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INTERAZIONE
GENERATORI RETI DI DISTRIBUZIONE
Roberto Caldon
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Generazione Distribuita:
motivi di una possibile diffusione
• convenienza energetica derivante dalla cogenerazione;
• necessità di integrare le capacità di trasporto della rete;
• possibilità di sfruttare risorse energetiche disperse
altrimenti non utilizzabili;
• presenza di incentivazioni.
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Impatto sulle modalità operative,
sul controllo e sulla stabilità del sistema
In particolare:
9 Sui livelli di corrente di cortocircuito e la necessità di
adeguare le modalità di intervento delle protezioni;
9 Sul mantenimento dei profili di tensione al variare dei flussi
immessi in rete (regolazione della tensione);
9 Sulla possibilità di formazione di isole indesiderate (“islanding”);
9 Sulla presenza di transitori elettromeccanici e possibili
fenomeni di instabilità dinamica.
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Conseguenti interventi richiesti sulla rete
di distribuzione
Complessità
di intervento
Nuove strutture di rete
(a petalo, magliata,
microgrids,…)
Adeguamento delle
Protezioni
Allacciamento alla
rete attuale
Realizzazione di
nuove Cabine
Primarie
Grado Penetrazione=PGD / Pcarico
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Confronto Costi / Benefici della GD
Costi di
intervento
sul S.E.
Valore economico
Benefici della GD
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Interfaccia DG - Rete
Tecnologia dei
“motori primi”
turbine idrauliche
motori alternativi,
turbine a gas,
turbine a vapore,
turbine eoliche,
motori Stirling,
microturbine,
sistemi fotovoltaici,
celle a combustibile
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Tipo di connessione
del Generatore
Diretta (di macchine rotanti:
sincroni, asincroni)
Tramite Convertitore
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Controllo previsto sui generatori
Generatori destinati alla connessione su Linee di I Categoria:
- Macchine rotanti di tipo asincrono
(non autoeccitate);
- Convertitori statici
(con controllo P)
(funzionanti a f.d.p.=1).
Generatori destinati alla connessione su Linee di II Categoria:
- Macchine rotanti di tipo trifase :
(con controllo P ed eventuale rifasamento)
Asincrono
(con regolatore di tensione e controllo P/Q)
Sincrono
(con possibilità di controllo P/Q)
- Convertitori statici trifase
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Controllo coordinato di più GD
(Virtual Power Plant)
Controllo
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Virtual Power Plant:
•Scambio con reti esterne Psc
•Generazione elettrica Pgh
•Produzione termica Hgh
•Cogenerazione Hch
Possibilità di ottimizzare :
In funzione del:
Carico termico Hdh
Carico elettrico Pdh
n
min f = ∑ {( C0 h + C1h ⋅ Pg h + C 2 h ⋅ Pg h2 ) + ( B1h ⋅ Hg h ) + ( Bc1h ⋅ Hch )} + p sc ⋅ Psc
h =1
n
η el
( Pg h +
⋅ Hch ) + Psc = ∑ Pd h + Pperdite
∑
η th
k =1
k =1
n
n
∑ ( Hg
k =1
n
h
+ Hch ) ≥ ∑ Hd h + H perdite
k =1
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Controllo della rete di distribuzione
“Azioni di controllo”:
quelle azioni volte ad attenuare i disturbi interni ed esterni che
possono modificare il punto di funzionamento desiderato.
Sono previste pertanto azioni nell’ambito:
Xdella
frequenza: (contenimento dei transitori elettromeccanici)
Xdella
tensione: (regolazione dei livelli di tensione ai nodi di rete).
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Interazione della rete con la dinamica
elettromeccanica dei Generatori
• macchine leggere (inerzie basse H < 1s):
Pacc. = Pmecc. − Pelect.
 2H Pn
= 
 ωn
 ∂ 2δ
 ⋅ 2
 ∂t
=> rapidi movimenti del rotore a fronte di squilibri tra Pmecc e Pelettrica
b) Piccole costanti di tempo (T’d0)
(=> minore potenza erogabile => Pacc magg.)
c) elevate resistenze di statore
(=> riduzione della potenza di smorzamento)
(effetto benefico solo per guasti vicino ai morsetti).
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Ridotti tempi critici di estinzione dei guasti
ovvero il tempo massimo di estinzione del guasto che non
compromette la stabilità del parallelo si riduce in relazione
all’inerzia H:
4δ cr H
⋅
tcr =
ω 0 pacc.
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Effetti delle perturbazioni di tensione
in termini di coppia
accelerante sul rotore:
Coppia Accelerante [p.u.]
Pmeccanica − Pelettrica
Ca =
Ω
1.00
0.50
0.00
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
-0.50
-1.00
-1.50
-2.00
[s]
(caso di guasto “vicino”)
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Effetti delle perturbazioni di tensione
in termini di coppia
accelerante sul rotore:
Coppia Accelerante [p.u.]
Pmeccanica − Pelettrica
Ca =
Ω
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
0.00
-0.50
0.50
1.00
1.50
2.00
-1.00
-1.50
[s]
(caso di guasto “lontano”)
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Richiusura fuori sincronismo di isole
indesiderate
Angolo di fase dell'isola
Angolo di fase della rete
0
-10
Gradi [°]
-20
-30
-40
-50
-60
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
[s]
Sfasamento tra la tensione di rete e
della GD rimasta in isola
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Richiusura fuori sincronismo di isole
indesiderate
Coppia Accelerante [p.u.]
1.20
0.70
0.20
-0.30
-0.80
-1.30
-1.80
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
[s]
Coppia accelerante a seguito della
richiusura fuori sincronismo
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Nella prospettiva di nuove tecnologie GD
connesse tramite inverter controllato in P/Q
In presenza di severe perturbazioni non sembrano
sussistere problemi di aumento dei livelli della
corrente di guasto e di “first swing instability” dei
generatori.
¾
->segue
¾
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Nella prospettiva di nuove tecnologie GD
connesse tramite inverter controllato in P/Q
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Regolazione della tensione sulla rete MT
Attualmente avviene in genere :
Q
Q
attraverso l’inserzione/disinserzione dei banchi di condensatori
connessi alla sbarra comune MT;
agendo sul Variatore sotto carico del trasformatore di Cabina
Primaria (che, come ben noto, comporta un’ azione di
ridistribuzione della potenza reattiva).
Si può pensare a questo fine di
utilizzare la GD ?
->segue
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Regolazione della tensione sulla rete MT
Attualmente avviene in genere :
Q
Q
attraverso l’inserzione/disinserzione dei banchi di condensatori
connessi alla sbarra comune MT;
agendo sul Variatore sotto carico del trasformatore di Cabina
Primaria (che, come ben noto, comporta un’ azione di
ridistribuzione della potenza reattiva).
Difficile implementare, in fase di programmazione,
una strategia di regolazione comunque valida !
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Revisione dell’attuale metodo di regolazione
di tensione
Q
In corrispondenza ad una sensibile penetrazione della
GD, l’attuale metodo di regolazione della tensione
dovrebbe essere rivisto e richiederebbe lo sviluppo di
sistemi di regolazione più sofisticati.
Esaminiamo alcune proposte
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Proposta di controllo della tensione su
una rete di distribuzione radiale con GD
Linea 1
Rete Stazione
A T A T/M T
GD 1
Linea 2
Linea 3
MT
Coordinamento delle produzioni reattive dei Generatori Dispersi per
il mantenimento della tensione entro una fascia di tolleranza
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Algoritmo di regolazione
Obiettivo: riportare la V ai nodi di riferimento entro la fascia di variazione
∆VK = VK,limite - VK
ammessa
Equazioni di Load Flow
(metodo di NewtonRaphson)
 ∆ P2 
 ∆θ 2 
 M 
 M 
-1
J




 ∆ θ n   D C   ∆ Pn 
 ∆V  =  A B   ∆Q 

2
 2 
 M 
 M 
∆Q 
∆V 

 n
n
∆V = B*∆Q
Se per qualche “nodo di riferimento” la tensione esce dai limiti impostati, si attiva
l’algoritmo di regolazione delle reattive dei generatori
∆Q = (B* ) −1 ∆V
Se le reattive assegnate ad ogni generatore sono compatibili con le rispettive curve di
capability, allora la soluzione trovata è accettabile
Variabili di Controllo: ∆Pi=0 ∀i, ∆Qi≠0 i=2…(Ng+1)
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Algoritmo di regolazione
Volendo anche minimizzare le perdite del sistema si può
risolvere il seguente problema di minimo vincolato
min∆PL = min (A*∆Q + 1 ∆QT D*∆Q)
2
∆V = B*∆Q
In ogni caso
Necessità di continui
calcoli di load flow:
inadeguatezza per
applicazioni on-line
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Proposta di Controllori a Rete Neurale
Linea 1
Possibili strutture
di controllo
P1, Q1
Rete AT AT/MT
I) Controllore unico
“centralizzato”
Qgi
Linea 2
P2, Q2
Qgi ai GD
V
CONTROLLORE
UNICO
Linea 3
Qgi
P3, Q3
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Proposta di Controllori a Rete Neurale
Linea 1
Possibili strutture
di controllo
P1,Q1
Rete AT AT/MT
II) Controllori dedicati
“distribuiti”
su ogni linea
C 1 Qgi
Linea 2
P2,Q2
C 2 Qgi
V
Linea 3
P3,Q3
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
C 1 Qgi
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Controllo della potenza reattiva in un sistema a
“microgrid”
G en2
G en1
C1
G en5
R ete
AT
C2
G en3
G en4
G en7
G en6
C3
MT
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
G en8
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Il controllo di isole autonome
Problemi complessi da risolvere, in particolare:
Q
Q
Q
Per la regolazione di frequenza si deve disporre di un sistema di
controllo che consenta il riequilibrio istantaneo tra carico e
generazione disponibile (Controllo del carico o della generazione)
Si deve affrontare il problema delle richiusure e in generale del
parallelo tra la rete e l’isola in corrispondenza di scambi con la
cabina primaria.
Si deve pensare ad una modalità di regolazione della tensione
basata sulle disponibilità locali di potenza reattiva.
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Proposta di ottimizzazione del controllo reattivo
in condizione di mercato libero dei servizi
Regolazione
Complessiva
OLTC
Metodo basato sui costi
della potenza reattiva
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
GD
Batterie
condensatori di
rifasamento
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Funzione obiettivo
Costo della Q
prodotta dai GD
Costo della Q
importata dalla
rete AT
f = Pp PL + Cgen ⋅ Q gen + Ccond ⋅ Q cond + CQAT Q AT
Costo delle
perdite attive
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Costo della Q
prodotta dai banchi di
condensatori
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Valore della potenza reattiva generata
P
Limite inferiore
di eccitazione
Limite di Turbina
PNOM
Limite d’armatura
PLIM2
Limite
di campo
Q
QMIN
QLIM1
Regione I: QMin ¡ Q ¡ QLim1
la generazione/assorbimento di potenza
reattiva avviene senza comportare una
variazione della potenza attiva generata.
Regione II: QLim1 ¡ Q ¡ QLim2
lo scambio di potenza reattiva con la
rete comporta necessariamente una
diminuzione della potenza attiva
generata
QLIM2 QMAX
Curva di capability semplificata
di un Generatore sincrono
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Valore della potenza reattiva generata
CQ
[€]
Q LIM1
Q LIM2
Q M AX
Q
Remunerazione attesa dalla GD
per produzione di potenza reattiva
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Algoritmo di ottimizzazione
min [ f = p P + Cgen Qgen + Ccond Qcond +CAT QAT ]
L
Vmin i ¡ Vi ¡ Vmax i
i=1:n
Qmin k ¡ Qk ¡ Qmax k
k=1:Ng
Qmin j ¡ Qcond j ¡ Qmax j
j=1:Nc
tapmin ¡ m ¡ tapmax
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
dove :
n:
numero complessivo dei nodi
Ng :
numero dei generatori
Nc :
numero dei banchi di condensatori
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Università degli Studi di Padova
Applicazione dell’algoritmo di ottimizzazione
Richieste del carico [p.u]
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
2
4
6
8
10 12
14
16 18
20 22 24
ore
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Applicazione dell’algoritmo di ottimizzazione
[Mvar]
10
GD Reactive Power
5
0
0
Capacitor Reactive Power
2
4
6
8
[p.u.]
12 14
16 18
20 22
24
16 18
20 22
24
Tap position
0.05
0
-0.05
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
10
0
2
4
6
8
10
12 14
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Applicazione dell’algoritmo di ottimizzazione
F a scia d i va ria zio n e con sen tita
1 .0 8
1 .0 6
T en sio ne d i no
o d[p .u .]
1 .0 4
1 .0 2
1
0 .9 8
0 .9 6
0 .9 4
0 .9 2
0 .9
0 .8 8
0 .8 6
0
2
4
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
6
8
10
12 14
h ou rs
16
18
20
22
24
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova
Torna al programma
Possibile futuro controllo di rete
Flussi energetici :
elettrici, termici
Rete AT
Soggetti di controllo:
Distrib.
D.G.
Carichi
Gestore Rete AT: (dispacc., servizi aux.)
V.P.P.
Distributore: (dispacc. flussi eletrici e termici,
regolazione di tensione)
V.P.P.: (ottimizzazione generazione)
comunicazioni
CESI
Milano, 31 Ottobre 2003
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università degli Studi di Padova