La compensazione del reattivo nelle linee in cavo AT per le connessioni delle fonti rinnovabili

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1 La compensazione del reattivo nelle linee in cavo AT per le connessioni delle fonti rinnovabili F. Palone, M. Rebolini Firenze, 12 Aprile 2013

2 Sommario: 1. Introduzione 2. Caratteristiche delle linee in cavo AT TERNA 3. Capability reattiva degli impianti a fonti rinnovabili 4. Requisiti del codice di rete sulla potenza reattiva 5. Scelta del grado di compensazione 6. Comportamento a regime permanente 7. Comportamento in transitorio 8. Conclusioni

3 Introduzione Le linee elettriche in cavo in c.a. AT sono caratterizzate da un surplus di potenza reattiva in ogni situazione di carico, in quanto la potenza caratteristica è sempre superiore alla potenza al limite termico. Il costo di un elettrodotto in AT è diverse volte superiore a quello di una linea aerea di identica portata. Tuttavia le difficoltà autorizzative e le problematiche ambientali hanno recentemente portato alla realizzazione di diverse linee AT di lunghezza rilevante (>15 km) per la connessione alla RTN di impianti da fonte rinnovabile.

4 Caratteristiche delle linee in cavo AT TERNA Il cavo standard per la rete a 132 kv e 150 kv TERNA è isolato in XLPE ed ha un conduttore di fase in Alluminio da 1600 mm 2. L uso dello stesso tipo di cavo per la connessione di impianti anche di taglia media consente di tenere conto degli sviluppi futuri della rete. Per ridurre campi magnetici e impiego di suolo si adotta (in genere) la posa a trifoglio. Portata Capacità nominale Reattanza di servizio Potenza reattiva generata Diametro esterno 1000 A 260 MVA 270 nf/km 0.11 Ω/km 2.45 Mvar/km 10 cm

5 Caratteristiche delle linee in cavo AT TERNA Il surplus di potenza reattiva tende a caricare la linea in cavo, riducendo la componente attiva di corrente che è possibile trasmettere. La compensazione alle estremità (necessaria per il rispetto di vincoli verso la rete), non modifica la massima potenza attiva trasmissibile. F.M. Gatta, A. Geri, S. Lauria, M. Maccioni, Steady-state operating conditions of very long EHVAC cable lines, European Power Systems Research Volume 83, Issue 1, February 2012

6 Caratteristiche delle linee in cavo AT TERNA Su una linea omogenea, il massimo trasferimento di potenza attiva (e la minimizzazione delle perdite) si ha quando le tensioni terminali sono tali da garantire un profilo reattivo simmetrico, indipendentemente dalla compensazione della linea. Per linee ideali (senza perdite), ciò corrisponde ad imporre tensioni di uguale ampiezza ai terminali di arrivo e partenza della linea. Per linee reali (con perdite), le tensioni ottime sono diverse tra loro in modulo.

7 Capability reattiva degli impianti a fonti rinnovabili La capability degli impianti a fonte rinnovabile (in particolare per l eolico) è ridotta rispetto a quella delle centrali convenzionali, soprattutto quando sono impiegati generatori del tipo a doppio indotto. La gestione del surplus reattivo della linea in cavo diventa quindi un problema rilevante. H. Guo, K. Rudion, C. Heyde, Z. A. Styczynski Stability Studies of Offshore Wind Farms Fifth Internation CRIS conference on Critical Infrastructures, Bejing 2010

8 Requisiti del codice di rete sulla potenza reattiva Per l eolico vale l allegato A17 (Sistemi di controllo e protezione delle centrali eoliche) : [ ] Il fattore di potenza può essere mantenuto fisso ad un valore scelto in accordo tra il Gestore ed il Titolare. Di norma è richiesto di garantire, sul punto di connessione della centrale con la rete, il fattore di potenza pari a 1. Per il fotovoltaico vale l allegato A68 (Impianti di produzione fotovoltaica requisiti minimi per la connessione e l esercizio in parallelo con la rete AT): [ ]L Utente dovrà inoltre aver cura di verificare, già in fase di progettazione, che non vi siano scambi di potenza reattiva con la rete ad impianto fermo. Qualora non si verificasse ciò, la Centrale dovrà essere dotata di idonei apparati di compensazione necessari a garantire uno scambio di potenza reattiva nel punto di consegna con fattore di potenza pari a 1.

9 Scelta del grado di compensazione Il grado di compensazione q è convenzionalmente definito come il rapporto tra la reattanza capacitiva trasversale della linea della linea e la reattanza di compensazione in derivazione Il grado di compensazione deve essere scelto in modo da soddisfare i seguenti vincoli di esercizio: 1) corrente di interruzione nominale di cavi a vuoto dell interruttore di linea; 2) massima sovratensione all estremo ricevente; 3) massima sovratensione all estremo trasmittente; 4) massimo scambio di potenza reattiva con la rete; I vincoli da 1), 2) e 3) derivano da limiti delle apparecchiature, mentre il vincolo 4) è legato alle esigenze di esercizio della rete.

10 Scelta del grado di compensazione L apertura di correnti capacitive è un compito impegnativo per gli interruttori di alta tensione, per via delle tensioni di ritorno e della possibilità di riadescamento. I valori della corrente d interruzione nominale di cavi a vuoto sono contenuti nella norma CEI EN Per il ridurre la corrente capacitiva di apertura sull interruttore di linea è necessario installare la compensazione lato linea e non lato sbarra. Stazione RTN Produttore

11 Scelta del grado di compensazione Le condizioni in cui va verificato il vincolo sulla corrente capacitiva sono: a) apertura della linea a vuoto, alla tensione massima di esercizio; b) apertura delle fasi sane della linea dopo un guasto monofase a terra. La condizione b) è, in genere, la più stringente dato che le fasi sane sono soggette ad una sovratensione temporanea proporzionale al fattore di guasto a terra k 1. La massima lunghezza L Max per cui una linea in cavo può essere esercita senza compensazione installata lato linea è stimabile come:

12 Scelta del grado di compensazione Per un dato tipo di linea, ad esempio l unificato TERNA a 150 kv, il minimo grado di compensazione necessario al rispetto del vincolo sulla corrente capacitiva di apertura della linea a vuoto varia in funzione della lunghezza e del fattore di guasto a terra (sempre inferiore a 1,4 nella RTN).

13 Comportamento a regime permanente Per una linea reale (con perdite), la condizione di sfruttamento ottimo non coincide più con quella di tensioni di uguale ampiezza ai terminali della linea. La caduta di tensione resistiva deve essere compensata per garantire un profilo reattivo della potenza reattiva. La differenza di tensione ottima U SR,opt è calcolabile con buona approssimazione come: U R P U SR, opt ( P) UR F.M. Gatta, A. Geri, S. Lauria, M. Maccioni, Steady-state operating conditions of very long EHVAC cable lines, European Power Systems Research Volume 83, Issue 1, February 2012 Dove R è la resistenza di servizio della linea elettrica e P la potenza attiva transitante. Per linee corte il problema non è molto rilevante, ma per linee lunghe e con basso rapporto X/R (es. tripolari) il transito di potenza attiva influenza pesantemente il profilo di tensione e potenza reattiva.

14 Comportamento a regime permanente Consideriamo a titolo di esempio una lunga linea in cavo a 230 kv in corrente alternata (collegamento Italia Malta, 120 km MW). P=60 MW U SR =0 U SR,Opt G.M. Giannuzzi, F. Palone, M. Rebolini, J. Vassallo, R. Zaottini The Malta-Sicily EHV-AC interconnector, MEDPOWER 2012 Conference

15 Comportamento in transitorio L inserimento di reattanze di compensazione in derivazione modifica sostanzialmente il comportamento in transitorio della linea. In particolare vanno verificati i seguenti aspetti: a) Risonanze armoniche b) Mancato passaggio per lo zero della corrente c) Battimenti nella TRV L entità dei fenomeni in gioco deve essere confrontata con i valori di dimensionamento del macchinario e delle apparecchiature. Soprattutto per linee lunghe, o inserite in una porzione di rete in cui siano già presenti cavi, vanno verificate le massime sollecitazioni cui sono soggetti i componenti (TOV, sovratensioni di manovra, TRV ecc..).

16 100 [A] Comportamento in transitorio Risonanze armoniche: La presenza di capacità concentrate in un solo nodo della rete può generare risonanze armoniche a frequenze relativamente basse. In presenza di sorgenti armoniche, come ad esempio i reattori stessi di compensazione e gli inverter per la connessione delle fonti rinnovabili, può quindi portare alla presenza di correnti e tensioni armoniche persistenti. f 50Hz r S Q cc c ,000 2,004 2,008 2,012 2,016 [s] 2,020

17 1000 Comportamento in transitorio Mancato passaggio per lo zero della corrente: Per elevati gradi di compensazione, all energizzazione della linea può verificarsi il mancato passaggio per lo zero della corrente, per via della componente unidirezionale della corrente di inrush dei reattori. Infatti, le componenti a 50 Hz delle correnti richiamate dalla capacità di linea (I c ) e dal reattore (I R ) tendono ad annullarsi, mentre la rimanente componente unidirezionale I 0 viene richiamata dalla rete. [A] I I c I R ,5 3,6 3,7 3,8 3,9 [Ms] 4,0

18 Comportamento in transitorio Battimenti nella TRV: All apertura dell ultimo interruttore, si innescano delle oscillazioni libere nel circuito LC della nella linea compensata. Tra i poli dell interruttore si genera quindi trovare una TRV caratterizzata da una frequenza di battimento f b. Secondo la CEI in condizioni di apertura in discordanza di fase la tensione di ritorno a frequenza di esercizio deve essere uguale a 2,0/ 3 volte la tensione nominale per i sistemi con neutro direttamente a terra. 300 [kv] f b 50Hz 1 q ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 [s] 3,0

19 Comportamento in transitorio Contromisure: Sebbene lo studio dettagliato di tali transitori richieda modelli specifici di una certa complessità, è comunque possibile identificare dei criteri generali per mitigare i fenomeni sopra descritti: Scelta di un corretto grado di compensazione Uso di reattori con caratteristica lineare fino al % di U n Impiego di sincronizzatori sugli interruttori di linea Riduzione delle armoniche di corrente emesse dagli inverter In particolare l impiego dei sincronizzatori sugli interruttori di linea consente di ridurre i rischi di risonanze armoniche all energizzazione della linea ed evita il mancato passaggio per lo zero della corrente.

20 Comportamento in transitorio Effetto dei sincronizzatori Senza sincronizzatori: Con sincronizzatori:

21 Conclusioni La gestione del reattivo nelle linee in cavo AT può essere sfidante, per via della capability reattiva ridotta delle centrali da fonti rinnovabili e dei vincoli sulle apparecchiature, in particolare l interruttore di linea. Per rispettare il vincolo sulla corrente di interruzione a vuoto della linea è necessario installare reattori in derivazione (lato linea) già per lunghezze di km. Per mantenere un profilo ottimale di potenza reattiva è necessario variare la tensione in partenza in modo dipendente dalla potenza attiva. Su linee compensate con reattori è opportuno prevedere interruttori dotati di dispositivo di sincronizzazione