Le Micro Smart Grid e la Generazione Distribuita: il progetto Zeus

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1 Le Micro Smart Grid e la Generazione Distribuita: il progetto Zeus Autori: Antonella Scaglia, Claudio Brocca, Giordano Torri Ansaldo Sistemi Industriali - S.p.A. Milano, viale Sarca 336 Abstract: Il termine Energia richiama la necessità di riduzione delle emissioni di CO2, di miglioramento dell efficienza energetica, di risparmio energetico. La produzione di energia fa leva oggi sulle fonti rinnovabili, le quali stanno contribuendo in maniera massiccia alla soluzione di questi problemi. Le utenze invece tendono a ridurre e ad ottimizzare i consumi grazie ai moderni controlli elettronici. Rimane però una questione di fondo non completamente risolta riguardante l integrazione delle sorgenti distribuite nelle reti elettriche. Di fatto queste ultime hanno modificato l assetto delle reti (si tratta di sorgenti distribuite sul territorio che modificano i flussi di energia) ed hanno introdotto una produzione aleatoria in quanto legata a fattori ambientali. Il progetto Zeus vuole essere una proposta innovativa per l integrazione in rete delle sorgenti rinnovabili al fine di un loro utilizzo ottimo: le funzionalità di gestione della micro rete operate da un sistema di controllo intelligente vengono indirizzate fino all estrema integrazione dei convertitori elettronici utilizzati per la produzione di energia, l utilizzo dei carichi e la connessione verso la rete elettrica. Il progetto Zeus significa un sottoinsieme di una rete che riunisce al proprio interno sia capacità di produzione, sia gli utilizzatori, il tutto gestito da un sistema di controllo intelligente. Nasce così la micro rete intelligente un sistema che può vivere sia di vita propria che connessa alla rete principale con lo scopo di massimizzare l uso delle rinnovabili, di aumentare l efficienza ed il risparmio energetico, bilanciando al proprio interno la produzione ed il consumo di energia. Una soluzione adatta sia per reti esistenti sia per zone remote da elettrificare per le quali non è praticabile (sia per ragioni tecniche che di costo) trasportare energia con lunghe linee elettriche. 1 Introduzione. Le fonti di energia rinnovabile hanno trovato grande impulso negli ultimi anni e hanno di fatto introdotto il concetto di generazione distribuita. Se consideriamo per esempio impianti fotovoltaici oppure gli eolici è facile constatare che essi condividono alcune peculiarità: sono di potenza ridotta rispetto alla potenza installata in una centrale elettrica convenzionale, sono distribuiti in grande numero su tutto il territorio nazionale, occupano ampie superfici, iniettano energia sulla rete elettrica alterando lo schema radiale della rete stessa e la loro produzione di energia è aleatoria in quanto strettamente dipendente sia da fattori climatici sia dal ciclo giorno-notte. Le fonti di energia distribuite hanno inoltre modificato il concetto di utente, il quale oggi si identifica in un soggetto che al tempo stesso può essere sia consumatore di energia sia produttore di energia. Questo concetto si riallaccia all idea di poter produrre energia nel luogo stesso dove può essere usata immediatamente. L evidente conseguenza della generazione distribuita sulla rete di distribuzione dell energia si manifesta nella gestione dei flussi di energia, di fatto non più unidirezionali e in una certa misura non comandabili in produzione. L integrazione delle sorgenti distribuite è quindi una priorità, allo scopo di gestire adeguatamente i flussi di energia e di sfruttare al massimo la produzione non costante di energia. Avendo a che fare con moltissimi impianti di dimensioni 1

2 molto varie (si parte da qualche kw ad uso domestico e si arriva a diverse decine di MW) ci si chiede quale possa essere in questo caso una soluzione efficiente. Un modello che può contribuire alla soluzione senza intaccare l infrastruttura di distribuzione esistente può essere quello delle Micro Reti Intelligenti. Nasce da queste considerazioni il progetto Zeus, acronimo per Zero Emission Urban Solution, ovvero un modello che consente di privilegiare la produzione da fonte distribuita ed al tempo stesso guarda all uso efficiente e razionale della stessa energia. 2 Zeus: la Micro Rete Intelligente. La generazione distribuita ed il concetto di efficienza energetica sono alla base del modello di micro rete intelligente. Una micro rete è definita da un insieme di risorse che producono energia (tipicamente i generatori distribuiti) e da carichi che la usano. Questa struttura può essere concepita sia come unità autonoma sia come un sottoinsieme della rete principale. In quest ultimo caso condividerà con la rete principale un punto di interconnessione. L elemento qualificante del sistema micro rete è la capacità interna di gestione dei flussi di energia per mezzo di un sistema intelligente di comando, supervisione e di controllo. Figura 1- Micro rete intelligente, visione d'insieme. Il progetto Zeus si pone quindi l obiettivo di risolvere su piccolamedia scala l integrazione delle energie rinnovabili e di mantenere in equilibrio la rete mediante la capacità di interagire sia con i carichi sia con i generatori sia con la rete esterna, pianificando il livello di produzione necessario e predisponendo gli opportuni piani di livellamento al fine di equilibrare la domanda e l offerta. In questa situazione si può gestire la rete anche senza ausilio di elementi di immagazzinamento dell energia ottenendo un funzionamento equilibrato per quanto riguarda la stabilità della rete e adeguato alle risorse che usano energia. La micro rete intelligente è però costruita con un concetto modulare che consente di poter aggiungere componenti in maniera automatica. La predisposizione per elementi di accumulo, di qualunque natura essi possano essere è quindi una prerogativa intrinseca del progetto. Questi ultimi elementi possono Figura 2- La micro rete e l'interconnessione con la rete principale. essere visti dal sistema di comando e di controllo della micro rete sia come elementi utilizzatori (quando immagazzinano energia) sia come elementi produttori (quando sono chiamati a generare) e di conseguenza la loro aggiunta non detta modifiche sostanziali. 2

3 La micro rete intelligente è quindi chiamata a gestire su un determinato territorio la produzione locale (associabile ad un futuribile accumulo di energia), il consumo di energia e lo scambio con la rete principale ai fini di rendere massima l efficienza energetica e l utilizzo delle sorgenti rinnovabili. Una peculiarità della micro rete intelligente è di poter funzionare sia autonomamente (staccata dalla rete principale, ovvero in isola ) sia collegata alla rete principale o con altre micro-reti, con una modalità semplice ed immediata, grazie alla capacità di gestione dei flussi di energia di cui è dotata. Una semplice schematizzazione della micro rete intelligente è mostrata in fig. 1, dove in maniera olistica si descrive come produzione (da diverse fonti) e uso di energia (qualunque esso sia) si integrano sotto il controllo di un sistema intelligente centrale. La fig. 2 mostra come le singole micro reti intelligenti possano convivere in uno scenario esistente, senza perturbarne l assetto e gestendo al proprio interno la tipica variabilità di produzione di energia da fonte rinnovabile. Scendendo ad un dettaglio più tecnico, la fig. 3 mostra le principali apparecchiature che costituiscono una micro rete intelligente: la generazione locale (distribuita), il controllo di potenza dei carichi, l interfaccia verso al rete principale e il sistema di comando, controllo, supervisione della micro rete intelligente. Notiamo quindi come due tecnologie sono alla base della struttura di una micro rete intelligente: l elettronica di potenza e l informatica, nel senso più ampio del termine. La prima è certamente l asse portante sia per produrre energia in rete sia per il controllo dei carichi, mediante apparati di potenza che possano garantire elevata qualità dell energia ed elevata sicurezza di servizio. La qualità dell energia in primo luogo significa contenere a livelli bassi sia la distorsione Figura 3- Schema della micro rete intelligente. armonica della tensione sia le emissioni elettromagnetiche ad alta frequenza, poiché ambedue comportano disturbi al funzionamento di apparecchiature e maggiori perdite (minor efficienza) nel sistema. In secondo luogo significa garantire la continuità di servizio in presenza di eventi che perturbano la rete. La tecnologia informatica dal canto suo è chiamata a risolvere le strutture HW e SW necessarie per l implementazione del sistema di comando, supervisione e controllo nel suo complesso. 3 La Generazione Distribuita. La cosiddetta generazione distribuita annovera in sé diversi metodi di produzione di energia elettrica. Al fine di definire un modello di micro rete intelligente occorre farne una classificazione in base a due distinti parametri: il tipo di servizio offerto e il tipo di apparecchiatura destinata a generare energia verso la rete. Il primo parametro pone una distinzione tra le sorgenti di energia capaci di produrre in maniera continua e controllabile e quelle a carattere variabile (ovvero dipendenti da fattori non controllabili quali quelli climatici). Le più importanti sorgenti rinnovabili (eolico e fotovoltaico) sono in prevalenza aleatorie, diversamente da quanto accade per le sorgenti 3

4 convenzionali. Stante questa caratteristica è chiaro che queste da sole non potrebbero soddisfare al fabbisogno energetico di una rete, seppur piccola. E necessario quindi che la micro rete intelligente possa essere alimentata da ulteriori sorgenti di energia elettrica di tipo continuo e controllabile oppure che sia connessa alla rete principale in modo tale che la produzione aleatoria possa essere compensata agendo o sulle sorgenti controllabili oppure variando il prelievo dalla rete principale. Innanzi tutto è importante calcolare quale sia il contributo delle sorgenti a carattere aleatorio rispetto alla potenza complessiva richiesta dalla micro rete intelligente. Se la potenza generata da sole o da vento fosse rilevante, come ci si può aspettare con l incentivazione delle fonti rinnovabili, risulterebbe però immediato pensare che la micro rete debba disporre di altrettanta capacità di produzione di tipo continuo e regolabile in back-up (prevalentemente di tipo convenzionale) per sopperire alle carenze delle fonti rinnovabili quando esse non erogano per assenza o di sole o di vento. Posto in questi termini il problema avrebbe una soluzione semplice ma poco economica, perché significa fare un grosso investimento in energie rinnovabili per poi aggiungere altrettanta capacità di produzione di natura convenzionale a motivo di permettere un consumo incontrollato di energia. E più economico ed in linea con le richieste di riduzione di CO2 limitare il ricorso alle sorgenti di tipo convenzionale dotando la micro rete intelligente di una capacità di controllare gli assorbimenti dei carichi in funzione della disponibilità della produzione. Vi è quindi la necessità di Figura 4-Funzioni di supporto alla rete per generatori distribuiti. associare la potenzialità di produzione di energia rinnovabile alla modalità di controllo dei carichi. E questo può avvenire solo se la rete è intelligente, ovvero se è dotata di un proprio sistema di comando, controllo e supervisione. Per completezza, occorre notare che esistono sorgenti definite rinnovabili che possono erogare con continuità Figura 5- Connessione in rete durante i transitori. energia. Tra queste si annoverano: sorgenti idrauliche, a biomasse e potenzialmente le fuel-cells. Va da sé però che i termini economici esposti sopra non si spostano perché il grosso sviluppo delle rinnovabili oggi è molto concentrato su sole e vento e quindi su sorgenti a carattere aleatorio. 4

5 Il secondo parametro riguarda invece la distinzione esistente tra i generatori di tipo rotante e quelli di tipo statico. Le sorgenti rinnovabili utilizzano ampiamente convertitori statici per immettere energia in rete. Questi sono chiamati a funzionare in parallelo con le altre sorgenti di energia che sono macchine elettriche rotanti. Per sua natura la macchina elettrica produce tensione sinusoidale, genera potenza attiva e reattiva, funziona in parallelo con gli altri generatori e fornisce in caso di guasto corrente sufficiente alla apertura dei sistemi di protezione. I regolamenti in uso prevedono che i convertitori statici destinati per la connessione in rete delle fonti rinnovabili funzionino col concetto di inseguire la rete piuttosto che essere considerati al pari di una qualunque macchina sincrona che produca energia in una centrale elettrica. [3] A tale scopo i convertitori statici devono essere equipaggiati con funzionalità tali da consentire una integrazione in rete. I principali regolamenti oggi richiedono che si possa ridurre la potenza attiva immessa in rete quando la frequenza di rete è in aumento oltre una certa soglia, oppure che si possa immettere o prelevare energia reattiva secondo una certa legge dettata dal valore Figura 6- Regolazione di frequenza vs. potenza attiva. Figura 7- Regolazione di tensione vs. potenza reattiva. Figura 8- Convertitore per fotovoltaico. della tensione oppure che l immissione di potenza attiva avvenga ad un predeterminato fattore di potenza funzione del livello della potenza immessa. Va inoltre aggiunto che in caso di perturbazioni di rete si richiede al sistema di generazione di rimanere connesso alla rete secondo un determinato profilo di tensione-tempo. Le figure 4 e 5 mostrano i requisiti sopra esposti. In una micro rete però la potenza generata tramite convertitori statici può assumete valori rilevanti. Ne consegue che le funzionalità richieste al convertitore statico possano subire modifiche sostanziali rispetto a quanto sopra esposto. In questi casi il generatore statico può assumere un ruolo attivo nel controllo sia della tensione che della frequenza di rete. Si parla quindi di controllo primario di frequenza, ovvero della capacità del convertitore di adeguare la frequenza da esso generata in funzione della potenza attiva prodotta. La fig. 6 mostra la legge di regolazione Frequenza-Potenza ed in essa si nota anche il necessario statismo. E poi automatico associare anche la possibilità della regolazione secondaria di frequenza. Discorso parallelo anche per la regolazione della tensione, che può essere controllata in funzione della potenza reattiva prodotta. La fig. 7 mostra la legge di regolazione 5

6 Tensione-Potenza (sempre col proprio statismo) necessaria in tal caso. La soluzione maggiormente adatta per immettere energia in rete mediante convertitore statico è chiamata inverter Active Front End. 4 L immissione in rete di energia tramite inverter Active Front End. La immissione in rete di energia mediante inverter Active Front End è riassumibile secondo gli schemi di fig. 8 e 9. In esse si mettono a confronto due casi significativi: il primo caso riguarda la produzione di energia da sorgente di tensione continua, quale può essere il pannello fotovoltaico. In tal caso Figura 9-Convertitore per generatore eolico. Figura 10- Vettori corrente attiva e reattiva prodotte da inverter AFE. Figura 11- Schema controllo inverter AFE. il convertitore statico possiede un solo stadio di conversione che riceve in ingresso una tensione continua e produce in uscita una tensione alternata di ampiezza e frequenza compatibile con quella presente in rete, utilizzando il principio della modulazione pwm. Per estensione, questa soluzione si applica anche al caso della connessione in rete di elementi di storage di energia, quali per esempio le batterie. Trattandosi di un convertitore di tipo reversibile, esso può controllare sia la carica che la scarica delle batterie ad esso collegate, avendo come ingresso di regolazione la richiesta dal sistema centrale di controllo della micro rete la necessità di immagazzinare oppure di cedere energia in rete. Il secondo caso di fig. 9 riguarda invece la connessione in rete di una sorgente a tensione alternata ma di frequenza ed ampiezza variabili, quale può essere un generatore sincrono a magneti permanenti trascinato a velocità variabile da una turbina eolica oppure da una turbina idraulica. In questo secondo caso si usa un convertitore statico che opera in 6

7 due fasi, convertendo dapprima la tensione alternata variabile, prodotta dal generatore, in tensione continua e generando da quest ultima in uscita verso la rete una tensione alternata di ampiezza e frequenza compatibile con quella presente in rete. Si può facilmente notare come entrambe le soluzioni abbiano in comune il metodo di conversione da tensione continua a tensione alternata verso la rete, detto appunto inverter Active Front End (AFE). L inverter AFE che opera questa conversione, permette di ottenere un funzionamento del tutto analogo a quello di una macchina rotante e quindi di operare secondo le due modalità espresse al precedente paragrafo. L inverter AFE assume quindi una valenza generale per la produzione di energia elettrica da fonte non convenzionale, qualunque essa sia e adatto ad immettere energia sia in reti deboli sia in reti robuste. Figura 12- Sistema di accumulo energia con batterie. Queste funzionalità derivano strettamente dalla modalità con la quale l inverter AFE può controllare le componenti di corrente attiva e reattiva scambiate con la rete. La fig. 10 mostra come l inverter AFE possa operare nei 4 quadranti di energia attiva e reattiva grazie alla sua capacità di controllo separato delle due grandezze, indipendentemente sia dal segno sia dal valore di ciascuna di esse, secondo lo schema mostrato in fig. 11. Queste capacità di regolazione sono usate sia in condizioni di normale funzionamento che di transitorio di rete. E grazie a questa capacità di controllo bidirezionale dell energia che l inverter AFE può anche collegare alla rete elementi di accumulo di energia costituiti da banchi di batterie, come mostrato in fig. 12. Le funzionalità espresse in precedenza consentono quindi di prelevare energia dalla rete nei momenti in cui vi è Figura 13- Inverter per controllo carichi. sovrabbondanza di produzione e di immetterla di nuovo quando c è maggior richiesta. Questa funzionalità offerta dall inverter AFE consente di mitigare gli effetti della incostanza della produzione di energia da fonte rinnovabile. La soluzione AFE si distingue quindi per il suo utilizzo generalizzato per la produzione di energia elettrica in tutti quei casi dove non è applicabile il concetto di macchina elettrica connessa alla rete. [1], [2], [4]. 7

8 5 Regolazione di potenza dei carichi. L efficienza energetica richiede un uso estensivo di convertitori statici per regolare il consumo di energia dei carichi in maniera ottimale. Si tratta in prevalenza di sistemi per controllo motori a velocità variabile, destinati soprattutto al comando di pompe, ventilatori e compressori. Come già ampiamente dimostrato, in questi casi l uso dell inverter comporta un aumento dell efficienza ed un consistente risparmio energetico [5]. Il termine inverter racchiude in sé un ampia casistica di apparecchiature, disponibili in diverse versioni. La loro installazione su reti deboli richiede qualche considerazione in merito alla distorsione armonica che esso può produrre sulla rete stessa. Nella versione più semplice e nota l inverter presenta verso la rete un ponte a diodi in configurazione esafase, la quale è nota per le emissioni armoniche di corrente di ordine 5, 7, 11, 13,... la cui ampiezza è inversamente proporzionale all ordine della stessa armonica. La fig. 13 mette in evidenza questa configurazione. Le armoniche di corrente danno origine a distorsione armonica della tensione. Quando le potenze dei carichi alimentati da inverter diventano significative rispetto alla potenza di corto circuito della rete la distorsione armonica della tensione può assumere valori inaccettabili. Occorre quindi mitigare l emissione delle armoniche con una delle seguenti tecniche: o utilizzare stadi d ingresso in configurazione maggiore di 6 (salire quindi a 12 o 18 impulsi), oppure usare un inverter del tipo AFE che provvede a prelevare energia senza sostanziale distorsione armonica. La configurazione dell inverter AFE per il comando di un motore è la stessa già oggetto di quanto discusso per la generazione di energia, con specifico riferimento alla fig. 9. Il convertitore AFE è reversibile e quindi può funzionare sia per la generazione di energia che per il controllo del carico. Calcoli accurati della rete con tutti i suoi carichi permette di definire la topologia più adatta per l inverter. 6 Interfaccia di potenza tra la micro rete e la rete esterna. Nella più semplice implementazione il collegamento tra la micro rete e la rete esterna si realizza in maniera diretta tramite appositi interruttori predisposti nelle cabine elettriche di interconnessione. In alternativa può essere considerato anche una interconnessione mediante convertitore statico. E il caso di una micro rete per la quale risulti troppo difficoltoso gestire la frequenza di rete in sincronia con la frequenza della rete principale oppure si renda necessaria una conversione di frequenza (per esempio, da 50 a 60 Hz o viceversa). In tal caso si ricorre a convertitori statici che strutturalmente sono analoghi a quanto mostrato in fig. 9 che realizzano una connessione back-to-back. Anche in questo caso si possono fare considerazioni similari a quelle espresse per la generazione distribuita e che per brevità non vengono trattate. 7 Il controllo e supervisione della micro rete intelligente. La micro rete intelligente è dotata di un proprio sistema di comando, di controllo e di supervisione. [6], [7], [8]. Questo sistema è basato sulla tecnologia Artics Smart Energy e provvede a diverse funzionalità, tra le quali: il controllo e la gestione dei flussi di energia. Il sistema di controllo e di gestione ha lo scopo di realizzare la migliore prestazione possibile dell intero sistema mediante l ottimizzazione sia della produzione di energia (interna o di 8

9 scambio con la rete esterna) sia dell utilizzo della stessa da parte dei carichi sia dell eventuale accumulo in sistemi di immagazzinamento. Questa funzionalità si basa su una serie fitta di informazioni provenienti dalle varie apparecchiature e dai vari sensori di campo che servono da un lato a quantificare la capacità di produzione di energia sia attuale che di breve periodo per ogni tipologia di fonte e dall altro a quantificare sia il consumo attuale che le previsioni di consumo per il breve periodo. L analisi di questi dati consente di definire la migliore strategia di produzione, il livello di interscambio con la rete esterna (sia esso prelievo oppure cessione), l eventuale necessità di diminuire o di livellare nel tempo la potenza assorbita da alcuni carichi mediante logiche di priorità e il livello di interscambio con i sistemi di accumulo. Si persegue in tal modo l obiettivo di sfruttare al massimo il contributo delle fonti rinnovabili e di controllare i picchi di domanda di energia. Le funzioni principali svolte dal sistema di controllo sono quindi: - l analisi dei livelli di potenza attiva e reattiva complessivi, il Figura 14-Schema di principio controllo e supervisione micro-rete. confronto con i livelli ottimali oppure impostati e gli interventi necessari per sostenere questi livelli attesi. - il metering per valutare la qualità della potenza ed il coordinamento dei sistemi di compensazione - il rilievo di eventuali disturbi con l attivazione dei dispositivi di protezione interni, l analisi se tali disturbi siano di origine interna alla micro rete o meno, e la eventuale decisione se mantenersi connessi alla rete oppure passare alla modalità in isola (quest ultima attivata solo se permessa dai regolamenti). la supervisione dell intero impianto. Il monitoraggio in tempo reale della micro rete è necessario per fornire al personale operativo le informazioni sullo stato del sistema e sugli interventi che si rendessero necessari sia per manutenzione che per risoluzione di ogni disservizio. Il sistema di supervisione centrale deve essere in grado di garantire un adeguato throughput nei confronti dei sistemi periferici collegati, da cui prelevare le informazioni locali sullo stato di funzionamento e deposita eventuali comandi necessari al coordinamento delle funzioni. Le principali azioni nei confronti della micro rete sono: - avvio ed arresto dei sistemi di produzione locale di energia - gestione dei sistemi di accumulo - controllo e gestione dei sottosistemi utilizzatori - gestione dei percorsi alternativi per il prelievo di energia da parte di un carico. Non da ultimo, questi dati possono essere scambiati con altri sistemi esterni per un corretto inserimento della micro rete in un sistema elettrico più ampio. la gestione delle condizioni di guasto esterno. 9

10 La micro rete intelligente può essere progettata per avere una capacità di funzionamento indipendente dalla presenza della rete esterna. Se la micro rete è dotata di un opportuno livello di produzione interna unitamente ad una capacità di immagazzinamento, nel caso di mancanza della rete esterna essa può funzionare in modalità isola. La modalità in isola può essere particolarmente utile a fronte di interruzioni di breve periodo. In tal caso i sistemi di immagazzinamento svolgono un ruolo essenziale nel sostenere la micro rete. Il sistema di controllo deve quindi riconoscere quando una simile situazione sta per manifestarsi e deve provvedere di conseguenza alla gestione dei flussi di energia in modo tale da non superare le capacità di produzione interna, tenendo conto anche della capacità di immagazzinamento. 8 Struttura del sistema di comando, controllo e supervisione. Pur essendo la micro rete intelligente un sistema limitato in termini sia di potenza installata che di zona geografica sono molteplici le apparecchiature che vanno governate e la mole di dati da raccogliere ed analizzare può diventare enorme. Il sistema di governo della micro rete intelligente si fonda su una struttura gerarchica dotata di una struttura centrale che dialoga con molteplici sistemi di controllo e monitoraggio distribuiti Figura 15- Schema di principio controllo e supervisione per DG. Figura 16- Schema di principio controllo e supervisione dei carichi. sul territorio. La figura 14 ne illustra la visione di insieme. La suddivisione logica delle funzioni di controllo locale è definita dalla struttura dei componenti della rete e si possono così individuare quattro tipologie di sottosistemi: i generatori distribuiti, i carichi, l interfaccia verso la rete elettrica esterna ed i sistemi di accumulo di energia. Mentre i generatori ed i 10

11 sistemi di accumulo sono di solito in numero limitato e come tali possono essere considerati singolarmente, per i carichi la situazione è molto diversa essendo questi ultimi molto frammentati. I carichi vengono quindi gestiti in gruppi determinati o dalla funzione svolta o dal luogo di installazione fisica. Ogni sottosistema è dotato di un proprio sistema di controllo e monitoraggio locale preposto allo svolgimento delle funzioni di comando e di monitoraggio delle singole apparecchiature, in grado di colloquiare col sistema centrale tramite una rete dati veloce e sicura. A sua volta ogni sistema di controllo e monitoraggio locale viene collegato alle varie apparecchiature ed ai sensori di campo per una raccolta dati capillare con reti di campo. 9 Controllo locale. Il controllo locale è chiamato a svolgere a livello delle singole apparecchiature le funzioni di comando partendo dalle richieste del sistema centrale, dedotte sulla più ampia scala dell intera micro rete. Nel caso dei generatori distribuiti esso sarà chiamato in primo luogo a svolgere le funzionalità già richiamate nel par. 3 e 4. In aggiunta a queste, per le sorgenti Figura 17- Architettura sistema di monitoraggio e controllo locale. Figura 18- Rete dati per micro rete intelligente. rinnovabili, sono previste le funzionalità della ricerca del punto di massima potenza e della previsione di produzione futura. La previsione della produzione è un parametro importante stante l incostanza e la dipendenza da fattori fisici della stessa. Con particolari algoritmi è possibile elaborare i dati da sensori di campo e da dati storici al fine di prevedere una evoluzione nel breve periodo. Così facendo si ottiene di sfruttare al massimo le fonti rinnovabili e di dare la corretta informazione al sistema centrale per la gestione complessiva della produzione, dello scambio con la rete esterna e dello scambio con i sistemi di accumulo. La rete di sensori connessi ai campi fotovoltaici ed eolici serve alla raccolta dati per le funzioni sopracitata, secondo lo schema di principio di fig

12 Nel caso dei carichi il sistema locale deve innanzi tutto gestirne la priorità. Con riferimento alla fig. 16, il controllo locale dei carichi sulla base della consegna di energia stabilita dal sistema centrale deve attuare una strategia per evitare picchi di domanda che potrebbero essere in eccesso a quanto disponibile. Il sistema locale deve raccogliere i dati storici sui consumi ed elaborarne una previsione della loro evoluzione nel breve periodo. Tale informazione viene mandata al sistema centrale di controllo della micro rete. Un altra importante funzione svolta dal controllo locale consiste nel fornire all utente una serie di informazioni sui consumi, sulla disponibilità di energia, sui costi dell energia e sui parametri di efficienza energetica. La fig. 17 mostra con maggior dettaglio la generica architettura dei sistemi di controllo e di monitoraggio. 10 Le reti di comunicazione. L infrastruttura delle comunicazioni di una micro rete intelligente deve essere in grado di gestire il flusso delle informazioni necessarie per un corretto funzionamento della micro rete stessa, permettendo il collegamento dei vari livelli comunicativi, a partire dalle reti di campo per l acquisizione dei dati di funzionamento dei vari sistemi generatori/utilizzatori, fino allo scambio delle informazioni prioritarie che vengono utilizzate dal sistema di controllo centrale per la gestione complessiva della rete. La fig. 18 mostra le principali strutture usate in funzione del tipo di connessione da realizzare. L architettura delle comunicazioni prevede quindi i seguenti aspetti fondamentali: 1. Sicurezza fisica dei dati 2. Privacy 3. Virtual Power Plants 4. Smart Metering 5. Networking per le reti locali (LAN) per la gestione dei parchi di generazione distribuita e rinnovabile o per l energy management di impianti utilizzatori industriali o residenziali/commerciali 6. Infrastruttura delle comunicazioni per lo storage e la gestione dei veicoli elettrici 7. Monitoraggio e controllo in area estesa (WAN) Le reti dati che collegano i vari sistemi tra loro rispondono ad esigenze di vario tipo e per questo vengono generalmente utilizzati protocolli diversi con diverse tempistiche di acquisizione. Così ad esempio per le reti di collegamento dei sensori al sistema locale possono venire utilizzati fieldbus basati su comunicazioni seriali (Modbus, CAN) o sui più evoluti bus basati su Ethernet industriale (EtherCAT, ProfiNet), mentre salendo di livello la struttura delle comunicazioni diventa quella tipica delle strutture IT, con collegamenti basati su rete Ethernet e standard come IEC Da ultimo, passando ancora su scala più ampia, il collegamento tra le varie unità di controllo fa uso ancora di Ethernet, utilizzando pero gli standard tipici dell ambiente Internet (VPN e servizi Web). 11 Esempio applicativo Un caso concreto di applicazione del progetto Zeus è mostrato nella fig. 19. Si tratta di una applicazione in una zona remota non servita da linee elettriche, nella quale è prevista la installazione di una stazione elettrica per produrre energia per l azionamento di un sistema di pompaggio. Allo scopo, la stazione elettrica è dotata di gruppi diesel-elettrici e di un sistema fotovoltaico. I due sistemi possono funzionare sia da soli che in parallelo tra loro. La priorità di produzione è assegnata al sistema fotovoltaico. Quando quest ultimo viene meno durante le 12

13 ore serali e notturne subentra il gruppo diesel. Per attuare un programma di questo tipo è previsto un sistema di comando controllo e supervisione che presiede sia alla gestione della stazione elettrica sia alla gestione dei carichi allo scopo di ottimizzare l uso dell energia e di massimizzare la produzione per via fotovoltaica. Il sistema di controllo e di supervisione è realizzato con la tecnologia Artics Smart Energy. 12 Conclusione. Il progetto Zeus illustrato in questo articolo vuole essere una soluzione al problema dell efficienza energetica, del risparmio energetico ed alla integrazione delle sorgenti di energia distribuita, in prevalenza di origine rinnovabile, mediante un modello del tipo bottom-up. Il progetto Zeus ha alla sua base la micro rete intelligente che costituisce la cella elementare del modello proposto. Quest ultima è predisposta per servire una porzione limitata di utenze o di territorio, avendo la capacità di integrare su piccola e media scala le sorgenti distribuite di energia con le utenze interconnesse. Essa utilizza una tecnologia provata da anni in campo industriale sia come apparecchiature di potenza che di comando controllo e supervisione. La micro rete diviene quindi intelligente grazie a moderne tecniche di controllo e di supervisione le quali consentono di superare le problematiche introdotte negli ultimi anni dal progressivo estendersi delle sorgenti rinnovabili a carattere aleatorio. Figura 19- Micro rete intelligente per sistema remoto. A questo risultato si aggiunge il conseguimento dell obbiettivo di efficienza e di risparmio energetico, mediante l uso controllato dei carichi con le più recenti tecniche di regolazione. Il modello di micro rete intelligente è flessibile in quanto è integrabile nei sistemi elettrici esistenti senza particolari accorgimenti ed è anche adatto alla elettrificazione di zone dove oggi non c è disponibilità di energia elettrica senza dover ricorrere al trasporto su lunga distanza mediante apposite linee. 13 Bibliografia. [1] Marina G., Gatti E., Large Power PWM IGBT Converter for shaft alternator systems. PESC 04, Aachen giugno Vol. 5 pagg:

14 [2] Numeroli R., Gatti E., Torri G., Kranenburg R, Four quadrant, large power, igbt vector controller adjustable speed drive. Design and test. EPE 95, Sevilla , 512. [3] AA. VV. Enel DK5940 ed. 2.2 [4] Torri G., Power Quality ed immissione in rete di energia da fonte rinnovabile. 2² Giornata sull efficienza energetica nelle industrie. Fondazione Megalia. Milano, 30 Maggio [5] Pagano R., Torri G., Variable Speed Drives and Energy Saving. Congresso Energy and Environment. Fondazione Megalia. Sorrento, 30 Settembre - 02 Ottobre [6] Flueck A., Zuyi Li, Destination: perfection. IEEE Power & Energy Magazine. November/December pp [7] Yeager K., Striving for perfection. IEEE Power & Energy Magazine. November/December pp [8] Magni P., L ICT per l efficienza energetica e il risparmio energetico. Mondo Digitale n 2 Giugno pp [9] Scaglia, Brocca, Torri. Un modello per lo sviluppo delle micro reti intelligenti. XI forum telecontrollo, Roma [10] Torri, Scaglia, Brocca. A model for the development of smart micro grids. Montreal, WEC2010. [11] Brocca, Rubega, Moretto, Torri. Inverter smart per l evoluzione della generazione distribuita e delle reti intelligenti. Solarexpo, Verona

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