curve sullo U-UC. L'analisi è stata svolta per un particolare scenario di posizionamento nel mercato del produttore, visto come price-taker. Gli sviluppi previsti comprendono l'allargamento dell'analisi al caso della partecipazione del produttore ad un mercato oligopolistico, che veda il produttore poter influenzare prezzi e quantità; in ciò sfruttando modelli e metodi messi a punto nell'attività [TRAS-CASS1]. Pagina 2 di 14

3 [TRAS-CASS1] G.M. Casolino, G. Liuzzi, A. Losi: Unit commitment in oligopolistic markets by nonlinear mixed variable programming, pubblicato su Optimization and Engineering, Springer, vol. 11, no. 2, pp , DOI: /s , December 15, 2010 [TRAS-CASS2] G.M. Casolino, A. Losi, M Russo: Technical and economical aspects in the combined-cycle unit commitment in deregulated markets, dopo lungo tempo e sollecito degli autori, ancora in attesa del referaggio per la pubblicazione sulla rivista International Journal of Electrical Power and Energy Systems. 2.2 Controllo decentralizzato dei generatori in un sistema multimacchina Gli studi sviluppati sul controllo dei generatori sincroni negli impianti di produzione dell energia elettrica sono stati la base per l inizio di una nuova attività che riguarda l adozione di un approccio decentralizzato al controllo dei sistemi di trasmissione multimacchina. In [TRAS-CASS3] il sistema elettrico con n generatori sincroni è stato decomposto in altrettanti sottosistemi. Ciascun sottosistema è stato rappresentato con due modelli a stati (quello elettrico e quello meccanico) i cui parametri presentano incertezze; l accoppiamento tra i sottosistemi attraverso la rete di trasmissione è modellato con alcuni parametri tempo dipendenti. Per ciascun sottosistema sono progettati due anelli di controllo a retroazione degli stati, che presentano caratteristiche di robustezza rispetto alle variazioni dei parametri e di reiezione ai disturbi di modello. I risultati dello sviluppo della progettazione risultano essere di semplice applicazione senza richiedere la risoluzione di problemi di particolare complessità. [TRAS-CASS3] G. Fusco, M. Russo: A straightforward design of decentralized controllers for multimachine power systems 19 th IEEE Mediterranean Conference on Control and Automation (MED11), Corfù, Grecia, giugno 2011, paper DISTRIBUZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA Nel settore della distribuzione dell energia elettrica sono stati affrontati i seguenti temi: Nuove tecniche di analisi spettrale per la valutazione dei livelli di inquinamento armonico Indici, regolamentazione e stima economica della qualità della tensione Nuovi metodi per l analisi probabilistica di rete elettriche di distribuzione in presenza di dissimmetrie Strategie di pianificazione ottimale dei sistemi elettrici di distribuzione Strategie di gestione ottimale delle Smart Grid Analisi in regime permanente di reti di distribuzione in presenza di generazione da fonte rinnovabile Nuovi metodi di valutazione della severità dei buchi di tensione Gestione e controllo multisito di unità di micro-cogenerazione disperse basate su celle a combustibile Modellazione della generazione distribuita da fonte rinnovabile per la simulazione dei sistemi di distribuzione Controllo decentralizzato della tensione nelle reti di distribuzione con generazione distribuita Pagina 3 di 14

4 Sistemi di gestione e controllo delle reti di distribuzione in presenza di Active Demand 3.1 Nuove tecniche di analisi spettrale per la valutazione dei livelli di inquinamento armonico Nei sistemi di potenza attuali la presenza di carichi sorgenti di disturbi può causare notevoli distorsioni delle forme d onda di corrente e di tensione ed in alcuni casi la non stazionarietà di tali forme d onda si traduce in variazioni nel tempo delle componenti spettrali, sia in termini di ampiezza che di frequenza. Nel lavoro [DIST-CASS1] è stato, proposto un nuovo metodo di analisi spettrale delle forme d onda di un azionamento a frequenza variabile. Questo nuovo metodo si basa su una procedura a tre passi che sfrutta il fatto che la teoria della modulazione rende possibile conoscere in modo immediato ed analitico le frequenze delle componenti armoniche ed interarmoniche presenti nella corrente assorbita dall azionamento. Il primo passo del metodo proposto applica una tecnica ibrida ESPRIT/Prony per calcolare le ampiezze e le frequenze della fondamentale e delle interarmoniche contenute nella solita aliquota del segnale originario compresa in un intervallo di frequenze inferiore a 100 Hz. Nel secondo passo vengono applicate le formule analitiche della teoria della modulazione per calcolare le frequenze delle armoniche e delle interarmoniche contenute nella parte restante del segnale. Nel terzo passo, infine, viene applicato il metodo di Prony per ottenere le ampiezze delle armoniche e delle interarmoniche della forma d onda analizzata nel secondo passo. Applicazioni numeriche a forme d onda provenienti da un azionamento reale dimostrano la precisione del metodo proposto ed il suo ridotto onere computazionale (ancora una volta, ovviamente, rispetto alla applicazione di un solo metodo parametrico). [DIST-CASS1] A. Bracale, P. Caramia, L. Piegari, P. Tricoli, F. Scarpa: A New Advanced Method for Assessment of Waveform Distortions Caused by Adjustable Speed Drive, IEEE IAS 2011 Annual Meeting, Orlando, USA, October 9-13, Indici, regolamentazione e stima economica della qualità della tensione Come ben noto, la liberalizzazione del mercato dell energia elettrica ha accresciuto l interesse da una parte per la valutazione e la caratterizzazione anche economia attraverso indici dei disturbi della qualità del servizio elettrico e dall altra l esigenza di una appropriata regolamentazione della stessa. Nel lavoro [DIST-CASS2] sono stati presentati nuovi indici di sito e di sistema capaci di quantificare gli effetti prodotti dalla generazione distribuita sui livelli di Power Quality di una rete di distribuzione attiva. In particolare, sono stati introdotti indici probabilistici per caratterizzare le variazioni delle distorsione delle forme d onda, delle variazioni lente della tensione e dei buchi di tensione in seguito alla connessione di nuovi impianti. Gli indici proposti in questo lavoro si rivelano molto utili in fase di pianificazione delle nuove installazioni di impianti di generazione distribuita e permettono di fare dei validi confronti tra diverse tipologie di impianti, connessioni e nodi di installazione; essi possono, inoltre, essere di grande aiuto in un approccio multi-obiettivo Pagina 4 di 14

5 alla pianificazione delle reti di distribuzione attive. Le applicazioni numeriche presentate si riferiscono a due reti di distribuzione reali, una a 17 nodi e l altra a 120 nodi. Nel lavoro [DIST-CASS3], poi, è stato proposto l utilizzo di indici globali come strumento da impiegare per la regolamentazione della qualità della tensione. In particolare, nel lavoro è stato proposto un meccanismo di regolamentazione della qualità della tensione a livello di sistema, simile a quello proposto dall Autorità per la regolamentazione della continuità dell alimentazione, basato sull introduzione di penalità ed incentivi. Nel lavoro [DIST-CASS4], si descrive la strada tracciata dalla Comunità scientifica Nazionale ed internazionale per garantire il miglioramento della qualità nel settore elettrico dove ancora le attese del settore spingono verso una prospettiva sempre più concreta di regolazione e miglioramento. Con tale orizzonte, si propone la definizione di una cornice unitaria per tutti i disturbi della tensione quale strumento più efficace per superare le difficoltà oggettive di regolazione unitaria di un fenomeno caratterizzato da più parametri. Il lavoro [DIST-CASS5] è il report finale del Gruppo di lavoro congiunto (Joint Working Group, JWG) CIGRE e CIRED sul tema della stima economica della Power Quality. Il report presenta metodi e strumenti per valutare non i costi della Power Quality classificandoli per tipo di disturbo (variazioni ed eventi), per tipo di sistema (utilities e utilizzatori) e per tipo di scenario di analisi (deterministico e probabilistico). Il lavoro pluriennale del JWG è stato finalizzato a dare un contributo nello scenario internazionale per standardizzare le stime economiche della PQ altrimenti non comparabili. Il report riporta anche casi concreti di esempio per indirizzare agevolmente l applicazione dei metodi. [DIST-CASS2] A. Bracale, P. Caramia, G. Carpinelli, A. Russo, P. Verde: Site and System Indices for Power Quality Characterization of Distribution Networks with Distributed Generation, accettato per la pubblicazione su IEEE Transactions on Power Delivery. [DIST-CASS3] A. Bracale, P. Caramia, G. Carpinelli, P. Verde, R. Chiumeo, F. Tarsia: System Voltage Quality Regulation for Continuous Disturbances, IEEE Power Engineering Society General Meeting. Minneapolis, July 2010, Minneapolis, USA [DIST-CASS4] P. Verde: La qualita della tensione: traguardi, attese e prospettive, AEIT, Giugno [DIST-CASS5] J. Gutierrez Iglesias, D. Arlt, G. Bartak, M. Bollen, D. Byrne, D. Chapman, A. Delahunty, P. Eyrolles, E. Fumagalli, M. Hager, Z. Hanzelka, B. Howe, R.Jahn, A. McEachern, I. McMichael, J. V. Milanovic, P. Pazos, R. Targosz, M. Tremblay, J. Van Casteren, M. Van Den Bergh, R. Venkatesh, P. Verde Economic Framework for Power Quality, Final Report, JWG CIGRE-CIRED C4.107, Settembre Nuovi metodi per l analisi probabilistica di rete elettriche di distribuzione in presenza di dissimmetrie Lo stato di un sistema elettrico trifase dissimmetrico è normalmente determinato mediante il load-flow trifase in cui si fa tipicamente riferimento a scenari deterministici. Se si vogliono, invece, portare in conto le aleatorietà che inevitabilmente sono presenti nelle condizioni di funzionamento Pagina 5 di 14

6 normali di un sistema elettrico dissimmetrico si deve fare riferimento al load-flow trifase probabilistico che, quasi sempre, si basa sul metodo di simulazione Monte Carlo. Tale metodo, però, come ben noto, può richiedere oneri computazionali veramente significativi, soprattutto nel caso di reti a grandi dimensioni. Nel lavoro [DIST-CASS4] viene, allora, proposto, quale alternativa al metodo Monte Carlo, l impiego del Point Estimate Method. Con tale metodo, che consente una drastica riduzione degli oneri computazionali, si calcolano i momenti delle variabili aleatorie che individuano lo stato del sistema grazie alla risoluzione di un numero molto limitato di load flow trifase deterministici; il numero di tali load flow è funzione del numero di variabili aleatorie del modello da risolvere. Il metodo, grazie ad una opportuna trasformazione delle variabili aleatorie di ingresso impiegata nel lavoro, può anche essere applicato al caso in cui le variabili aleatorie di ingresso del modello sono tra loro correlate. Nel lavoro [DIST-CASS5] il metodo proposto in [DIST-CASS4] è stato esteso all analisi a regime delle reti di distribuzione dissimmetriche in presenza di generazione distribuita da fonte eolica, portando, così, in conto anche l aleatorietà della produzione di energia elettrica da fonte eolica. Particolare attenzione è stata posta nella scelta del modello in trifase dei generatori asincroni e nella formulazione del metodo più adeguato a portare in conto, nel caso in cui sono presenti più generatori eolici in nodi differenti della rete, le caratteristiche a tratti che legano le velocità del vento e le potenze erogate dagli aeromotori. [DIST-CASS4] P. Caramia G. Carpinelli, P. Varilone: Point Estimate Schemes for Probabilistic Three-Phase Load flow, Electric Power Systems Research Elsevier Vol. 80, no. 2, February 2010, pp [DIST-CASS5] A.Bracale, G. Carpinelli, P. Caramia, A. Russo, P. Varilone, Point Estimate Schemes for Probabilistic Load Flow Analysis of Unbalanced Electrical Distribution Systems with Wind Farms, Proceedings of 14 th IEEE PES ICHQP, Bergamo, Italia, September Strategie di pianificazione ottimale dei sistemi elettrici di distribuzione La pianificazione delle reti di distribuzione è stata oggetto, negli ultimi anni, di grande interesse a livello di ricerca internazionale, sia per l avvento della generazione distribuita e dei sistemi di accumulo, e sia per lo sviluppo di nuovi algoritmi che consentono di risolvere in maniera sempre più efficace ed efficiente i vari modelli di ottimazione non lineare vincolata a variabili miste che spesso si formulano per risolvere i problemi tipici della pianificazione. In tale contesto, i lavori [DIST-CASS6] e [DIST- CASS7] affrontano il problema dell allocazione e del dimensionamento ottimali dei condensatori di rifasamento in una rete di distribuzione dissimmetrica in cui sono presenti sia carichi lineari che convertitori statici di vario genere. In particolare, nel lavoro [DIST- CASS6] sono stati posti a confronto vari algoritmi che consentono una riduzione dell onere computazionale necessario per la soluzione del problema di ottimazione formulato; i tempi di calcolo, infatti, tendono a diventare eccessivi in presenza di reti dissimmetriche con carichi non lineari. Gli algoritmi presi in esame sono gli algoritmi microgenetici che operano su spazi di ricerca ridotti; per la riduzione dello spazio di ricerca si è fatto ricorso ad analisi di sensibilità delle perdite alle iniezioni nodali di potenza reattiva ed alla teoria della struttura inerente. Nel lavoro [DIST-CASS7] il problema dell allocazione e del Pagina 6 di 14

7 dimensionamento ottimali dei condensatori è stato, invece, formulato come un problema di ottimizzazione probabilistica multi-obiettivo, in modo da portare in conto sia aspetti tecnici che economici del problema nonché le aleatorietà tipiche dei carichi alimentati dalla rete. Gli obiettivi tengono, infatti, conto sia degli aspetti economici legati alle perdite di rete ed ai costi di installazione dei condensatori che degli aspetti tecnici legati al profilo della tensione alla fondamentale, ai livelli di distorsione armonica e ai fattori di dissimmetria della tensione. Come tecnica di soluzione del problema multi-obiettivo è stata scelta la ben nota tecnica ε-constrained. Al fine di ridurre l onere computazionale, che nel caso di ottimazione probabilistica multi-obiettivo applicata a reti di grandi dimensioni può risultare veramente imponente, i vincoli di uguaglianza (equazioni di load-flow trifase probabilistico) sono stati espressi in forma linearizzata; si è fatto, poi, uso di un algoritmo micro-genetico all interno dell ε-constrained. Un applicazione ad una rete test dell IEEE ha dimostrato come uno studio probabilistico determina una pianificazione più realistica rispetto alle soluzioni ottenute quando il sistema viene analizzato considerando solo scenari di tipo deterministico. Nel lavoro [DIST- CASS8] è stato affrontato il problema dell allocazione e del dimensionamento ottimali sia dei condensatori di rifasamento che dei regolatori di tensione serie in una rete di distribuzione dissimmetrica; il problema è stato affrontato, ancora una volta, su base probabilistica per portare in conto la natura aleatoria dei carichi elettrici. Anche in questo caso, per ridurre l onere computazionale, i vincoli di uguaglianza del problema di ottimazione sono stati opportunamente semplificati, applicando la solita linearizzazione; è stata anche verificata la possibilità di impiegare il Point Estimate Method per la valutazione delle grandezze statistiche che caratterizzano le variabili aleatorie di interesse. Ancora una volta, un applicazione ad una rete test dell IEEE di distribuzione, ha dimostrato come uno studio probabilistico determina una pianificazione più realistica rispetto alle soluzioni ottenute quando il sistema viene analizzato considerando solo scenari di tipo deterministico. [DIST-CASS6] G. Carpinelli, C. Noce, D. Proto, A. Russo, P. Varilone: Optimal Allocation of Capacitors in Unbalanced Multiconverter Distribution Systems: A Comparison of Some Fast Techniques Based on Genetic Algorithms, Electric Power Systems Research Elsevier Vol. 80, no. 6, June 2010, pp [DIST- CASS 7] G. Carpinelli, C. Noce, D. Proto, A. Russo, P. Varilone: Probabilistic Approach for Multiobjective Optimal Allocation of Capacitor in Distribution Systems Based on Genetic Algorithms 11 th IEEE PES Conference PMAPS 2010, Singapore, June 2010 pp [DIST- CASS8] G. Carpinelli, C. Noce, P. Varilone: A probabilistic approach for Voltage Regulators and Capacitor Placement in three-phase unbalanced distribution systems 20 th International Conference on Electricity Distribution CIRED 11, Frankfurt, 6-9 June Strategie di gestione ottimale delle Smart Grid L attività di ricerca svolta nell ambito di tale sottotema ha riguardato lo studio di Smart Grids (SG) innovative in bassa tensione in cui sono presenti sistemi di accumulo elettrico (batterie REDOX o a bordo di veicoli plug-in) gestiti in maniera integrata ed ottimale. La SG a cui si è fatto riferimento è caratterizzata anche dalla presenza di impianti di produzione da fonte rinnovabile (in Pagina 7 di 14

8 particolare, solare ed eolica). Gli impianti fotovoltaici ed i sistemi di accumulo sono collegati alla SG tramite convertitori statici ed il loro funzionamento è coordinato grazie alla presenza di un nuovo sistema di supervisione e controllo. In particolare, nel lavoro [DIST-CASS9] è stata proposta una nuova strategia di gestione ottimale in tempo reale di una SG in bassa tensione in cui si ipotizzano, però, presenti anche aggregatori di veicoli plug-in, e cioè veicoli dotati di dispositivi di accumulo (ad esempio, batterie al Litio) in grado di caricarsi/scaricarsi in tempi molto rapidi. La strategia di gestione ottimale proposta prevede il conseguimento di obiettivi legati a servizi interni alla SG e, contemporaneamente, di obiettivi legati a servizi esterni e cioè a favore del sistema elettrico con cui la SG è interconnessa. In particolare, la strategia ha come obiettivo interno alla SG il suo funzionamento con livelli minimi di distorsione delle forme d onda, con un adeguato profilo delle tensioni, in tutti i nodi della SG od in aree in cui sono presenti carichi privilegiati, o a minime perdite. Per quanto riguarda, invece, gli obiettivi esterni, essi sono conseguiti attraverso: - il funzionamento Smart Charging, in cui la ricarica dei veicoli plug-in viene gestita nel tempo in modo ottimale, ad esempio per contribuire al bilanciamento tra generazione e carico; - il funzionamento Vehicle-to-Grid (V2G), in cui i sistemi di accumulo dei veicoli plug-in sono gestiti anche in fase di scarica in modo ottimale, ad esempio per garantire un flusso di potenza attiva contrattuale costante da o verso il sistema elettrico a cui la SG è interconnessa. I sistemi di accumulo a bordo dei veicoli plug-in, infine, possono essere controllati anche per compensare le aleatorietà delle potenze degli impianti eolici e fotovoltaici presenti nella SG. [DIST-CASS9] A. Bracale, P. Caramia, D. Proto: Optimal Operation of Smart Grids Including Distributed Generation Units and Plug in Vehicles, Renewable Energy & Power Quality Journal (RE&PQJ), N. 9, May Analisi in regime permanente di reti di distribuzione in presenza di generazione da fonte rinnovabile La presenza della generazione distribuita introduce nuovi problemi nell analisi delle reti di distribuzioni moderne, che richiedono modifiche, in alcuni casi sostanziali, delle metodologie da applicare per risolverli. Nei lavori [DIST-CASS10] è [DIST- CASS11] sono state illustrate criticamente e poste a confronto le metodologie più importanti proposte nella letteratura rilevante per l analisi in regime permanente delle reti di distribuzione in presenza di impianti eolici. In particolare, nel lavoro [DIST- CASS10], che si concentra sui metodi deterministici, è stata posta particolare attenzione nell illustrare la modellazione in regime permanente dell impianto eolico, prendendo in esame tutte le possibili configurazioni che sono state proposte dalla letteratura rilevante (fixed-speed, semivariable-speed, and variable-speed wind generation systems) e considerando anche il caso in cui l impianto eolico immette energia in una rete di distribuzione dissimmetrica. Nel lavoro [DIST- CASS11] sono stati, invece, applicati e messi a confronto diversi approcci per la caratterizzazione probabilistica delle variabili di stato e delle variabili dipendenti del problema in esame; in particolare, sono stati presentati approcci basati sul metodo di Monte Carlo, sulle tecniche di convoluzione, sui processi di Markov, sui metodi Bayesiani, sulla Universal Generating Function e Pagina 8 di 14

9 sull impiego di funzioni di distribuzione speciali. I modelli, deterministici e probabilistici, sono stati applicati sia ad una rete di distribuzione simmetrica a 17 nodi che alla rete test dissimmetrica dell IEEE a 34 nodi. Nel lavoro [DIST- CASS12] è stato, poi, affrontato il problema dell analisi in regime permanente di un sistema di distribuzione con impianti eolici finalizzata alla gestione di breveperiodo. Per tali orizzonti temporali sono di fondamentale importanza i metodi di previsione della velocità del vento per ottenere dei dati di ingresso attendibili per il calcolo della potenza attiva immessa in rete da tali impianti; nel lavoro sono stati analizzati i principali metodi in grado di prevedere sia un unico valore della velocità del vento ( point-forecast methods) sia una funzione densità di probabilità ( pdf-forecast methods). I metodi proposti sono stati applicati ad una rete di distribuzione simmetrica a 17 nodi in cui sono presenti diversi impianti eolici. I lavori [DIST-CASS13] e [DIST-CASS14], infine, si riferiscono ancora al problema dell analisi in regime permanente di un sistema di distribuzione finalizzata alla gestione di breve periodo, questa volta, però, considerando anche la presenza di impianti di produzione fotovoltaici. In particolare, nel lavoro [DIST-CASS13] è stato proposto un nuovo metodo Bayesiano per la previsione sul breve periodo della potenza attiva prodotta da un impianto fotovoltaico (previsione necessaria quale dato di ingresso per l analisi in regime permanente), ponendo particolare attenzione alla formulazione del modello ed alla individuazione dei dati di misura necessari per effettuare una previsione attendibile. Nel lavoro [DIST-CASS14], poi, uno dei pdf-forecast methods illustrati in [DIST-CASS12] per gli impianti eolici, il metodo Bayesiano proposto in [DIST-CASS13] per gli impianti fotovoltaici, insieme ad un nuovo metodo Bayesiano di previsione delle potenze, attive e reattive, dei carichi elettrici, sono stati impiegati per la previsione sul breve periodo dello stato elettrico in regime permanente di una Smart Grid di bassa tensione. [DIST-CASS10] P. Caramia, G. Carpinelli, D. Proto, P. Varilone: Deterministic Approaches for Steady State Analysis in Distribution Systems with Wind Farms Handbook of Wind Power Systems: Operation, Modeling, Simulation and Economic Aspects edited by P.M. Pardalos; M.V.F. Pereira; S. Rebennack and N. Boyko, Springer, in corso di pubblicazione [DIST-CASS11] A. Bracale, G. Carpinelli, A. R. Di Fazio, A. Russo: Probabilistic Approaches for the Steady-State Analysis of Distribution Systems with Wind Farms, Handbook of Wind Power Systems: Operation, Modeling, Simulation and Economic Aspects, edited by P.M. Pardalos; M.V.F. Pereira; S. Rebennack and N. Boyko, Springer, in corso di pubblicazione. [DIST-CASS12] A. Bracale, G. Carpinelli, D. Proto, A. Russo, P. Varilone: New Approaches for Very Short-term Steady-State Analysis of an Electrical Distribution System with Wind Farms, Energies (invited paper for the Special Issue Wind Energy, edited by Prof. Dr. Frede Blaabjerg), Vol. 3, No. 4, April 2010, pp [DIST-CASS13] A. Bracale, P. Caramia, M. Fantauzzi, A. R. Di Fazio: "A Bayesian-based Approach for Photovoltaic Power Forecast in Smart Grids", Cigré International Symposium, Bologna 2011, Italia, settembre 2011 [DIST-CASS14] A. Bracale, P. Caramia, A. R. Di Fazio and P. Varilone: "A Bayesian-based Approach for Very Short-term Steady-State Analysis of a Smart Grid", Ritenuto di interesse per la inclusione nello Special Issue of IEEE Transactions on Smart Grid on Applications of Smart Grid Technologies on Power Distribution Systems. Pagina 9 di 14

10 3.7 Nuovi metodi di valutazione della severità dei buchi di tensione Per quanto riguarda i metodi di analisi dei sistemi elettrici in presenza di buchi di tensione e gli indici più adeguati per caratterizzare la loro severità l attività di ricerca, iniziata negli anni precedenti, è proseguita nel biennio portando alla redazione dei lavori [DIST- CASS ]. Il problema della valutazione dei buchi di tensione, a seguito di un corto circuito, è affrontato mediante il metodo delle Posizioni di Guasto. Tale metodo prevede la modellazione del sistema in condizioni di cortocircuito e la risoluzione del relativo sistema di equazioni per ciascun punto di guasto. A partire dalle soluzioni ottenute in termini di valore efficace delle tensioni durante il guasto, è possibile costruire la cosiddetta Matrice dei buchi di tensione. Il lavoro [DIST-CASS15] propone uno strumento semplice e rapido per analizzare le prestazioni di una rete di distribuzione in termini di severità dei buchi di tensione a seguito di modifiche strutturali della stessa. Lo strumento è costituito dalle matrici di variazione delle impedenze e dalle matrici di variazioni delle tensioni durante il guasto. In particolare, la rappresentazione grafica a colori di tali matrici permette di valutare in modo rapido ed efficace la robustezza del sistema elettrico di potenza nei confronti dei buchi di tensione a fronte di modifiche strutturali (quali ad esempio la sostituzione di linee aree con linee in cavo, l inserzione di una unità di generazione distribuita, ecc.). Con tali matrici è possibile valutare l entità del miglioramento o del peggioramento della severità dei buchi di tensione dovuto a nuove inserzioni e/o a sostituzioni di componenti. Il lavoro [DIST-CASS16] definisce nuovi strumenti per quantificare la prestazioni di una rete di distribuzione in termini di severità dei buchi di tensione. In particolare, sono state definite nuove Matrici delle Tensioni durante il guasto capaci di portare in conto l informazione relativa al tasso di guasto dei componenti. Con l ausilio di queste matrici è possibile così caratterizzare in modo più completo la severità dei buchi portando in conto non solo l ampiezza ma anche la frequenza di accadimento. A partire da queste nuove matrici sono stati, poi, definiti nuovi indici di area affetta, di area esposta e di robustezza della rete. Nel lavoro [DIST-CASS17] la valutazione della severità dei buchi di tensione dovuti al manifestarsi di corto circuiti nella rete è stata affrontata su una Micro-Grid caratterizzata dalla presenza di generazione distribuita. In particolare sono state comparate le matrice delle tensioni durante il guasto ottenute con il Metodo delle Posizioni di Guasto e quelle ottenute con un programma di simulazione nel dominio del tempo. L obiettivo del lavoro è stato quello di dimostrare l adeguatezza dei risultati ottenibili con il Metodo delle Posizioni di guasto. [DIST-CASS15] P. Caramia, P. Varilone, P. Verde, L.Vitale On the Robustness of the Distribution Systems against Voltage Dips: the Analytical Assessment for Different Structure Variations, Proceedings of 14 th ICHQP, Bergamo, Italia, September 2010 [DIST-CASS16] P. Caramia, P. Varilone, P. Verde, L.Vitale Tools for Assessing the Robustness of Electrical System against Voltage Dips in terms of Amplitude, Duration and Frequency, sottoposto ai Trans. on Power Delivery - IEEE [DIST-CASS17] A. Bracale, P. Caramia, P. Varilone, P. Verde, L.Vitale On the Evaluation of Voltage Dip Performance of Micro-Grids, Cigré International Symposium, Bologna 2011, Italia, settembre 2011 Pagina 10 di 14

11 3.8 Gestione e controllo multisito di unità di micro-cogenerazione disperse basate su celle a combustibile Le crescenti richieste di energia elettrica spingono i sistemi elettrici verso un nuovo scenario, basato sia sulla generazione dispersa che sulle forme tradizionali di produzione dell'energia elettrica. Il nuovo scenario vede nei sistemi elettrici futuri anche l'impiego di reti elettriche più efficienti, in grado di compensare le fluttuazioni geografiche e temporali di generazione e carico, attraverso l'interconnessione di sistemi elettrici locali e il vettoriamento della grande produzione proveniente dalle centrali. Nella nuova visione appare vantaggioso l'investimento in impianti di generazione locali connessi in microgrid, che garantiscono in generale anche un migliore utilizzo dell'energia dal lato ambientale. In particolare risulta essere conveniente l'impiego di mini e micro sistemi di cogenerazione basati su celle al combustibile, grazie agli elevati rendimenti nell'intero campo di lavoro, all'elevata scalabilità, al basso impatto ambientale, oltre che alla potenziale competitività in raffronto alle tecnologie convenzionali. Nel lavoro [DISTR-CASS18] viene esaminato un sistema multisito di micro-cogenerazione dispersa basato su celle a combustibile adatto per la produzione di elettricità e calore in unità residenziali o piccole impianti commerciali. Se la fornitura di energia elettrica è disponibile, l'unità di micro-cogenerazione lavora in parallelo alla rete e il surplus/deficit di energia della singola unità di micro-generazione è venduto/comprato; se ciò non è possibile, come ad esempio nel caso dell'interruzione dell'erogazione di energia elettrica, l'unità di micro-cogenerazione lavora in isola con il solo compito di alimentare i suoi carichi. Più unità di micro-cogenerazione possono essere connesse al lato elettrico per lavorare insieme, in modo da migliorare la flessibilità di funzionamento; in questo caso è necessario una unità di controllo centrale che coordini l'accoppiamento e il funzionamento del sistema multisito. Nel lavoro vengono illustrate le funzioni e le azioni necessarie per la gestione ottimale del sistema multisito, sia nel funzionamento in parallelo che in isola e presentando il modello matematico per la gestione ottimale nel funzionamento in parallelo. [DISTR-CASS18] G.M. Casolino, A. Losi: Multi-Site Management And Control of Dispersed Micro-Cogeneration Units Based On Fuel Cells, Cigré International Symposium, Bologna 2011, Italia, settembre Modellazione della generazione distribuita da fonte rinnovabile per la simulazione dei sistemi di distribuzione Negli ultimi anni, la connessione di impianti di generazione distribuita da fonti rinnovabili alle reti elettriche di distribuzione ha avuto un grosso sviluppo grazie alle politiche energetiche volte a incentivare la sostenibilità energetica e l utilizzo di fonti di energia primaria a ridotto impatto ambientale. Per effettuare un corretto dimensionamento dei componenti di un impianto e valutare l impatto che una grossa penetrazione di produzione distribuita da fonte rinnovabile può avere sulle reti elettriche di distribuzione, si rende necessario lo sviluppo di dettagliati modelli di impianto in grado di tener conto della aleatorietà della fonte di energia primaria utilizzata e finalizzati alla simulazione dei sistemi elettrici di distribuzione in presenza di generazione distribuita. Nel lavoro [DISTR-CASS19] sono state presentate le linee guida e un sistema che funga da benchmark per la simulazione di impianti fotovoltaici connessi alle reti di distribuzione. Pagina 11 di 14

12 L obiettivo del lavoro è stato quello di presentare i componenti che costituiscono un impianto fotovoltaico trifase, connesso alla rete tramite un inverter a singolo stadio, e di descrivere il comportamento di tale impianto in condizioni di funzionamento normale e anormale, al fine di avere a disposizione un strumento di simulazione utile per la progettazione e la gestione dei nuovi sistemi di distribuzione. Tale lavoro è stato realizzato nell ambito delle attività svolta dalla IEEE Task Force Modeling and Analysis of Electronically-Coupled Distributed Resources del Working Group Distributed Energy Resources Modeling and Analysis. Nel lavoro [DISTR-CASS20] l attenzione è stata posta sui problemi di instabilità numerica che possono insorgere durante la simulazione di un impianto fotovoltaico connesso alla rete di distribuzione. Tali problemi sono dovuti al legame non lineare tra la corrente e la tensione in uscita dal generatore fotovoltaico. Dopo aver messo in evidenza i punti di forza e le debolezze degli approcci utilizzati per la modellazione delle non linearità dai principali ambienti di simulazione, è stata proposta una rappresentazione del modello del generatore fotovoltaico che utilizza un circuito a singolo diodo e che può essere efficientemente inclusa in ambienti di simulazione basati su ElectroMagnetic Transients Program (EMTP). Nel lavoro [DISTR-CASS21] la rappresentazione del modello del generatore fotovoltaico è stata ulteriormente approfondita e lo sviluppo del modello è stato arricchito con un analisi di convergenza numerica. [DISTR-CASS19] A. Yazdani, A. R. Di Fazio, H. Ghoddami, M. Russo, M. Kazerani, J. Jatskevich, K. Strunz, S. Leva, and J. A. Martinez: Modeling guidelines and a benchmark for power system simulation studies of three-phase single-stage photovoltaic systems, IEEE Transactions on Power Delivery, aprile 2011, Vol. 26, No. 2, pp [DISTR-CASS20] A. R. Di Fazio and M. Russo: Photovoltaic Generator Modelling for Power System Simulation Studies, 17th Power Systems Computation Conference (PSCC'11), agosto 2011, Stoccolma (Svezia). [DISTR-CASS21] A. R. Di Fazio and M. Russo: Robust numerical modelling of photovoltaic generators for EMTP, sottomesso per la pubblicazione su Electric Power System Research, Elsevier Controllo decentralizzato della tensione nelle reti di distribuzione con generazione distribuita La connessione di impianti di generazione distribuita da fonti rinnovabili alle reti elettriche di distribuzione ha un significativo impatto sul profilo delle tensioni nodali. Normalmente, nelle reti di distribuzione in MT la regolazione della tensione viene effettuata agendo sul variatore sotto carico del rapporto di trasformazione della cabina primaria AT/MT. Tale sistema di regolazione può avere un degrado delle proprie prestazioni a causa della presenza della generazione distribuita. Per poter affrontare il problema della regolazione della tensione nelle reti di distribuzione con generazione distribuita, è necessario, dunque, tener conto della interazione della cabina primaria AT/MT con gli impianti di produzione distribuita. In letteratura sono state studiate diverse soluzioni, classificabili in due categorie generali: quelle che utilizzano approcci centralizzati e quelle che utilizzano approcci decentralizzati. In entrambi i casi, si prevede di modificare i sistemi di controllo esistenti e aggiungere apparecchi di misura e sistemi di comunicazione tra la cabina e gli impianti di produzione distribuita. Gli investimenti necessari alla realizzazione dei nuovi sistemi di controllo possono essere giustificati nei prossimi anni per lo sviluppo delle Smart Grid. Oggi, l obiettivo è quello di definire una road map per ammodernare con investimenti limitati i sistemi di controllo esistenti e garantire il normale funzionamento delle reti di distribuzione con generazione distribuita. La ricerca ha adottato l approccio decentralizzato ed è stato sviluppato e proposto uno schema di controllo della potenza reattiva fornita da un impianto di produzione distribuita connesso Pagina 12 di 14

13 ad una rete di distribuzione. Tale schema contribuisce a garantire un profilo ottimale delle tensioni della rete di distribuzione senza aver bisogno di misure aggiuntive o di scambi di informazione con la cabina primaria AT/MT. In particolare il classico schema di controllo è stato arricchito di un sistema in grado di stimare il riferimento ottimale per la potenza reattiva che deve essere iniettata in rete dall impianto di produzione. Tale sistema svolge due funzioni: stima le variazioni di carico e di iniezioni di potenza da parte della cabina primaria AT/MT utilizzando solo misure di tensione e corrente nel punto di consegna dell impianto di produzione; valuta il riferimento ottimale della potenza reattiva risolvendo un problema di ottimizzazione sulla base della conoscenza delle stime effettuate e della potenza attiva iniettata in rete dall impianto. Ciascuna delle due funzioni è stata studiata e sviluppata nei lavori, rispettivamente, [DISTR-CASS22] e [DISTR-CASS23]. [CASS.22] A. R. Di Fazio, G. Fusco, and M. Russo: Optimisation Strategy Applied to DG Reactive Power for Decentralised Voltage Control in Smart Grids, Cigrè International Symposium, settembre 2011, Bologna (Italia). [CASS.23] A. R. Di Fazio, G. Fusco, and M. Russo: Decentralised voltage regulation in smart grids using reactive power from renewable DG, abstract accettato per la 2nd European Conference on Innovative Smart Grid Technologies, 5-7 dicembre 2011, Manchester (Regno Unito) Sistemi di gestione e controllo delle reti di distribuzione in presenza di Active Demand Con il termine Active Demand (AD) si intende la partecipazione dei piccoli utenti (attivi e passivi) ai mercati dei servizi di rete; tale opportunità è resa possibile dalla flessibilità introdotta attraverso nuove tecniche di gestione dei carichi, la generazione distribuita e l accumulo di energia. I servizi che la AD può fornire coinvolgono l operatore del sistema di distribuzione (DSO) da due punti di vista. Da un lato, in qualità di gestore del servizio di distribuzione, il DSO deve garantire il corretto funzionamento del sistema anche in presenza di AD e, al tempo stesso, la massima accessibilità al sistema da parte della AD. Dall altro lato, in qualità di attore commerciale, egli stesso può accedere come acquirente di servizi forniti dalla AD, in modo da aumentare il portafoglio di prodotti a sua disposizione per migliorare la qualità del servizio di distribuzione. Per far fronte a queste nuove sfide poste dalla AD, è necessario introdurre nuove architetture e funzionalità nei sistemi di gestione e controllo delle reti di distribuzione. A tal fine, in [DIST-CASS24] si definiscono un architettura del sistema con tre livelli gerarchici di controllo (un livello centralizzato e due livelli decentralizzati, questi ultimi identificati a livello di sottostazioni primarie e secondarie) e le specifiche delle nuove funzioni da assegnare a tale sistema. In [DIST-CASS25] si approfondiscono alcuni aspetti relativi agli algoritmi che implementano le nuove funzioni presenti al livello centralizzato del sistema di gestione e controllo. [DIST-CASS24] G. Valtorta, A. De Simone, L. Consiglio, M. Sebastian, T. Coste, L. Glorieux, J. M. Yarza Narro, I. Delgado and M. Russo: Architecture and functional specifications of distribution and transmission control systems to enable and exploit active demand, 21 st International Conference on Electricity Distribution CIRED, Francoforte, Germania, giugno 2011, paper [DIST-CASS25] G.M. Casolino, A.R. Di Fazio. A. Losi, M.Russo, L. Consiglio, A. De Simone, C. Noce and G. Valtorta: Nuove Architetture e Funzionalità dei Sistemi di Gestione e Controllo delle Reti di Distribuzione in presenza di Active Demand Convegno Nazionale AEIT Prospettive economiche e strategie industriali, Milano, giugno Pagina 13 di 14

14 4. UTILIZZAZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA 5. TECNOLOGIE E COMPONENTI ELETTRICI Pagina 14 di 14

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