Impianti fotovoltaici con immissione in rete non a norma e conseguenza distruttive per la presenza di spike ad alta tensione Oggi vogliamo approfondire l annoso problema dell innalzamento della tensione di rete durante il normale funzionamento dell impianto fotovoltaico. Il problema è molto discusso in ambito tecnico e spesso diventa oggetto di contenzioso con il fornitore di energia elettrica pubblica alla quale il nostro impianto fotovoltaico è connesso. Possiamo osservare nella seguente figura un tipico profilo giornaliero di tensione di rete rilevata su un impianto fotovoltaico (in questo caso, per esempio, da 6 kwp) sul quale si verifica tale problema: Come possiamo notare, proprio nell orario centrale della giornata, periodo temporale in cui l inverter eroga corrente elettrica generata dal campo fotovoltaico, si verifica un innalzamento della tensione di rete. Questo innalzamento causa l inevitabile intervento della protezione di interfaccia (SPI) (interna all inverter per impianti < 6 kwp ed estera per impianti > 6 kwp) come definito dalla norma CEI-021, alla quale tutti i costruttori di inverter o di protezioni di interfaccia esterne sono adeguati. L intervento della SPI e la conseguente disconnessione dell inverter generano, inevitabilmente, una perdita di energia per l utente finale ovvero il soggetto responsabile dell impianto fotovoltaico. Quindi una perdita di guadagno in termini economici, come possiamo notare nella seguente figura:
Partiamo col dire che il problema non è sempre causato da una rete elettrica pubblica (del distributore di energia) mal dimensionata. Spesso può dipendere anche da un errato dimensionamento del collegamento in AC effettuato tra l uscita dell inverter e il punto di consegna. Vediamo quale è il percorso che la corrente prodotta dall impianto fotovoltaico esegue dall uscita dell inverter in poi: La corrente percorre le due linee di collegamento AC chiamate linea A e linea B, la prima di nostra competenza quindi da noi dimensionata, la seconda di competenza del gestore di rete. Analizziamo i due possibili casi in cui il fenomeno si presenta, cercando di capire come fare a stabilire la causa di tale problema e a trovare la possibile soluzione.
Caso A Dimensionamento non corretto del cavo di collegamento AC tra inverter e punto di consegna (linea di collegamento A): Un corretto dimensionamento di tale collegamento (quindi della sezione del cavo da utilizzare) dovrebbe tenere conto della corrente massima erogata dall inverter che deve scorrere verso il punto di consegna (tale corrente corrisponde alla (I out, max.) della scheda tecnica dell inverter utilizzato. La sezione del conduttore dovrebbe essere scelta sia in funzione di tale corrente che della lunghezza del collegamento, al fine di limitare le perdite all incirca sotto il 1%. PROVA N 1 Nel caso in cui rileviamo un innalzamento della tensione di rete durante il funzionamento dell impianto dobbiamo subito eseguire la misura della caduta di tensione sul collegamento inverterpunto di consegna (nello schema chiamata linea A). Per semplificare questa operazione si eseguono due misure il più temporalmente vicine tra loro, la prima all uscita dell inverter (nello schema precedente chiamata V inv) e la seconda sul punto di consegna ovvero sotto il contatore di scambio con la rete elettrica pubblica (chiamata V pc). Un collegamento ben dimensionato dovrebbe produrre due misure pressoché identiche (a meno dell 1% circa di perdite che abbiamo stabilito possibile nel dimensionamento), quindi caduta di tensione molto bassa (circa 2V) sul nostro collegamento in AC al punto di consegna. Quindi dovrà essere verificata l equazione Vinv-Vpc < 2 V. Si conclude quindi che una differenza di tensione tra i morsetti di uscita dell inverter ed il punto di consegna dell energia superiore a 2Volt è causata da un errato dimensionamento della linea di collegamento AC. In particolare si avrà un aumento della tensione ai morsetti di uscita dell inverter rispetto alla tensione del punto di consegna (quindi si verifica che Vinv-Vpc >> 2V). Tale aumento è direttamente proporzionale alla corrente erogata dall inverter e quindi sarà tanto più elevato quanto maggiore sarà la potenza erogata dall inverter. PROVA N 2 Con impianto fotovoltaico acceso ed inverter che eroga potenza sulla linea AC, accendere tante utenze domestiche quante per raggiungere una potenza assorbita pari circa a quella prodotta dall inverter. In questo caso dovremmo ancora constatare una tensione alta in prossimità dell inverter e quindi la persistenza del problema. In questo modo possiamo escludere la possibilità che il problema sia causato da una scarsa qualità della rete di distribuzione a monte del punto di consegna (cioè del cavo a monte del contatore di scambio di proprietà del distributore ovvero della linea B). Caso B Dimensionamento non corretto della linea di distribuzione pubblica a monte del contatore di scambio (linea di collegamento B): Con la figura seguente chiariamo cosa succede nel caso in cui la linea mal dimensionata sia quella di distribuzione, non di nostra competenza, che arriva a monte del contatore di scambio sul punto di consegna (nello schema chiamata linea B). A differenza del caso precedente, eseguendo due misure una all uscita dell inverter in funzione (V inv) e una nel punto di consegna (Vpc), rileviamo una tensione pressoché identica (Vinv-Vpc < 2 V). Questo è indice di una caduta di tensione molto bassa sul collegamento AC di nostra competenza. Rileviamo però una tensione alta (anche intorno ai 260V) in tutte e due le misure eseguite. Spegnere l inverter (oppure la prova può essere eseguita anche durante le ore serali) ed assorbire il più possibile con tutte le utenze domestiche (accendere forno elettrico, climatizzatori etc.) fino ad una potenza assorbita circa uguale a quella disponibile impegnata contrattualmente con il gestore. Misurare la tensione nel punto di consegna (Vpc) ovvero sotto il contatore di scambio. Come nella figura seguente si rileverà una tensione molto bassa (circa 200 V o anche inferiore nei casi peggiori) indice di una forte caduta di tensione sulla linea di distribuzione del gestore (linea B). A questo punto abbiamo la certezza che il problema non sia causato da un erroneo dimensionamento delle linee di nostra competenza. Come si può osservare nella figura seguente, sempre per il nostro impianto campione da 6 kwp, la tensione, in questa situazione scende anche al livello di 188V, comunque fuori il range
contrattuale del venditore di energia elettrica che corrisponde al +-10% dal valore nominale di 230V. Quindi la tensione di rete, in qualsiasi circostanza, non dovrebbe mai essere fuori i valori di 207 V < V rete < 253 V. La tensione sarà chiaramente tanto più bassa quanto maggiore sarà l assorbimento nell abitazione quindi quanto maggiore sarà la corrente richiesta al gestore in prelievo (che provocherà una caduta di tensione maggiore sulla linea di distribuzione). Essendo l impedenza della linea B molto alta (quindi essendo i cavi di una sezione insufficiente per il trasporto dell energia richiesta in prelievo o in immissione) anche quando il nostro inverter cercherà di immettere in rete la corrente prodotta, non riuscendo quest ultima a passare, lo stesso inverter aumenterà la tensione di uscita (Vinv) al fine di erogare la potenza disponibile in quel momento (ricordando che la potenza di uscita dell inverter è data da Pout = Vout * Iout). PROVA N 3 Con inverter in funzione e tensione Vinv ovvero Vpc molto alta accendere tutti gli elettrodomestici dell abitazione, fino ad assorbire una potenza circa uguale a quella erogata dall inverter in quel momento. In questa situazione misurare la tensione Vpc (oppure anche Vinv). Si noterà come la tensione questa volta si sia normalizzata alla tensione nominale di circa 230V o comunque sia scesa ad un valore che permetta all inverter il suo regolare funzionamento. Questo dipende dal fatto che non dovendo, la corrente prodotta dall inverter, attraversare la linea B ad alta impedenza e quindi non incontrando nessun collo di bottiglia, non causerà l aumento della tensione da parte dell inverter. Nel caso in cui il vostro problema sia dovuto ad un mal dimensionamento della linea pubblica, nell attesa che il gestore di rete risolva il problema con il potenziamento delle linee, si consiglia di accendere alcuni elettrodomestici durante le ore centrali di produzione dell impianto al fine di evitare la continua disconnessione dalla rete dell inverter a causa della protezione di interfaccia, per tensione di rete elevata (molti inverter segnalano il problema con l errore a display GRID FAIL ). La citata CEI-021 prevede il rispetto dei seguenti valori di tensione entro i quali l inverter deve rimanere per evitare la sua disconnessione automatica. In particolare la soglia 59.S1 (1,1 Vn) sarà la massima tensione ammessa = 1,1 * 230 V = 253 V mentre la soglia 27.S1 (0,85 Vn) sarà la minima tensione ammessa = 0,85 * 230 V = 195,5 V. Quindi la tensione di riferimento oltre la quale il nostro impianto sarà disconnesso dalla rete secondo la CEI-021 è di 253 V. Soglie e relativi valori prescritti dalla CEI-021: