Stabilizzazione della frequenza e della tensione
nelle reti elettriche isolate
SOMMARIO
1
Introduzione ................................................................................................................... 3
2
I requisiti fondamentali di una rete stabile isolata ...................................................... 3
3
I requisiti dei sistemi di stabilizzazione nelle reti isolate............................................ 5
4
Realizzazione ................................................................................................................. 7
5
Riepilogo ...................................................................................................................... 10
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1 Introduzione
Il maggiore utilizzo di energie rinnovabili nella produzione di energia, ha accresciuto i
problemi di stabilità delle reti elettriche. Nelle grandi reti interconnesse, ciò può essere
ancora compensato in gran parte dal grande numero di fornitori di energia convenzionale.
Nei sistemi di alimentazione più piccoli, i cui servizi sono prevalentemente forniti da fonti
rinnovabili o da
piccole centrali, si rendono necessarie misure di stabilizzazione per
garantire costantemente la qualità di tensione desiderata. Un sistema specificamente
progettato per fornire tensione di alta qualità ai carichi è il gruppo di continuità o il cosiddetto
UPS.
Grazie ai loro dispositivi di accumulo di energia, questi sistemi sono in grado,
indipendentemente dalla rete interconnessa, di formare una rete di fornitura locale di qualità
elevata e di alimentare i carichi ad essi collegati in continuità a tensione costante.
Le unità UPS sono pertanto adatte per fornire e stabilizzare anche le reti elettriche, che sono
prevalentemente alimentate da altre fonti energetiche. Qui di
seguito sono illustrate le
condizioni che esse devono soddisfare e la loro incorporazione in tali reti.
2 I requisiti fondamentali di una rete stabile isolata
Un metodo per valutare la qualità di una rete di alimentazione, è la verifica del mantenimento
dell’ampiezza della tensione e della frequenza entro limiti predeterminati. Entrambi questi
parametri dipendono da variabili diverse e possono quindi essere in larga misura considerati
separatamente l'uno dall'altro.
Stabilità di frequenza
Il mantenimento di una frequenza costante dipende direttamente dal bilancio della potenza
attiva all'interno della rete. Se nella rete viene immessa più
potenza attiva di quella
consumata dai carichi, la potenza attiva in esubero deve fluire da qualche parte in modo da
mantenere l'equilibrio di potenza. Senza ulteriori misure di stabilizzazione, questo eccesso di
potenza attiva provoca automaticamente l'accelerazione delle masse rotanti, come nei
generatori e nei motori, connessi alla rete, poiché nella maggior parte dei casi solo questi
hanno la capacità di assorbire la potenza in eccesso e convertirla in energia di rotazione.
Viceversa, se viene fornita meno potenza rispetto a quella necessaria, l'energia mancante
viene ceduta dalle masse rotanti causando una riduzione di frequenza. Le fluttuazioni di
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frequenza nella rete possono quindi essere attribuite direttamente alle fluttuazioni della
potenza attiva, sia ai carichi che all’alimentazione.
Da un lato, le fluttuazioni di potenza dell'alimentazione possono essere causate per esempio
da guasti di generatori o convertitori di frequenza, e dall'altro - nel caso di fonti di energia
rinnovabile - da una variazione della intensità luminosa sui pannelli solari o nel caso di parchi
eolici da un cambiamento nella velocità e di direzione del vento. In una grande rete
interconnessa, questi effetti generalmente danno luogo solo ad una lieve perturbazione
dell’equilibrio di potenza, così da non rendere necessaria alcuna azione di rapido controllo
automatico per mantenere costante la frequenza entro i limiti specifici. Ciò differisce invece
in caso di piccole reti isolate, cosiddette reti in isola, che non hanno connessioni ad un
sistema interconnesso con grande capacità di smorzamento. In questo caso, le fluttuazioni
nella produzione di energia elettrica hanno un effetto notevolmente maggiore sul bilancio di
potenza attiva della rete e quindi spesso portano a fluttuazioni di frequenza sensibili. Le
sorgenti di energia, compreso i loro sistemi di controllo, non sono solitamente in grado di
regolare in pochi secondi la potenza erogata alla nuova situazione, cosicché sono necessari
sistemi di stabilizzazione ad azione rapida per ripristinare rapidamente l'equilibrio di potenza
e con esso la frequenza.
Idealmente, i sistemi di stabilizzazione dovrebbero essere dotati di un dispositivo di
accumulo dell'energia, che, come mostrato nella Fig.1, permette di assorbire la stessa
quantità di energia così come fornita, per reagire sia ad un deficit che a un eccesso di
potenza.
Frequency
±1%
Power
Time
Delivered
energy
Load
Absorbed
energy
Primary
input power
0
Output power
of the stabilization system
Fig. 1
Modalità di funzionamento di un sistema di stabilizzazione, con accumulo bidirezionale di
energia durante le fluttuazioni di carico in una rete isolata.
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Time
Tale requisito rende i sistemi con batterie convenzionali meno adatti a questo compito, in
quanto il consumo di potenza è limitato dalla elevata resistenza interna e dal limite di
tensione della cella. D'altra parte, le batterie hanno senso solo se deve essere fornita
energia ai carichi a causa di un guasto sulla rete. I dispositivi di accumulo a volano sono
invece, la prima scelta, per compensare una potenza in eccesso causata ad es. da un
distacco
del
carico
in
un
impianto
di
cogenerazione
in
isola.
In combinazione con dei convertitori bidirezionali di frequenza, i dispositivi di accumulo
cinetici sono in grado di fornire la stabilizzazione nei casi di deficit o di eccesso di potenza.
Con tempi di reazione inferiori a 20 millisecondi, la frequenza di rete può essere mantenuta
costante in tutte le situazioni.
Stabilità della tensione
Esiste una relazione tra potenza reattiva e la tensione che è simile a quella tra potenza attiva
e frequenza. Se la domanda di potenza reattiva in rete aumenta, questa ulteriore potenza
provoca un aumento delle cadute di tensione attraverso le impedenze di rete e le impedenze
di ingresso, con conseguente diminuzione di tensione sui carichi. Viceversa, una riduzione
della potenza reattiva porta ad un aumento della tensione di alimentazione, in quanto in
questo
caso
non
ci
sono
cadute
di
tensione
attraverso
le
impedenze.
In generale, una perturbazione al bilancio della potenza reattiva è più facile da controllare
rispetto ad una perturbazione al bilancio della potenza attiva. La ragione di ciò è che, se non
vengono prese contromisure, le variazioni all’equilibrio della potenza attiva portano ad un
continuo aumento della deviazione di frequenza, mentre le variazioni all'equilibrio di potenza
reattiva determinano soltanto una deviazione statica di tensione.
3 I requisiti dei sistemi di stabilizzazione nelle reti isolate
I requisiti principali per un sistema di stabilizzazione sono:
…..di reagire rapidamente alle fluttuazioni di potenza attiva e di correggerle in modo
che la frequenza venga mantenuta ad un valore costante.
... fornire in breve tempo potenza reattiva su richiesta e quindi mantenere la tensione ad un
valore costante per il carico.
Grazie alla loro modalità di funzionamento, i sistemi UPS sono fondamentalmente in grado di
soddisfare tali requisiti in quanto, almeno durante un guasto di rete, alimentano i carichi critici
attraverso una rete isolata che essi stessi hanno creato.
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Fig. 2 Applicazioni UPS normali: qui con un generatore Diesel esterno utilizzato come
generatore di emergenza per colmare lunghi guasti di rete.
Per essere idoneo come sistema di stabilizzazione, un UPS dovrebbe avere le seguenti
caratteristiche, oltre alle funzionalità standard:
Dovrebbe essere in grado di essere alimentato dal lato del carico, dal momento che
un’alimentazione di rete non è disponibile in una rete isolata.In questo caso i circuiti
di ingresso all’UPS possono non essere installati.
Dovrebbe essere progettato per flusso di potenza bidirezionale al fine di fornire la
stabilizzazione sia per un deficit di potenza, sia per un eccesso di potenza.
Il dispositivo di accumulo di energia dovrebbe essere in grado di essere mantenuto
ad uno stadio di carica intermedia, in modo da assorbire e fornire energia in qualsiasi
momento. Ciò richiede un controllo attivo e la conoscenza dello stato di carica.
L’unità del dispositivo di accumulo deve essere dimensionata in modo da rendere
disponibile energia sufficiente per colmare l'intervallo di tempo richiesto dalla fonte
primaria di energia ... per ripristinare l'equilibrio di potenza in rete in seguito ad un
malfunzionamento e ... per raggiungere una condizione di funzionamento stabile.
Deve essere in grado di essere utilizzato in parallelo con altre fonti di energia, come
ad esempio le centrali eoliche, centrali a pannelli solari, piccoli generatori
idroelettrici, turbine a gas, generatori diesel, ecc.
La loro potenza nominale deve essere pari alla variazione del deficit/surplus di
potenza previsto per consentire una sufficiente compensazione.
Essi devono essere sufficientemente robusti per sopportare senza problemi sovraccarichi di
breve durata, contribuendo continuativamente alla regolazione dell’equilibrio di potenza,
accettando anche deviazioni di tensione e/o di frequenza.
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4 Realizzazione
I sistemi UPS rotanti Piller del tipo UNIBLOCK UBT e UBTD, utilizzando un generatore
sincrono, sono in grado di soddisfare tutti i requisiti precedentemente elencati.
Possono essere utilizzati come unità di accumulo di energia, sia le batterie, sia il
POWERBRIDGE, un volano bidirezionale con funzione di accumulo di energia cinetica. Il
confronto tra Fig.3 e Fig. 4 mostra ad esempio l’effetto della stabilizzazione di frequenza
bidirezionale su una rete alimentata da un generatore Diesel.
Fig. 3
La risposta di frequenza di un generatore diesel durante il distacco e l’inserzione del 50% del
carico, qui senza la stabilizzazione di frequenza.
Fig. 4 La risposta di frequenza di un generatore diesel durante il distacco e l’inserzione del 50% del
carico, con la stabilizzazione bidirezionale di frequenza tramite un UNIBLOCK UBT Piller dotato di un
volano di accumulo energia POWERBRIDGE.
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Al fine di compensare la mancanza di alimentazione di energia primaria a causa di un
guasto, i sistemi possono anche essere progettati con un motore Diesel integrato (per
esempio vedi Fig.5). Questa combinazione permette inoltre di coprire i picchi di carico
qualora la potenza dei generatori di energia primaria non dovesse essere adeguata. In
questo caso il Diesel dovrebbe entrare in funzione automaticamente quando si verificherà
lo scarico completo dell’unità dinamica di accumulo energia, in modo da consentire alla rete
di beneficiare del supporto del sistema di stabilizzazione senza interruzione. Se necessario,
il Diesel potrà essere avviato anche manualmente in qualsiasi momento. Gli alternatori
sincroni del sistema Piller possono sempre fornire potenza reattiva sufficiente come back up
di
tensione
e
fornire
una
ulteriore
potenza
di
corto
circuito
alla
rete.
Gli UNIBLOCK UBT e UBTD Piller possono essere impiegati con tutti gli standard di tensione
e di frequenza. Oltre alla gamma completa di bassa tensione da 380 V a 600 V, essi sono
disponibili anche in media tensione fino ad una potenza di uscita di 2500 KVA per singola
unità.
Fig.5
Stabilizzazione e back-up di una rete in isola alimentata da motori a gas naturale e
UNIBLOCK UBTD Piller
Se la rete dell’impianto con sorgenti energetiche autonome è interconnessa alla rete esterna,
i sistemi rotanti Piller possono essere usati anche come accoppiamento alla rete, come
illustrato in Fig.6. Oltre alla protezione dai guasti di rete, il
sistema permette alla rete
dell’impianto sia di assorbire energia sia di esportare l'energia in eccesso verso la rete
esterna. In caso di guasto delle rete esterna, il sistema di stabilizzazione isola l’impianto
dalla rete stessa e, a seconda che la potenza è stata precedentemente esportata o
importata, può quindi assorbire o erogare potenza attiva fino a quando il bilancio delle
potenze viene ripristinato.
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Fig.6
Uso del sistema UPS come rete di stabilizzazione di accoppiamento per i carichi che hanno il
proprio generatore di potenza
Vi sono quindi due modi per integrare i sistemi rotanti Piller di stabilizzazione in una rete
isolata:
1. Come fonte di energia che assorbe o eroga energia soltanto quando i valori superano
o scendono al di sotto di determinati valori limite.
2. Come un elemento determinante di regolazione di frequenza e di tensione che, in
cooperazione con le altre sorgenti di energia, fornisce una qualità UPS alla rete.
Quale dei due modi, o una combinazione dei due, sia la soluzione ottimale per la
stabilizzazione di rete, è alla fine determinata dai requisiti di qualità richiesti e dalla
complessità della rete di alimentazione.
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5 Riepilogo
La stabilità delle reti elettriche di alimentazione è sempre più influenzata dall'uso esteso delle
energie rinnovabili. Le tecnologie ed i metodi che vengono usati anche nei sistemi UPS
possono essere utilizzati per stabilizzare le reti di alimentazione prevalentemente confinate a
livello locale. A questo proposito, a causa della loro robustezza, la loro flessibilità e potenza
di uscita, i sistemi rotanti UPS sono superiori di quelli statici. In combinazione con i dispositivi
di accumulo di energia bidirezionali, quali per esempio volani elettricamente accoppiati, essi
sono in grado di fornire una stabilizzazione ad ogni tipo di carico o di fluttuazione
dell'alimentazione e quindi garantire una frequenza di rete costante. Anche gli alternatori
sincroni dei sistemi rotanti UPS sono perfettamente adatti a fornire potenza reattiva per la
stabilizzazione di tensione, nonché a fornire una ulteriore potenza di corto-circuito alla rete.
Frank Herbener, Piller Group GmbH
[email protected], Germany
Documento No. DD0060-0 / Agosto 2011
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