INTRODUZIONE. Questo elaborato si focalizza sullo studio dell iniezione di corrente continua causato

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1 INTRODUZIONE Questo elaborato si focalizza sullo studio dell iniezione di corrente continua causato dalla connessione alla rete elettrica dei sistemi di generazione distribuita, il quale rappresenta uno dei principali requisiti di power quality richiesto dalle principali compagnie di distribuzione elettrica. Dal momento che la potenza in uscita da impianti di produzione come ad esempio quelli fotovoltaici, è in corrente continua, mentre la rete di distribuzione è in corrente alternata, in ogni sistema di interconnessione è necessario rivolgere particolare attenzione per evitare un miscelamento tra queste due correnti. Normalmente, c.a. e d.c. vengono a contatto nell inverter e per la grande varietà nelle tipologie e nelle specifiche, il fenomeno può essere molto complesso. Al fine di ottenere una completa panoramica del problema è stata effettuata una ricerca letteraria sulla distributed generation e sulla DC injection con la quale è stato possibile esaminare in modo approfondito tale problematica con relative cause, effetti ed i possibili rimedi per la riduzione di questo disturbo. I contributi del lavoro possono essere riassunti in quattro punti principali: - Una panoramica sulle norme guida che fissano un limite sull iniezione di corrente continua nella rete in alternata; - Lo sviluppo, le caratteristiche ed un analisi di power quality dei convertitori di potenza per interconnessione al sistema di distribuzione; 3

2 - Effetti nocivi sulle perdite e sulla saturazione del materiale ferromagnetico sul trasformatore di distribuzione ed introduzione del trasformatore di isolamento, solitamente utilizzato per creare isolamento galvanico tra generatore e rete e per eliminare le componenti continue di corrente; - Una possibile soluzione per la riduzione della componente d.c. causata dai sensori di corrente presenti negli inverter transformerless, con la funzione di controllo della corrente in uscita. Il d.c.-offset può essere eliminato attraverso un analisi della corrente sul dc-link del convertitore di potenza. 4

3 Capitolo 1 SISTEMA A GENERAZIONE DISTRIBUITA E INIEZIONE DI CORRENTE CONTINUA 1.1 LA DISTRIBUTED GENERATION Figura 1.1 Principale flusso di potenza nei tradizionali sistemi di generazione, trasmissione e distribuzione 5

4 Nel corso degli ultimi anni è andata via via aumentando la richiesta di energia elettrica, diretta conseguenza del crescente ed inarrestabile sviluppo tecnologico, scientifico ed industriale. Per questo motivo presenta una rilevanza sempre maggiore la ricerca di nuove fonti di energia e la loro gestione al fine di garantire il benessere di ogni comunità. Vi sono però due principali problematiche che vanno tenute sempre in grande considerazione: l inquinamento delle fonti di energia rinnovabili e dell ambiente dalle scorie derivanti dai metodi di produzione convenzionali. Per questo motivo è necessario ottimizzare le risorse di energia messe a nostra disposizione sviluppando e utilizzando innovative tecniche. Le principali caratteristiche di queste fonti sono, come detto in precedenza, la rinnovabilità ed un ridotto effetto di contaminazione ambientale. L energia fotovoltaica ed eolica fanno parte di questa categoria ed il loro utilizzo è notevolmente aumentato nel settore industriale durante gli ultimi decenni, avendo sempre un maggiore impatto sulla rete di distribuzione e fornendo ad essa la potenza necessaria per soddisfare le crescenti richieste degli utilizzatori elettrici: nasce la generazione distribuita (DG o DER, distributed energy resource). Con l avvento di un numero sempre crescente di sistemi di produzione indipendenti, anche l elettronica di potenza ad essi connessa, si è sviluppata su larga scala. La figura 1.1 mostra in linea di principio l andamento del flusso di potenza che connette tra loro i componenti dedicati alla generazione, trasmissione e distribuzione, i quali danno luogo ad un sistema elettrico di potenza. 6

5 Oggi questo sistema è costituito da un certo numero di centrali di produzione, dalla trasmissione e distribuzione in corrente alternata (T&D, trasmission and distribution) con valore di frequenza standardizzato a 50 o 60 Hz a seconda del paese preso in considerazione (50 Hz per l Europa, 60 Hz per gli Stati Uniti), componenti elettromagnetici ed elementi di elettronica di potenza necessari per la conversione dell energia. 1.2 L INIEZIONE DI CORRENTE CONTINUA La generazione distribuita introduce reti di nuove forme e dimensioni con un numero crescente di generatori a cui vanno aggiunti i relativi dispositivi di elettronica di potenza necessari per l interconnessione al sistema elettrico globale, specialmente per livelli di tensione medio-bassi. La figura 1.2 mostra le varie forme, gli elementi e le nuove modalità di funzionamento. 7

6 Figura 1.2 Tradizionali linee di trasmissione per il flusso di potenza e dei dati in un sistema a generazione distribuita La maggior parte del flusso di potenza sarà dato dal tradizionale concetto di rete di trasmissione e distribuzione in presenza di grandi centrali idroelettriche e termiche. Vi sono anche generatori incorporati in alcuni edifici in cui vi è una generazione propria di potenza, solitamente ottenuta con combustibili fossili (petrolio, diesel e derivati), oppure da fonti rinnovabili di energia come l eolico o il fotovoltaico. La maggiore risorsa nella generazione di potenza elettrica resta senza dubbio la centrale termoelettrica, basata al giorno d oggi su macchinari elettromeccanici a velocità costante e da dispositivi provenienti dall elettronica di potenza che mediante l utilizzo di componenti quali diodi, tiristori, GTO e più recentemente IGBT, effettuano il controllo di della corrente. Oggi, in tutto il mondo, circa i due terzi della produzione elettrica si basa sull utilizzo di combustibili fossili. Anche il gas è una fonte di energia in via di sviluppo su larga scala. Esso è utilizzato per l industria, i trasporti, il riscaldamento e presenta una posizione privilegiata in materia di infrastrutture ed un grande potenziale per un futuro ampliamento del suo sfruttamento, nella produzione combinata di energia elettrica e di calore, con la possibilità di generare per la rete di distribuzione migliaia di kilowatt. È ovvio che la generazione di energia su larga scala, con sistemi di produzione distribuiti come le nuove fonti rinnovabili, necessiteranno di nuovi sistemi di trasmissione della potenza che evitino pesanti costi e stress ambientali dovuti ai 8

7 componenti chimici di immagazzinazione dell energia. A differenza di questi ultimi, il gas possiede un proprio sistema di trasmissione e distribuzione, che consente una iniziale riduzione di costi rispetto alle fonti di energia rinnovabile. Oltre a ciò il gas è una fonte semplice ed efficiente che può essere accumulata e distribuita alle varie unità di generazione (generatori propri) in quanto è un combustibile utilizzato anche per il riscaldamento di abitazioni ed infrastrutture. Sarà quindi necessario, negli anni futuri, uno studio approfondito per combinare tra loro le conoscenze in materia di produzione, trasmissione, distribuzione ed utilizzazione dell energia elettrica per ottenere il massimo dei benefici dalla combinazione tra risorse rinnovabili e sviluppo tecnologico, al fine di migliorare il sistema elettrico mondiale. Per quanto riguarda i convertitori elettronici di potenza (PE power electronics) come inverter e cicloconvertitori, si prevede che essi iniettino sulla rete di distribuzione una corrente alternata alla frequenza standard, ma purtroppo la loro non idealità causa l immissione contemporanea di una componente continua di corrente, la quale rappresenta uno dei principali problemi per le compagnie di distribuzione elettrica nazionali e per i gruppi di ricerca a livello mondiale, che hanno il compito di regolamentare tale aspetto. Questo fenomeno è chiamato DC INJECTION e descrive l atto di forzare una corrente continua sulla rete tradizionale in corrente alternata, in modo tale da introdurre una componente nociva e di disturbo che riduce il livello di power quality del flusso di potenza evidenziato nelle figure 1.1 e 1.2. In questo lavoro saranno 9

8 messi in luce le apparecchiature di conversione dell energia ed il relativo problema dell iniezione di corrente continua. La filosofia che sta dietro a tale problematica, come un aspetto riguardante la generazione e distribuzione di energia elettrica, è molto ampia e racchiude diversi obiettivi: - Utilizzo delle fonti di energia immagazzinabili per la produzione contemporanea di calore e potenza elettrica, per un migliore utilizzo delle limitate risorse; - Vi è una crescente consapevolezza e preoccupazione tra gli studiosi sulle questioni riguardanti i problemi ambientali. È utile in materia di generazione elettrica distribuita, rendere consapevoli gli studiosi della necessità dello sviluppo dei sistemi ad energia rinnovabile per contribuire effettivamente ad un mondo in cui la crescita sia sostenibile dalla natura; - E necessaria un analisi approfondita delle componenti di corrente continua derivanti dall elettronica di potenza incorporata nell energia eolica, fotovoltaica e nei generatori propri presenti negli smart office e smart houses. Esse presentano un sempre maggior impatto sulla rete di distribuzione, così come le componenti in corrente alternata con frequenza diversa dalla fondamentale; - La possibilità dell utilizzo di internet come metodo per il trasporto delle informazioni tra le varie unità di controllo e analisi. Per i costi, l efficienza e la facile implementazione potrebbe essere assunto vicino alla rete a.c. e migliorato con l automazione industriale. 10

9 Tutti questi obiettivi hanno un fine comune: l iniezione di corrente continua nella rete elettrica di distribuzione è una minaccia causata da un collegamento elettronica di potenza-rete che risulta poco ben strutturato. Bassi livelli di corrente d.c. nella corrente a.c. sono difficili da misurare, sopratutto se si tengono in considerazione i limiti stabiliti dalle norme vigenti e discussi in altri gruppi di lavoro internazionali. I trasformatori e tutte le apparecchiature destinate alla conversione possono essere realizzate in simbiosi per cercare di eliminare la componente continua. La moltitudine dei problemi riguardanti la generazione distribuita ed il suo futuro sviluppo, come i livelli di iniezione d.c., il contenuto armonico, le variazioni della frequenza fondamentale ed il flicker, indicano il livello di forma della rete e vengono studiati nella già citata power quality. Per ogni sistema di connessione alla rete la regolazione di tensione e di frequenza, il fattore di potenza, le protezioni ed i criteri di intervento in caso di guasto sulla rete sono considerazioni di estrema importanza. Tuttavia, in questo elaborato, è stata rivolta particolare attenzione all iniezione di corrente continua anche se tuttora non è stato ancora pienamente riconosciuto come problema appartenente alla power quality, nonostante la sua posizione all interno della normativa IEEE 1547 sia precedente ai problemi armonici e di flicker. Questo però non deve trarre in inganno perchè una rete di alimentazione che presenta componenti continue sul lato utilizzatore può disturbare le regolari operazioni dei carichi e del trasformatore che si trova a monte del punto di consegna, causando un funzionamento anomalo dell intero 11

10 sistema. Tutto ciò potrebbe portare all interruzione del collegamento tra la sezione della rete presa in esame ed il resto del sistema, che si troverebbe nelle condizioni di sopportare un ulteriore disturbo. Figura 1.3 sistema di interconnessione alla rete in un impianto fotovoltaico grid-connected. Un impianto fotovoltaico funzionante in parallelo alla linea viene denominato grid-connected. Esso può non prevedere la presenza di batterie di accumulo in quanto, in mancanza di irraggiamento, l utente è alimentato dalla rete. 1.3 SORGENTI DI INIEZIONE DC Ci sono molti dispositivi che potrebbero potenzialmente essere soggetti all immissione di corrente continua, comprese le apparecchiature di alimentazione per uso domestico. Sono state eseguite numerose ricerche su dispositivi come alimentatori per PC, per poter determinare direttamente la presenza di componenti d.c. e quantificarle. I risultati ottenuti mostrano un livello considerevole, ben al di sopra dai limiti fissati dalle norme: 12

11 ALIMENTATORE D.C. MISURATA % SU Irms Laptop 0,04 A 7,7% Desktop PC 0,03 A 11,2% Tabella 1.3 iniezione di corrente continua in alimentatori per PC Le misure sono state ottenute attraverso un sensore ad effetto Hall collegato ad un analizzatore di power quality. In genere, nella maggior parte delle costruzioni adibite ad uffici, sono in uso una grande quantità di computers contemporaneamente, il che potrebbe portare a significativi livelli di corrente continua. Un seconda causa di iniezione sono i guasti sul sistema a bassa tensione, la corrente di guasto presenta regolarmente un termine con decadimento esponenziale dipendente dall istante di tempo in cui si verifica il guasto e dall impedenza del sistema. Anche il sistema di illuminazione, con lampade fluorescenti, è soggetto a elevati valori di componenti continue, mentre i fenomeni geomagnetici inducono un corrente continua attraverso la differenza di potenziale applicata ai punti di messa a terra, essa si introduce nel sistema attraverso il trasformatore. 1.4 MISURE DI INIEZIONE DC Le misure di valori bassi (<1A) di corrente possono essere facilmente ottenute utilizzando molte apparecchiature presenti in commercio, inclusi amperometri digitali, sensori ad effetto Hall, o dispositivi a bobina mobile. Tuttavia, all interno delle problematiche prese in considerazione, è richiesto il monitoraggio di livelli 13

12 estremamente bassi, con la necessità di strumentazioni di elevata accuratezza e sensibilità. Si è reso necessario l utilizzo di dispositivi studiati appositamente, soprattutto per la sperimentazione di inverter per impianti fotovoltaici dove deve essere rilevata una corrente nell ordine delle unità di ma. È stato realizzato un sistema in grado di misurare correnti di questo genere (5mA), esso presenta uno shunt resistivo da 0,01Ω e un voltmetro in grado di misurare piccole tensioni d.c. (0,05mV) in presenza di elevati tensioni a.c. Questo va verificato attraverso il circuito riportato nella seconda figura: in mancanza di inverter la tensione continua misurata dovrebbe essere nulla. Figura 1.4 configurazione del sistema di misura 14

13 Figura 1.5 Verifica delle qualità del voltmetro Metodi alternativi di misura in caso di bassi livelli di corrente continua possono essere costituiti da un sensore di corrente e di un appropriato sistema di amplificazione; ma essi non sono ancora presenti in commercio. 15