Stabilizzazione della frequenza e della tensione. nelle reti elettriche isolate

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1 Stabilizzazione della frequenza e della tensione nelle reti elettriche isolate

2 SOMMARIO 1 Introduzione I requisiti fondamentali di una rete stabile isolata I requisiti dei sistemi di stabilizzazione nelle reti isolate Realizzazione Riepilogo

3 1 Introduzione Il maggiore utilizzo di energie rinnovabili nella produzione di energia, ha accresciuto i problemi di stabilità delle reti elettriche. Nelle grandi reti interconnesse, ciò può essere ancora compensato in gran parte dal grande numero di fornitori di energia convenzionale. Nei sistemi di alimentazione più piccoli, i cui servizi sono prevalentemente forniti da fonti rinnovabili o da piccole centrali, si rendono necessarie misure di stabilizzazione per garantire costantemente la qualità di tensione desiderata. Un sistema specificamente progettato per fornire tensione di alta qualità ai carichi è il gruppo di continuità o il cosiddetto UPS. Grazie ai loro dispositivi di accumulo di energia, questi sistemi sono in grado, indipendentemente dalla rete interconnessa, di formare una rete di fornitura locale di qualità elevata e di alimentare i carichi ad essi collegati in continuità a tensione costante. Le unità UPS sono pertanto adatte per fornire e stabilizzare anche le reti elettriche, che sono prevalentemente alimentate da altre fonti energetiche. Qui di seguito sono illustrate le condizioni che esse devono soddisfare e la loro incorporazione in tali reti. 2 I requisiti fondamentali di una rete stabile isolata Un metodo per valutare la qualità di una rete di alimentazione, è la verifica del mantenimento dell ampiezza della tensione e della frequenza entro limiti predeterminati. Entrambi questi parametri dipendono da variabili diverse e possono quindi essere in larga misura considerati separatamente l'uno dall'altro. Stabilità di frequenza Il mantenimento di una frequenza costante dipende direttamente dal bilancio della potenza attiva all'interno della rete. Se nella rete viene immessa più potenza attiva di quella consumata dai carichi, la potenza attiva in esubero deve fluire da qualche parte in modo da mantenere l'equilibrio di potenza. Senza ulteriori misure di stabilizzazione, questo eccesso di potenza attiva provoca automaticamente l'accelerazione delle masse rotanti, come nei generatori e nei motori, connessi alla rete, poiché nella maggior parte dei casi solo questi hanno la capacità di assorbire la potenza in eccesso e convertirla in energia di rotazione. Viceversa, se viene fornita meno potenza rispetto a quella necessaria, l'energia mancante viene ceduta dalle masse rotanti causando una riduzione di frequenza. Le fluttuazioni di 3

4 frequenza nella rete possono quindi essere attribuite direttamente alle fluttuazioni della potenza attiva, sia ai carichi che all alimentazione. Da un lato, le fluttuazioni di potenza dell'alimentazione possono essere causate per esempio da guasti di generatori o convertitori di frequenza, e dall'altro - nel caso di fonti di energia rinnovabile - da una variazione della intensità luminosa sui pannelli solari o nel caso di parchi eolici da un cambiamento nella velocità e di direzione del vento. In una grande rete interconnessa, questi effetti generalmente danno luogo solo ad una lieve perturbazione dell equilibrio di potenza, così da non rendere necessaria alcuna azione di rapido controllo automatico per mantenere costante la frequenza entro i limiti specifici. Ciò differisce invece in caso di piccole reti isolate, cosiddette reti in isola, che non hanno connessioni ad un sistema interconnesso con grande capacità di smorzamento. In questo caso, le fluttuazioni nella produzione di energia elettrica hanno un effetto notevolmente maggiore sul bilancio di potenza attiva della rete e quindi spesso portano a fluttuazioni di frequenza sensibili. Le sorgenti di energia, compreso i loro sistemi di controllo, non sono solitamente in grado di regolare in pochi secondi la potenza erogata alla nuova situazione, cosicché sono necessari sistemi di stabilizzazione ad azione rapida per ripristinare rapidamente l'equilibrio di potenza e con esso la frequenza. Idealmente, i sistemi di stabilizzazione dovrebbero essere dotati di un dispositivo di accumulo dell'energia, che, come mostrato nella Fig.1, permette di assorbire la stessa quantità di energia così come fornita, per reagire sia ad un deficit che a un eccesso di potenza. Frequency ±1% Power Delivered energy Absorbed energy Time Load Primary input power 0 Output power of the stabilization system Time Fig. 1 Modalità di funzionamento di un sistema di stabilizzazione, con accumulo bidirezionale di energia durante le fluttuazioni di carico in una rete isolata. 4

5 Tale requisito rende i sistemi con batterie convenzionali meno adatti a questo compito, in quanto il consumo di potenza è limitato dalla elevata resistenza interna e dal limite di tensione della cella. D'altra parte, le batterie hanno senso solo se deve essere fornita energia ai carichi a causa di un guasto sulla rete. I dispositivi di accumulo a volano sono invece, la prima scelta, per compensare una potenza in eccesso causata ad es. da un distacco del carico in un impianto di cogenerazione in isola. In combinazione con dei convertitori bidirezionali di frequenza, i dispositivi di accumulo cinetici sono in grado di fornire la stabilizzazione nei casi di deficit o di eccesso di potenza. Con tempi di reazione inferiori a 20 millisecondi, la frequenza di rete può essere mantenuta costante in tutte le situazioni. Stabilità della tensione Esiste una relazione tra potenza reattiva e la tensione che è simile a quella tra potenza attiva e frequenza. Se la domanda di potenza reattiva in rete aumenta, questa ulteriore potenza provoca un aumento delle cadute di tensione attraverso le impedenze di rete e le impedenze di ingresso, con conseguente diminuzione di tensione sui carichi. Viceversa, una riduzione della potenza reattiva porta ad un aumento della tensione di alimentazione, in quanto in questo caso non ci sono cadute di tensione attraverso le impedenze. In generale, una perturbazione al bilancio della potenza reattiva è più facile da controllare rispetto ad una perturbazione al bilancio della potenza attiva. La ragione di ciò è che, se non vengono prese contromisure, le variazioni all equilibrio della potenza attiva portano ad un continuo aumento della deviazione di frequenza, mentre le variazioni all'equilibrio di potenza reattiva determinano soltanto una deviazione statica di tensione. 3 I requisiti dei sistemi di stabilizzazione nelle reti isolate I requisiti principali per un sistema di stabilizzazione sono:..di reagire rapidamente alle fluttuazioni di potenza attiva e di correggerle in modo che la frequenza venga mantenuta ad un valore costante.... fornire in breve tempo potenza reattiva su richiesta e quindi mantenere la tensione ad un valore costante per il carico. Grazie alla loro modalità di funzionamento, i sistemi UPS sono fondamentalmente in grado di soddisfare tali requisiti in quanto, almeno durante un guasto di rete, alimentano i carichi critici attraverso una rete isolata che essi stessi hanno creato. 5

6 Fig. 2 Applicazioni UPS normali: qui con un generatore Diesel esterno utilizzato come generatore di emergenza per colmare lunghi guasti di rete. Per essere idoneo come sistema di stabilizzazione, un UPS dovrebbe avere le seguenti caratteristiche, oltre alle funzionalità standard: Dovrebbe essere in grado di essere alimentato dal lato del carico, dal momento che un alimentazione di rete non è disponibile in una rete isolata.in questo caso i circuiti di ingresso all UPS possono non essere installati. Dovrebbe essere progettato per flusso di potenza bidirezionale al fine di fornire la stabilizzazione sia per un deficit di potenza, sia per un eccesso di potenza. Il dispositivo di accumulo di energia dovrebbe essere in grado di essere mantenuto ad uno stadio di carica intermedia, in modo da assorbire e fornire energia in qualsiasi momento. Ciò richiede un controllo attivo e la conoscenza dello stato di carica. L unità del dispositivo di accumulo deve essere dimensionata in modo da rendere disponibile energia sufficiente per colmare l'intervallo di tempo richiesto dalla fonte primaria di energia... per ripristinare l'equilibrio di potenza in rete in seguito ad un malfunzionamento e... per raggiungere una condizione di funzionamento stabile. Deve essere in grado di essere utilizzato in parallelo con altre fonti di energia, come ad esempio le centrali eoliche, centrali a pannelli solari, piccoli generatori idroelettrici, turbine a gas, generatori diesel, ecc. La loro potenza nominale deve essere pari alla variazione del deficit/surplus di potenza previsto per consentire una sufficiente compensazione. Essi devono essere sufficientemente robusti per sopportare senza problemi sovraccarichi di breve durata, contribuendo continuativamente alla regolazione dell equilibrio di potenza, accettando anche deviazioni di tensione e/o di frequenza. 6

7 4 Realizzazione I sistemi UPS rotanti Piller del tipo UNIBLOCK UBT e UBTD, utilizzando un generatore sincrono, sono in grado di soddisfare tutti i requisiti precedentemente elencati. Possono essere utilizzati come unità di accumulo di energia, sia le batterie, sia il POWERBRIDGE, un volano bidirezionale con funzione di accumulo di energia cinetica. Il confronto tra Fig.3 e Fig. 4 mostra ad esempio l effetto della stabilizzazione di frequenza bidirezionale su una rete alimentata da un generatore Diesel. Fig. 3 La risposta di frequenza di un generatore diesel durante il distacco e l inserzione del 50% del carico, qui senza la stabilizzazione di frequenza. Fig. 4 La risposta di frequenza di un generatore diesel durante il distacco e l inserzione del 50% del carico, con la stabilizzazione bidirezionale di frequenza tramite un UNIBLOCK UBT Piller dotato di un volano di accumulo energia POWERBRIDGE. 7

8 Al fine di compensare la mancanza di alimentazione di energia primaria a causa di un guasto, i sistemi possono anche essere progettati con un motore Diesel integrato (per esempio vedi Fig.5). Questa combinazione permette inoltre di coprire i picchi di carico qualora la potenza dei generatori di energia primaria non dovesse essere adeguata. In questo caso il Diesel dovrebbe entrare in funzione automaticamente quando si verificherà lo scarico completo dell unità dinamica di accumulo energia, in modo da consentire alla rete di beneficiare del supporto del sistema di stabilizzazione senza interruzione. Se necessario, il Diesel potrà essere avviato anche manualmente in qualsiasi momento. Gli alternatori sincroni del sistema Piller possono sempre fornire potenza reattiva sufficiente come back up di tensione e fornire una ulteriore potenza di corto circuito alla rete. Gli UNIBLOCK UBT e UBTD Piller possono essere impiegati con tutti gli standard di tensione e di frequenza. Oltre alla gamma completa di bassa tensione da 380 V a 600 V, essi sono disponibili anche in media tensione fino ad una potenza di uscita di 2500 KVA per singola unità. Fig.5 Stabilizzazione e back-up di una rete in isola alimentata da motori a gas naturale e UNIBLOCK UBTD Piller Se la rete dell impianto con sorgenti energetiche autonome è interconnessa alla rete esterna, i sistemi rotanti Piller possono essere usati anche come accoppiamento alla rete, come illustrato in Fig.6. Oltre alla protezione dai guasti di rete, il sistema permette alla rete dell impianto sia di assorbire energia sia di esportare l'energia in eccesso verso la rete esterna. In caso di guasto delle rete esterna, il sistema di stabilizzazione isola l impianto dalla rete stessa e, a seconda che la potenza è stata precedentemente esportata o importata, può quindi assorbire o erogare potenza attiva fino a quando il bilancio delle potenze viene ripristinato. 8

9 Fig.6 Uso del sistema UPS come rete di stabilizzazione di accoppiamento per i carichi che hanno il proprio generatore di potenza Vi sono quindi due modi per integrare i sistemi rotanti Piller di stabilizzazione in una rete isolata: 1. Come fonte di energia che assorbe o eroga energia soltanto quando i valori superano o scendono al di sotto di determinati valori limite. 2. Come un elemento determinante di regolazione di frequenza e di tensione che, in cooperazione con le altre sorgenti di energia, fornisce una qualità UPS alla rete. Quale dei due modi, o una combinazione dei due, sia la soluzione ottimale per la stabilizzazione di rete, è alla fine determinata dai requisiti di qualità richiesti e dalla complessità della rete di alimentazione. 9

10 5 Riepilogo La stabilità delle reti elettriche di alimentazione è sempre più influenzata dall'uso esteso delle energie rinnovabili. Le tecnologie ed i metodi che vengono usati anche nei sistemi UPS possono essere utilizzati per stabilizzare le reti di alimentazione prevalentemente confinate a livello locale. A questo proposito, a causa della loro robustezza, la loro flessibilità e potenza di uscita, i sistemi rotanti UPS sono superiori di quelli statici. In combinazione con i dispositivi di accumulo di energia bidirezionali, quali per esempio volani elettricamente accoppiati, essi sono in grado di fornire una stabilizzazione ad ogni tipo di carico o di fluttuazione dell'alimentazione e quindi garantire una frequenza di rete costante. Anche gli alternatori sincroni dei sistemi rotanti UPS sono perfettamente adatti a fornire potenza reattiva per la stabilizzazione di tensione, nonché a fornire una ulteriore potenza di corto-circuito alla rete. Frank Herbener, Piller Group GmbH Germany Documento No. DD / Agosto

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