I sistemi elettrici: lezione introduttiva. Prof.ssa Maria Dicorato

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1 I sistemi elettrici: lezione introduttiva Prof.ssa Maria Dicorato La produzione di energia elettrica L insieme dei mezzi di produzione, denominato centrali elettriche, nei quali avviene la trasformazione delle fonti naturali di energia, (idraulica, termica, eolica o fotovoltaica) in energia elettrica, è di varia natura e può comprendere: centrali idroelettriche centrali termoelettriche a vapore centrali geotermoelettriche (che sfruttano i soffioni boraciferi ad elevata temperatura) centrali termonucleari centrali con turbine a gas o con ciclo combinati (con turbine a gas e vapore) impianti a fonti rinnovabili (parchi eolici, impianti fotovoltaici, etc)

2 La produzione di energia elettrica I generatori di energia elettrica delle varie centrali iniettano potenza in rete mentre le utenze assorbono potenza dalla rete stessa, ciascuno secondo le proprie esigenze. In ogni istante la potenza immessa in rete dai generatori deve uguagliare quella assorbita dai carichi (più le perdite nella rete) e ogni eventuale sbilancio, a qualunque causa esso sia dovuto, deve essere rapidamente azzerato mediante l intervento di appropriate regolazioni. La produzione di energia elettrica L equilibrio tra la potenza generata e quella assorbita, che è elemento essenziale per la cosiddetta continuità del servizio, può essere difficile per il fatto che il diagramma di carico dell utenza varia: nell arco del giorno, della settimana, del mese, dell anno, oppure dipende da eventi imprevedibili (meteo) oppure perché per motivi di varia natura, possono avvenire nel sistema degli incidenti, ad esempio la suddivisione della rete in due parti, una con deficit, l altra con un surplus di potenza generata.

3 La produzione di energia elettrica Con riferimento ad un diagramma tipico di carico totale giornaliero di una grande rete elettrica e ai mezzi di produzione sopra elencati è da osservare che: le centrali idroelettriche ad acqua fluente, quelle geotermoelettriche e quelle termonucleari erogano, per motivi sia tecnici sia economici, una potenza praticamente costante, mentre le centrali termoelettriche sono adatte ad un funzionamento a potenza quasi costante, corrispondente alla condizione di massimo rendimento. La copertura delle punte di carico giornaliero viene effettuata, di fatto, mediante le centrali idroelettriche a serbatoio e di pompaggio e mediante centrali con turbine a gas.

4 Trasmissione e distribuzione dell energia elettrica Quando si devono alimentare più utilizzatori, questi possono essere collegati in serie o in parallelo, ma il sistema universalmente adottato è quello in parallelo o derivazione, nel quale la stessa tensione è applicata a tutti gli utilizzatori. Per quanto riguarda il tipo di alimentazione può essere a corrente continua o alternata, monofase o trifase. Una spinta decisiva alla scelta del tipo di alimentazione è stata fornita, verso la fine del millenovecento dalle invenzioni delle macchine elettriche a corrente alternata quali i trasformatori statici di potenza, i motori asincroni trifase e in generale la macchine ad induzione rotanti. L uso dei trasformatori consente di effettuare la trasmissione e la distribuzione dell energia elettrica in corrente alternata a tensioni elevate, riducendo le perdite che sono proporzionali al quadrato della corrente e ciò, assieme alla lunga vita e alla poca manutenzione richiesta da tali macchine, è stato determinate nella scelta della corrente alternata. Trasmissione e distribuzione dell energia elettrica Altri fattori sono: la corrente alternata si può interrompere, mediante gli interruttori, molto più facilmente di quella continua in quanto passa per lo zero ogni semiperiodo; i motori asincroni sono molto più adatti di quelli a corrente continua per tutte le applicazioni industriali; le turbine a vapore, ben adatte a ruotare a velocità elevata, fanno preferire i generatori sincroni (alternatori) a quelli a corrente continua (dinamo) a causa della presenza, in questi ultimi, del collettore a lamelle.

5 Trasmissione e distribuzione dell energia elettrica Utilizzando la corrente alternata anziché quella continua, la produzione di energia elettrica viene effettuata mediante alternatori nei quali, per motivi connessi all isolamento del materiale conduttore, non è conveniente superare un certo livello massimo di tensione (circa kv). Poiché, d altra parte, anche molti apparecchi utilizzatori devono essere costruiti per tensioni non troppo alte, l intermediario dei trasformatori consente sia di elevare la tensione nelle centrali per portarla al valore più adatto alla trasmissione ed alla distribuzione (e quindi diminuire le perdite) sia poi di abbassarla, in corrispondenza dei centri di consumo, al valore più adatto per gli utenti. Parti componenti di un Un sistema di produzione, trasmissione e distribuzione dell energia elettrica è formato dalle seguenti parti principali: centrali di produzione, in cui avviene la trasformazione delle fonti naturali di energia in energia elettrica. rete AT di trasmissione a più livelli di tensione comprende linee aeree e sotterranee, stazioni di smistamento (cioè senza carico), trasformatori e autotrasformatori di interconnessione tra i vari livelli di tensione installati in opportune stazioni dette di interconnessione, e stazioni di trasformazione verso la rete AT di subtrasmissione. rete AT di subtrasmissione a più livelli di tensione (tra 60 e 150 kv) che alimenta la rete MT di distribuzione tramite trasformatori AT/MT installati nelle stazioni di trasformazione. rete MT di distribuzione (o rete primaria) che alimenta molteplici cabine MT/BT, ubicate in funzione della densità del carico; è da notare che tale rete è esercita in sottoreti ovvero ad isole, alimentate da una o due stazioni di trasformazione AT/MT. rete BT di distribuzione (o rete secondaria) che realizza l ultima fase della distribuzione partendo da ciascuna cabina di trasformazione MT/BT e collegando tutte le utenze di una data zona.

6 Centrali di produzione In esse si trovano i generatori sincroni trifasi (alternatori) con i relativi motori primi (turbine) e trasformatori elevatori per portare la tensione dal valore più adatto alla produzione (25-30kV) a quello più adatto per la trasmissione in AT. Sono, inoltre, presenti gli apparati per la regolazione della tensione e della velocità dei generatori: i primi, sensibili alla tensione V ai morsetti di macchina fanno variare, attraverso il sistema di eccitazione, la tensione Vf applicata al circuito di campo dell alternatore, in modo tale da mantenere la tensione ai morsetti il più possibile costante. I secondi, sensibili alla velocità angolare Ωm dell alternatore, agiscono sull apertura θ della valvole di ammissione del fluido motore (acqua e vapore) in turbina e fanno conseguentemente variare la coppia meccanica (o motrice) Cm che la turbina trasmette all alternatore fino a renderla il più possibile uguale alla coppia elettromagnetica (o resistente) Ce dell alternatore stesso. Durante questa regolazione la coppia meccanica dipende dall apertura delle valvole in funzione anche delle caratteristiche del cosiddetto sistema adduttore, cioè del sistema che porta il fluido motore in turbina (ad esempio le condotte forzate o le caldaie), e non soltanto di quelle della turbina. La figura mostra schematicamente quanto detto. Ogni centrale comprende spesso due o più gruppi in parallelo sulle sbarre AT Centrali di produzione

7 Rete AT di trasmissione Tale rete ha come rami le linee aeree, i cavi, i trasformatori e gli autotrasformatori, e come nodi le sbarre AT delle centrali e le sbarre AT delle stazioni di interconnessione e di trasformazione. I flussi di potenza attiva e reattiva transitanti sui trasformatori e sugli autotrasformatori delle stazioni di trasformazione tra le due reti AT di trasmissione e di subtrasmissione costituiscono il carico visto dalla rete AT di trasmissione. rete AT di subtrasmissione

8 Principali componenti di un Riepilogando: le linee di trasmissione (aeree e in cavo); i trasformatori e autotrasformatori; gli alternatori (generatori sincroni); i motori asincroni e altri tipi di carico (lampade e forni ad arco); i regolatori di tensione e sistemi di eccitazione degli alternatori; i regolatori di velocità e i sistemi di adduzione dei gruppi; le protezioni di vario tipo e natura presenti nei diversi componenti.

9 Principali componenti di un Nel sono sempre presenti protezioni di vario tipo e natura (elettrica e non) per salvaguardare le varie sezioni e i vari componenti da possibili funzionamenti in condizioni perturbate (cortocircuiti, sovratensioni, collassi di tensione e frequenza). Possono inoltre essere presenti, in aggiunta a quelle già citate per i gruppi, ulteriori regolazioni (ad esempio di tensione e di frequenza) al fine di migliorare il comportamento statico e dinamico del sistema, nonché appropriate telemisure (di tensione, di potenza attiva, ecc.) e opportuni telesegnali dello stato di funzionamento (di linee e gruppi) che inviate in centri regionali e/o nazionali di dispacciamento e supervisione permettono, tramite calcolatori digitali funzionanti on-line, di effettuare il controllo in tempo reale del sistema elettrico. Per quanto riguarda i mezzi di controllo disponibili in relazione all esigenza della regolazione della tensione si può agire sul sistema modificandone la potenza reattiva assorbita o prodotta mediante i generatori e i compensatori sincroni, i condensatori statici (serie e parallelo), i reattori saturi e saturabili, i trasformatori con variazione di rapporto sotto carico. Principali componenti di un I componenti del sistema su cui agire per variare la potenza attiva generata o assorbita sono invece: i generatori (modulando la potenza meccanica loro fornita dalla turbina, sia attraverso i regolatori di frequenza, sia attraverso gli opportuni relè stimolatori sensibili alla frequenza e alla sua derivata), le pompe delle centrali di pompaggio e parte dei carichi dell utenza, su cui si può intervenire in condizioni di emergenza attraverso relè sensibili alla frequenza ed alla sua derivata. Organi essenziali per il controllo del sistema in caso di incidenti, al fine di evitare grosse perturbazioni o di sezionare tronchi di linea guasti o di eliminare sovraccarichi, sono gli interruttori, con apertura e richiusura dalle protezioni di vario tipo (distanziometriche, per sovraccarico, per rottura di sincronismo, per diminuzione di frequenza, per abbassamento di tensione, ecc.).

10 Analisi e controllo di un L obiettivo di un sistema di produzione, trasmissione e distribuzione dell energia elettrica consiste essenzialmente nel soddisfare in ogni istante le esigenze degli utenti, cioè nel fornire loro la potenza richiesta con sufficiente costanza della frequenza e tensione, minimizzando contemporaneamente il prezzo del servizio di fornitura dell energia. In altri termini, occorre che venga assicurata una soddisfacente qualità del servizio, definita da: mantenimento della frequenza al valore nominale, entro stretti limiti di tolleranza; mantenimento delle variazioni di tensione presso ciascun utente entro limiti relativamente ristretti, con tolleranze diverse a seconda che si tratti di variazioni di lunga durata o durata breve o brevissima; rispetto alla sinusoidalità della forma dell onda di tensione fornita, anche nel caso in cui la responsabilità delle deformazioni derivi dall utenza stessa; continuità del servizio, anche in occasione di incidenti sulla rete di trasmissione, o nelle centrali di produzione, oppure di fronte a richieste di carico superiori al normale. Analisi e controllo di un La minimizzazione del prezzo di fornitura dell energia implica sia la ricerca di rendere minimi i costi di esercizio (cioè non soltanto i costi di combustibile, quanto a scelta del tipo e a spesa di trasporto e consumo, ma anche i costi della riserva necessaria per far fronte alle situazioni di emergenza e a quelli legati alle riparazioni dei guasti) e insieme i costi di investimento (caratteristiche di generatori e di linee da installare). Occorre inoltre aggiungere che, poiché le esigenze di continuità del servizio e anche di costanza della frequenza hanno condotto a sviluppare l interconnessione internazionale, tra gli obiettivi che il sistema elettrico e le sue regolazioni devono perseguire va incluso anche il rispetto dei contratti di scambio di potenza elettrica tra i sistemi interconnessi. La giustificazione delle interconnessioni tra reti è ovvia se si pensa che un sistema di più reti interconnesse ha una capacità totale maggiore di quella di un singolo membro dell interconnessione, con conseguente riduzione delle esigenze percentuali di riserva: migliora perciò l economia globale di impianto e di esercizio.

11 Analisi e controllo di un I fenomeni da tenere in conto in un sistema elettrico di potenza, con riferimento al sistema di produzione e trasmissione, sono pertanto relativi a: comportamento statico (regime permanente) comportamento dinamico (regime transitorio) e riguardano in ogni caso sia l analisi che la sintesi. Per quanto riguarda il controllo si distinguono tre livelli, detti rispettivamente: diretto, di ottimizzazione, adattativo. Controllo diretto in condizioni di normale esercizio: la regolazione primaria di frequenza, la regolazione secondaria di frequenza e delle potenze di scambio, la regolazione di tensione dei generatori, la variazione del rapporto dei trasformatori, l inserimento controllato dei condensatori e dei reattori, l intervento degli interruttori con richiusura rapida; in condizioni di emergenza e durante la ripresa del servizio dopo un incidente: l intervento stimolatore sui regolatori primari, l alleggerimento del carico, le variazioni automatiche delle configurazioni di rete, la disinserzione dei generatori, la divisione del sistema, il ripristino automatico del servizio nelle singole zone e la ripersa del parallelo.

12 Controllo di ottimizzazione in condizioni normali, il dispacciamento economico della produzione, la regolazione centralizzata della tensione e della potenza reattiva, la scelta delle unità da tenere in servizio, la ripartizione economica delle risorse idroelettriche, la determinazione economica degli interscambi; in condizioni di emergenza o di ripresa del servizio, il calcolo del massimo carico accettabile a la scelta di una procedura ottima di ripristino. Controllo adattativo le variazioni dei valori di taratura delle protezioni, le modifiche dei parametri dei regolatori e dei loro riferimenti, la verifica della sicurezza di esercizio e la determinazione dei cambiamenti di struttura della rete o di potenze erogate dai generatori che il miglioramento della sicurezza esiga, l analisi della stabilità, la localizzazione della posizione dei guasti, e il calcolo delle esigenze di riserva rotante.

13 Analisi e controllo di un I fenomeni che vengono usualmente considerati per l analisi e il controllo di un possono essere raggruppati nelle seguenti classi: ripartizione dei flussi di potenza in condizione di regime permanente, o analisi del comportamento statico, dispacciamento delle potenze generate, la regolazione della frequenza e della tensione, i cortocircuiti, le sovratensioni, la stabilità e analisi del comportamento dinamico. In relazione al fenomeno da analizzare, la rappresentazione dei vari componenti può essere diversa: da questo punto di vista è di fondamentale importanza la adeguata conoscenza dei modelli dei componenti essenziali (linee, trasformatori, alternatori e carichi).