La crescente integrazione delle fonti rinnovabili intermittenti (i.e. parchi eolici, impianti fotovoltaici) alla rete elettrica nazionale sta accompagnando il processo di decarbonizzazione e transizione da produzione energetica centralizzata a distribuita. Il cambio di rotta nel contesto della generazione impone nuove sfide anche al controllo dei sistemi, che deve essere riadattato ai nuovi sistemi in una direzione sempre più distribuita. Cruciale a questo proposito è il controllo e la regolazione di tensione. La generazione intermittente e non programmabile, tipica delle sorgenti rinnovabili, provoca continue oscillazioni della tensione ai punti di connessione con la rete elettrica. Risulta di fondamentale importanza, quindi, verificare che le installazioni rinnovabili siano in grado di fornire supporto alla rete per la regolazione di tensione e garantire variazioni della tensione dal suo valore nominale entro un certo range ammissibile.
La regolazione della tensione in reti BT caratterizzate da una presenza rilevante di fonti rinnovabili distribuite
In questa filone di ricerca, si analizzano reti elettriche di bassa tensione trifase e squilibrate caratterizzate da un’elevata presenza di generazione fotovoltaica. Per ogni rete si calcolano i flussi di potenza (ad esempio, tramite il metodo Backward Forward Sweep (BFS)) venogno effettuate regolazioni di tensione tramite i seguenti dispositivi: On Load Tap Changer (OLTC), inverter fotovoltaici e Static Var Compensator (SVC). Questi ultimi due forniscono potenza reattiva induttiva o capacitiva per regolare la tensione nel nodo in cui sono collocati. Invece, l’OLTC, tramite un opportuno controllo (ad esempio, un controllo proporzionale integrativo), modifica la posizione del tap del trasformatore MT/BT per ottenere il target di tensione desiderato. Si tiene presente che tutti i dispositivi regolano la tensione in maniera indipendente per ogni fase.
L’obiettivo è di valutare se l’utilizzo combinato dell’OLTC con altri dispositivi di regolazione, quali ad esempio gli inverter fotovoltaici, provoca un miglioramento dei risultati ottenuti, in termini di deviazione di tensione (VDEF)1, perdite totali della rete e numero di tap eseguiti. Tra i numerosi indicatori presi in considerazione, il più significativo è il VDEF che tiene conto della deviazione di tensione rispetto al valore di riferimento unitario (1 p.u). L’analisi di Pareto permette di determinare le soluzioni non dominate, appunto quelle appartenenti al fronte di Pareto. Inoltre, viene applicato il metodo TOPSIS per determinare la classifica delle migliori soluzioni della frontiera. Infine, si esegue un’analisi di sensitività per valutare come cambiano i risultati in funzione dei pesi attribuiti ad ogni funzione obiettivo.
Parole chiave — regolazione di tensione, rete di bassa tensione, sistema fotovoltaico, On Load Tap Changer, potenza reattiva, frontiera di Pareto, metodo TOPSIS, analisi di sensitività.
Riferimenti
- Ciocia A., Boicea V.A., Chicco G., Di Leo P., Mazza A., Pons E., Spertino F., Hadj-Said N.
Voltage control in low-voltage grids using distributed photovoltaic converters and centralized devices (2019) IEEE Transactions on Industry Applications, 55 (1), art. no. 8456567, pp. 225 – 237. DOI: 10.1109/TIA.2018.2869104 - Spertino F., Ciocia A., Mazza A., Nobile M., Russo A., Chicco G. Voltage control in low voltage grids with independent operation of on-load tap changer and distributed photovoltaic inverters (2022) Electric Power Systems Research, 211, art. no. 108187 DOI: 10.1016/j.epsr.2022.108187
- Ciocia A., Chicco G., Spertino F. Benefits of on-load tap changers coordinated operation for voltage control in low voltage grids with high photovoltaic penetration (2020) SEST 2020 – 3rd International Conference on Smart Energy Systems and Technologies, art. no. 920323 DOI: 10.1109/SEST48500.2020.9203231
La regolazione della tensione in reti AT connesse ad impianti di generazione rinnovabili
In questo filone è stato portato avanti uno studio volto a verificare che gli impianti di generazione rinnovabile connessi alla rete AT siano in grado di fornire potenza reattiva sufficiente a mantenere la tensione entro il range richiesto, impostato per lo studio in essere a ±10% Vn.
Il controllo è stato sviluppato in ambiente MATLAB. Il codice si basa su dati di monitoraggio dell’impianto in considerazione relativi ad anni precedenti. Vengono analizzate le cadute di tensione massime che si verificano nel corso del periodo di tempo analizzato. Si fissa poi una quantità minima di potenza reattiva che l’impianto deve essere in grado di scambiare con la rete elettrica (assorbire o iniettare), in funzione della taglia dell’impianto stesso. Tale valore viene genericamente impostato al 20% della potenza nominale dell’impianto espressa in VA. Il codice, poi, basandosi sui dati di produzione, verifica che l’impianto sia sempre in grado di scambiare quel quantitativo minimo di energia e calcola le tensioni nodali risultanti.
Al fine di svolgere i calcoli su un impianto particolare, esso deve essere prima modellato in tutte le sue parti. Occorre conoscere i dati di targa di tutti i componenti e selezionare i modelli con cui rappresentarli.
I calcoli svolti dall’algoritmo si basano su dati in input che sono dati di monitoraggio forniti dall’impianto stesso su cui lo studio viene svolto. E’ fondamentale dunque che l’impianto provveda a rilevare e fornire dati di monitoraggio relativi ad un certo periodo di tempo significativo.
Sulla base di questi dati, vengono svolte simulazioni in ambiente MATLAB con un timestep di un minuto. Ad ogni minuto viene aggiornato il valore di potenza reattiva fornita (assorbita) dall’impianto e viene svolto il calcolo dei flussi di potenza attraverso il metodo Backward Forward Sweep Power Flow, tecnica di calcolo adatta a reti radiali. Il calcolo restituisce i valori delle tensioni nodali, che in seguito si verifica rientrino entro il range ammissibile del ±10% Vn.
A seconda della topografia dell’impianto in questione, è possibile selezionare diverse logiche di distribuzione della potenza reattiva fra le unità di generazione dell’impianto.
Si presenta un esempio di studio portato avanti su un parco eolico composto da 39 turbine, di cui 38 operative, con struttura radiale ad unico punto di connessione con la rete AT.
E’ stato verificato che tutte le turbine eoliche fossero in grado di erogare una certa quantità minima di potenza reattiva, distribuita tra le turbine secondo diverse modalità. Di seguito si riportano gli andamenti delle grandezze elettriche (potenza attiva, reattiva e tensione) lungo una linea dell’impianto in caso di equa distribuzione della quantità minima di reattiva fra le turbine, rispettivamente in caso di assorbimento e iniezione di potenza reattiva.
La produzione di potenza attiva e l’iniezione di potenza reattiva (capacitiva) provocano un aumento della tensione rispetto al valore nominale, che continua andando da inizio a fondo linea.
L’assorbimento di potenza reattiva (induttiva) provoca un’abbassamento della tensione ai nodi al di sotto della tensione nominale, mantenendo sempre un andamento crescente da inizio a fondo linea in accordo con la produzione di potenza attiva.