unità operativa di milano

Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
UNITÀ OPERATIVA DI MILANO
DIPARTIMENTO DI ENERGIA
POLITECNICO DI MILANO
CAMPUS LA MASA
VIA LA MASA, 34
20156 - MILANO
TELEFONO: +39.02.2399.8506
FAX: +39.02.2399.8566
DIPARTIMENTO DI ELETTROTECNICA
POLITECNICO DI MILANO
PIAZZA LEONARDO DA VINCI, 32
20133 MILANO
TELEFONO: +39 02 2399 3702/3740
FAX: +39 02 2399 3703
PRODUZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA
Modellistica e tecnologie innovative per generazione elettrica distribuita convenzionale e
rinnovabile e dispositivi di accumulo
L’Unità di Milano ha sviluppato in questo sottotema modelli di generazione elettrica distribuita di
tipo convenzionale e rinnovabile in continuità ed ulteriore sviluppo con attività svolte negli scorsi
anni in collaborazione con l’Unità di Genova.
Alcuni lavori a contenuto più sistemistico sono riportati nella sezione Distribuzione dell’energia
elettrica.
Relativamente alla modellistica di generatori distribuiti è stato sviluppato un modello termico e
elettromeccanico di una microturbina [MI.1]. Il modello permette l’analisi di funzionamento in
differenti condizioni operative. L’interfaccia con la rete elettrica è realizzata con un sistema di
conversione statica che rende più flessibile il controllo. Il modello di microturbina, della potenza di
circa 100 kW, è stato sviluppato in uno specifico ambiente di simulazione (DIgSILENT). Sono stati
implementati in dettaglio gli schemi di controllo necessari per il funzionamento interconnesso alla
rete di distribuzione e per il funzionamento in isola su carichi privilegiati.
I lavori [MI.2]–[MI.7] descrivono i modelli di sistemi di generazione e di accumulo per la gestione
integrata e il controllo di un parco di generazione rinnovabile. Il sistema di accumulo, accoppiato al
sistema di generazione eolica, permette di ridurre o compensare le fluttuazioni della potenza in
uscita dalla generazione eolica e realizzare scambio nullo al nodo di interfaccia. Viene anche
studiato il comportamento di sistemi di generazione solare e sono valutate le prestazioni dei sistemi
di accumulo in quest’ulteriore caso.
L’aumento della penetrazione della Generazione Distribuita (GD) nelle reti di distribuzione rende
sempre più interessante l’analisi delle tematiche di sicurezza che sono tipiche delle estese reti di
trasmissione (stabilità transitoria, stabilità di tensione e stabilità alle piccole oscillazioni) come pure
lo studio delle risposte della GD a variazioni di carico sulla rete. Si sono pertanto analizzate
possibilità di fornitura di servizi alla rete da parte di generatori eolici [MI.8]. In particolare si è
esaminata la fornitura di regolazione di frequenza tramite risposta inerziale.
Gli studi di power flow (LF), sono utilizzati per effettuare la pianificazione e la gestione in tempo
reale del sistema elettrico, ma sono anche necessari per implementare e sviluppare analisi di
sicurezza dell’esercizio. Al fine di analizzare le prestazioni di un sistema di trasmissione e
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determinarne il livello di affidabilità è stato elaborato e sperimentato un nuovo metodo di
risoluzione di tipo probabilistico in cui i parametri di rete sono modellizzati come variabili casuali.
In questo modo è possibile estendere l’analisi della sicurezza e dell’esercizio anche in presenza di
incertezza e variabilità [MI.9].
Bibliografia
[MI.1]
S. Grillo, S. Massucco, A. Morini, A. Pitto, F. Silvestro, “Microturbine Control Modeling to
investigate the Effects of Distributed Generation in Electric Energy Networks”, IEEE Systems
Journal, Special Issue on Identification and Control of Sustainable Energy Systems, Vol 4, Issue 3, pp.
303-312, sep. 2010, ISSN: 1932-8184
[MI.2]
D. Di Rosa, S. Grillo, V. Malvaldi, M. Marinelli, F. Silvestro, “Modelli dinamici di sistemi di
accumulo basati su tecnologia Vanadium Redox per integrazione con sistemi eolici”, AEIT National
Meeting, Milano, 27-29 giugno 2011
[MI.3]
S. Grillo, M. Marinelli, S. Massucco, F. Silvestro, “Power and Energy Control Strategies for a
Vanadium Redox Flow Battery and Wind Farm Combined System”, abstract submitted to ISGT-PES
2011. Manchester, 5-7 dec 2011
[MI.4]
A. Borghetti, S. Grillo, S. Massucco, A. Morini, C.A. Nucci, M. Paolone, F. Silvestro, “Generazione
diffusa, sistemi di controllo e accumulo in reti elettriche”, AEIT n. 11/12, dicembre 2010, pp. 6-15
[MI.5]
S. Grillo, M. Marinelli and F. Silvestro (2011), “Wind Turbines Integration with Storage Devices:
Modelling and Control Strategies”, Wind Turbines book, Ibrahim Al-Bahadly (Ed.), ISBN: 978-953307-221-0, InTech
[MI.6]
D. Di Rosa , S. Grillo, M. Marinelli, S. Massucco, F. Silvestro, S. Soricetti, “Generazione eolica ed
accumulo: modelli e strategie di gestione integrata”, Rivista AEIT n. 11/12, dicembre 2010, pp. 1625
[MI.7]
S. Grillo, M. Marinelli, E. Pasca, G. Petretto, F. Silvestro, “Characterization of wind and solar
generation and their influence on distribution network performances”, 44th UPEC, pp. 1-6, ISBN:
978-1-4244-6823-2, Glasgow, 1-4 sep. 2009
[MI.8]
O. Anaya-Lara, G. Burt, S. Grillo, M. Marinelli, F. Silvestro, F. Sossan, “Transient support to
frequency control from wind turbine with synchronous generator and full converter”, 45th UPEC, pp.
1-6, ISBN: 978-1-4244-7667-1, Cardiff, 31 aug. - 3 sep. 2010.
[MI.9]
E. Zio, R. Piccinelli, M. Delfanti, V. Olivieri, M. Pozzi, “Performance analysis of a power
transmission system under uncertain load conditions and network configurations”, SSARS 2010,
Gdansk-Sopot Poland, pp. 1-6.
Sostenibilità della produzione elettrica
La sostenibilità della produzione di energia elettrica è stata affrontata dall'Unità di Milano
attraverso lo studio delle fonti rinnovabili sotto diversi aspetti.
Un primo tema ha riguardato l'integrazione delle fonti rinnovabili nelle reti elettriche di
distribuzione AT e MT al fine di evitare problematiche relative alla congestione delle reti e
all'iniezione di disturbi elettromagnetici [MI.1], [MI.2].
Un altro aspetto importante nello studio delle fonti rinnovabili affrontato dal gruppo è stato quello
relativo alle diverse topologie di rete e di protezione degli impianti fotovoltaici di elevate potenze
(superiori a 200 kW) e estensioni connessi alle reti MT, particolarmente diffusi in Italia in seguito ai
vari provvedimenti di incentivazione [MI.3], [MI.4]. tenendo anche in considerazione gli ambienti
maggiormente produttivi come le zone desertiche [MI.5].
Sempre nel campo della produzione da fonte rinnovabile sono stati studiati sistemi ibridi basati
sull'accoppiamento dei generatori con celle a combustibile in grado di assorbire la variabilità delle
fonti aleatorie e bilanciare la richiesta di energia dovuta agli utilizzatori [MI.6].
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Infine sono stati valutati e benefici ambientali ed economici relativi alla produzione da fonti
rinnovabili [MI.7].
Sono proseguite le attività di confronto dei convertitori solari indagando la prestazione dei sistemi
dal punto di vista dell’inverter di interfaccia verso la rete confrontando diversi algoritmi di MPPT al
fine di identificare quale fosse il migliore dal punto di vista energetico [MI.8]. L’attività in questo
ambito è poi proseguita considerando l’aspetto normativo che spinge questo settore [MI.9] per
proseguire poi con il deposito di un brevetto che permette di superare i limiti applicativi dei sistemi
PV in ambienti estremi [MI.10].
Bibliografia
[MI.1]
N. Golovanov, G.C. Lazaroiu, M.A. Manole, M. Roscia, D. Zaninelli (2009), “Wind farms access to
the Romanian transport system”, (pp. 1- 6). In: IEEE/PES Power Systems Conference and Exposition,
2009. PSCE '09. Seattle (USA),
[MI.2]
N. Golovanov, G.C. Lazaroiu, M. Roscia, D. Zaninelli (2009), “Integrating RES into the Romanian
Transport System”, (pp. 1- 6). In: IEEE PowerTech 2009. 28 June - 2 July, 2009, Bucharest, Romania,
[MI.3]
F. Foiadelli, S. Leva, D. Zaninelli (2011), “PQ and protection system analysis of a new topology for
grid connected PV Plant”, (pp. 1- 6). In: IEEE International Conference on CLEAN ELECTRICAL
POWER Renewable Energy Resources Impact ICCEP 2011. June 14th-16th, 2011, Ischia, Italy,
[MI.4]
M. Brenna, R. Faranda, S. Leva (2010), “Dynamic analysis of a new network topology for high power
grid connected PV systems”, (pp. 1- 7). In: IEEE Power and Energy Society General Meeting 2010,
Minneapolis, USA.
[MI.5]
C. Dainese, A. Dolara, R. Faranda, S. Leva, “Impianti fotovoltaici in condizioni estreme”, Impianti
Solari, Anno II, n.6, Dicembre 2009, pp. 20-22, ISSN 2035-1321.
[MI.6]
S. Leva, D. Zaninelli (2009), “Hybrid Renewable Energy-Fuel Cell System: design and performance
evaluation”, ELECTRIC POWER SYSTEMS RESEARCH, (pp. 316- 324), 76;
[MI.7]
M. Brenna, F. Foiadelli, M. Roscia, D. Zaninelli (2010), “Financial And Environmental Analysis of a
Solar Energy Plant”, (pp. 1- 8). In: IEEE International Conference on Sustainable Energy
Technologies IEEE-ICSET 2010. 6th - 10th Decembre 2010, Kandy, Sri Lanka.
[MI.8]
A. Dolara, R. Faranda, S. Leva, “Energy comparison of seven MPPT techniques for PV Systems”,
JOURNAL OF ELECTROMAGNETIC ANALYSIS AND APPLICATIONS, 2009, volume 1, n. 3,
pp.154-165 – ISSN: 1942-0730.
[MI.9]
C. Dainese, R. Faranda, S. Leva, “Progetti e investimenti: alcune novità”, E-Rinnovabili, n°81
(giugno 2009), casa editrice Tecnedit, pp.38-42.
[MI.10]
G. Carcangiu, R. Faranda, S. Leva, M. Sardo, “Apparecchiatura elettronica”, Internazionale –
domanda di Brevetto per invenzione n. PCT/IB2009/007515, a nome Politecnico di Milano e
Soltechna S.r.l., 20 novembre 2009.
TRASMISSIONE E MERCATO DELL’ENERGIA ELETTICA
Sicurezza del sistema elettrico: analisi e controllo della sicurezza statica e dinamica
Diverse sono le tematiche di ricerca inerenti il tema dell’analisi e del controllo della sicurezza
statica e dinamica dei sistemi elettrici.
Nell’ambito dei grandi sistemi di trasmissione in AAT, il lavoro [MI.1] illustra i risultati preliminari
di una attività di PhD comune con il Politecnico di Bucharest. Esso presenta una metodologia per
definire la localizzazione e la taglia di dispositivi per lo smorzamento delle oscillazioni
elettromeccaniche. Come noto, in caso di oscillazioni elettromeccaniche, il modo più diffuso per
aumentarne lo smorzamento è quello di sfruttare i PSS installati nelle centrali di maggior potenza.
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Tuttavia, tali dispositivi sono efficaci particolarmente in caso di oscillazioni locali. Invece, lo
smorzamento delle oscillazioni interarea è difficilmente controllabile mediante i PSS. Al contrario, i
dispositivi FACTS sembrano godere di maggiore influenza, anche grazie al fatto che possono essere
posizionati in zone strategiche della rete. Il lavoro parte proprio da queste premesse e definisce una
procedura in due passi che serve a stabilire la localizzazione del dispositivo FACTS sulla base delle
sensitivity degli autovalori rispetto ai parametri della rete. Una vota localizzato il dispositivo,
rimane da scegliere la variabile di ingresso al FACT (in questo lavoro, ci si è limitati a SVC e
TCSC): a tal fine, è stato utilizzato il metodo dei residui per identificare, in due approcci separati, le
potenze sulle linee e la combinazione di velocità di rotazione della macchine che risultano essere le
più influenti sullo smorzamento delle oscillazioni interarea, e quindi le variabili di input del
controllore Power Oscillation Damper.
Nel lavoro [MI.2], la ricerca si sviluppa sulle stesse tematiche, andando tuttavia ad approfondire gli
aspetti di ottimizzazione di sistema. Infatti, l’ottimizzazione in due passi sviluppata nel lavoro
precedente non garantisce che la soluzione sia ottima. In [MI.2], si va a coordinare la localizzazione
con la scelta del controllo ottimo grazie alla potenza degli algoritmi genetici, in grado di risolvere
problemi di ottimizzazione misti a variabili intere e reali. A tale fine, si è definito un algoritmo di
ottimizzazione multi obbiettivo con lo scopo di minimizzare le congestioni, massimizzare lo
smorzamento delle oscillazioni interare, minimizzare il costo di investimento necessario. I tre
obbiettivi sono poi ottimizzati con il metodo dei pesi. Le variabili di controllo sono il nodo sede
dell’installazione del dispositivo FACTS, il tipo di FACTS considerato nel nodo (UPFC o TCSC), i
parametri di regime permanente e i parametri del POD di ciascun FACTS. La metodologia
presentata è stata valutata su una piccola rete test e su una rete di dimensioni maggiori (140 nodi),
fornendo ottimi risultati.
Sempre nell’ambito delle reti di trasmissione, il lavoro [MI.3] è il risultato di una attività svolta
nell’ambito della CIGRE per caratterizzare le grandi perturbazioni e definire i migliori mezzi per
contrastarle. In particolare, la brochure presenta una rassegna ragionata dei più significativi
blackout della storia dei sistemi elettrici e definisce le possibili contromisure, sia in sede di
pianificazione, sia durante l’esercizio. Il lavoro è arricchito dall’esperienza di molti operatori di rete
in tutto il mondo e presenta casi relativi a sistemi elettrici di grandi come di piccole dimensioni,
garantendo la generalità delle conclusioni.
Nell’ambito della trasmissione, inoltre, è stata svolta una significativa quantità di ricerche nel
settore della sicurezza sia statica che dinamica dei sistemi elettrici ampliando le tematiche svolte
con approcci tradizionali di tipo deterministico ad approcci più innovativi comprendenti aspetti
probabilistici (PRA – Probabilistic Risk Assessment) e facenti uso dell’intelligenza artificiale (AI).
I lavori [MI.4] e [MI.5] rendicontano i più recenti sviluppi di una piattaforma per l’integrazione di
funzioni di valutazione della sicurezza sviluppata dall’Unità di Genova in collaborazione con
l’Unità di Milano in ambito Ricerca di Sistema collaborando con RSE: sono descritte le principali
funzioni di analisi, sia deterministiche sia probabilistiche, nonché funzioni ausiliarie per la
creazione di scenari. Sono introdotti i fondamenti metodologici per individuare delle grandezze,
attraverso le quali integrare i risultati delle diverse funzioni e visualizzarle in forma sintetica. Sono
quindi presentati e discussi i risultati di esempi applicativi condotti su un modello della rete di
trasmissione italiana.
L’attività svolta ha riguardato vari aspetti relativi alla piattaforma di integrazione denominata ISAP
per analisi avanzate della sicurezza e rischio del sistema elettrico. Gli sviluppi in corso riguardano
sia evoluzioni dell’architettura della piattaforma, per supportare analisi complesse di set di
situazioni di esercizio, sia la definizione e l’implementazione di specifiche funzioni applicative per
la valutazione e il controllo del rischio.
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Per quanto attiene lo sviluppo della piattaforma, sono state definite sia la nuova struttura di database
per trattare l’output della funzione di generazione automatica (di cui è stata iniziata
l’implementazione), sia le modalità di gestione delle coordinate geografiche come ulteriore
strumento di presentazione dei risultati. La piattaforma gestirà la molteplicità dei punti di lavoro
generati, storicizzando in maniera vettoriale ciascuna variabile. In questa fase sono in corso di
valutazione le diverse modalità di archiviazione basate sia sul metodo delle varianti oppure su
dataset singoli. È in fase di avanzato di sviluppo un codice in MATLAB per la visualizzazione
geografica di porzioni di rete AAT e dei risultati connessi all’esecuzione delle application function
della piattaforma. Questa funzione in MATLAB fa uso di speciali query verso il motore di ricerca
Google per richiamare mappe dettagliate dell’area geografica in cui si trovano le stazioni che
l’utente desidera visualizzare.
Sempre sul tema della valutazione della sicurezza, si sono studiati ed implementati indici che
consentano di valutare velocemente la sicurezza del sistema molto importanti in una sessione online di DSA (Dynamic Security Assessment). Il lavoro [MI.6] considera tre indici di tensione
proposti recentemente in letteratura ed esegue alcuni confronti. Inizialmente, i tre indici sono
confrontati utilizzati una rete test IEEE. Successivamente il FVSI (Fast Voltage Stability Index) ed
il VCI (Voltage Collapse Index) sono confrontati adottando un modello della rete di trasmissione
AT italiana. Altri scenari per l’analisi e l’utilizzo degli indici proposti sono esaminati in [MI.7],
[MI.8] e [MI.9].
Una ulteriore attività fa riferimento al complesso comportamento non lineare dei sistemi elettrici a
causa di diversi fenomeni che agiscono su differenti orizzonti temporali. In quest’ottica, la teoria
delle biforcazioni può contribuire ad affrontare questi problemi connessi alla sicurezza dei sistemi
elettrici. Lo studio delle biforcazioni locali e del caos attraverso l’analisi delle equazioni del sistema
elettrico possono fornire un punto di vista più approfondito del complesso comportamento di
sistemi così vasti ed interconnessi. Il lavoro [MI.10] descrive la metodologia conosciuta come
“continuazione numerica” e analizza un esempio applicativo di controllo di tensione nei sistemi
elettrici.
Infine, in collaborazione con RSE e con TERNA, l’unità di Milano ha sviluppato un algoritmo di
valutazione on-line della stabilità di tensione della rete elettrica di trasmissione, sfruttando sia indici
matematici sia variabili di rete, disponibili a valle della procedura di stima dello stato; tale attività
ha visto lo sviluppo di un prototipo attualmente in fase di valutazione presso il centro di controllo
nazionale della rete elettrica [MI.11].
Bibliografia
[MI.1]
V. Ilea, A. Berizzi, M. Eremia, “Damping Inter-area oscillations by FACTS devices”, UPEC 2009,
Glasgow (UK), Sept. 2009.
[MI.2]
A. Berizzi, C. Bovo, V. Ilea, “Optimal placement of FACTS to mitigate congestions and inter-area
oscillations”, IEEE PES Power Tech, Trondheim (Norway), June 19-23, 2011.
[MI.3]
A. Berizzi et al., “Planning to manage power interruption events”, Brochure CIGRE WG C1.17,
march 2010. Ref. 433.
[MI.4]
E. Ciapessoni, D. Cirio, F. Silvestro, S. Grillo, S. Massucco, A. Pitto, “An integrated platform for
power system security assessment implementing probabilistic and deterministic methodologies”,
accettata per pubblicazione su IEEE Systems Journal, Special Issue on "Complexity in Engineering:
from Complex Systems Science to Complex Systems Technology", giugno 2011
[MI.5]
E. Ciapessoni, D. Cirio, E. Gaglioti, S. Grillo, S. Massucco, A. Pitto, “An integrated platform for
power system security assessment implementing probabilistic and deterministic methodologies”, IEEE
COMPENG 2010, Roma, 22–24 febbraio 2010, pp. 40-42, ISBN: 978-1-4244-5982-7
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[MI.6]
S. Grillo, S. Massucco, A. Pitto, F. Silvestro, “Indices-based Voltage Stability Monitoring of the
Italian HV Transmission System”, Transmission & Distribution Conference and Exposition, New
Orleans, Louisiana, USA, 19 – 22 aprile 2010, pp. 1-7, ISBN: 978-1-4244-6546-0
[MI.7]
S. Grillo, S. Massucco, A. Pitto, F. Silvestro, “Indices for Fast Contingency Ranking in Large Electric
Power Systems”, Conferenza Melecon 2010 (15th IEEE International Mediterranean Electrotechnical
Conference), La Valletta, Malta, 26-28, aprile 2010, pp. 660-666, ISBN: 978-1-4244-5794-6
[MI.8]
S. Grillo, S. Massucco, A. Pitto, F. Silvestro, “Evaluation of Some Indices for Voltage Stability
Assessment”, Powertech 2009, Bucarest, 28 giugno-2 luglio 2009, pp. 1-8, ISBN: 978-1-4244-2235-7
[MI.9]
E. Ciapessoni, D. Cirio, S. Grillo, S. Massucco, A. Pitto, F. Silvestro, “Operational Risk Assessment
and Control: a Probabilistic Approach”, Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe
(ISGT Europe), 11–13 ottobre 2010, Gothenburg, Svezia, pp. 1–8, ISBN: 978-1-4244-8510-9, doi:
10.1109/ISGTEUROPE.2010.5638975
[MI.10]
S. Grillo, S. Massucco, A. Morini, A. Pitto, F. Silvestro, “Bifurcation Analysis and Chaos Detection in
Power Systems”, International Journal of Innovations in Energy System and Power, aprile 2010, Vol.
5, nr. 1, pp. 1-7, ISSN 1913-133X
[MI.11]
M. Merlo, M. Cignatta, M. Pozzi, R. Salvati, “Voltage stability assessment: extended analysis on the
Italian power system”, International Journal of Power & Energy Systems, 2010, Vol. 30, N° 2, pp.
119-130
Reactive planning in presenza di FER
Il lavoro [MI.1] presenta il risultato di una indagine volta a iniziare un nuovo filone di ricerca,
legato alla tematica tradizionalmente affrontata dall’Unità di Milano della sicurezza dei piani di
tensione. In particolare, l’attività ha come obbiettivo quello di studiare approfonditamente le
problematiche legate allo sviluppo delle reti offshore (per la connessione di impianti eolici di taglia
rilevante) caratterizzate da lunghezze significative di conduttori in cavo. In tali circostanze, è
necessario operare la scelta tra trasmissione in corrente continua oppure in corrente alternata,
tenendo in conto tutti gli aspetti coinvolti, in primis il problema del coordinamento del reattivo, nel
caso della scelta “corrente alternata”. Il lavoro quindi presenta una rassegna bibliografica relativa
alla metodologie di var planning, con specifico riguardo alle reti in cavo e offshore. Esso costituisce
il primo passo verso la definizione di una procedura di ottimizzazione specificamente rivolta alle
reti offshore di connessione di parchi eolici significativi; l’obbiettivo è quello di studiare le
installazioni eoliche previste nel mare d’Irlanda nei prossimi 20 anni.
Bibliografia
[MI.1]
J. Allahdadian, A. Berizzi, C. Bovo, V. Ilea, “Reactive Planning Considering Offshore Wind Power
Generation”, 14th ICHQP, Bergamo, Italy, 26-29 Sept. 2010, pp.1-7.
Modelli di mercato
Nell’ambito della modellizzazione del comportamento strategico degli operatori di mercato in un
contesto oligopolistico, i lavori [MI.1][MI.2] propongono una metodologia di analisi basata sulle
Supply Function Equilibria (SFE). Infatti, la liberalizzazione dei mercato elettrici evidenzia sovente
il problema del potere di mercato e del suo abuso. La presenza dei vincoli di rete unitamente alla
concentrazione di quote di mercato possono determinare situazioni di forte potere di mercato che
concorrono ad un innalzamento dei prezzi dell’energia rispetto ai costi marginali. In questo lavoro,
si propone un modello basato sulle SFE per studiare una borsa elettrica in presenza di vincoli di
trasmissione per mercati oligopolistici. Più precisamente, i punti di equilibrio sono determinati
attraverso l’impiego di un algoritmo genetico co-evolutivo, in quanto il modello si caratterizza per
la presenza di diversi punti di ottimo locale. La scelta degli algoritmi genetici consente una migliore
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esplorazione dello spazio di ricerca, riducendo così il rischio di individuare ottimi locali. Il modello
è poi applicato alla situazione italiana.
Il lavoro [MI.3], invece, affronta il problema del comportamento strategico nel medio lungo periodo
con particolare riferimento alla scelta ottimale per quanto concerne gli investimenti in nuova
capacità di generazione. La presenza di un libero mercato, infatti, affida alle scelte dei singoli
operatori la pianificazione degli investimenti in nuova capacità, e la modalità di suddivisione tra le
differenti tecnologie. In questo lavoro si propone un modello alla Cournot (tipicamente adottato in
studi di questo genere) finalizzato a calcolare gli investimenti ottimi da parte di ciascun compagnia
di generazione (GenCo, Generation Company) avendo a disposizione differenti tecnologie tra cui
scegliere: cicli combinati e a carbone, con o senza cattura della CO2. Il modello calcola, su un
orizzonte temporale di 15 anni, gli investimenti annuali di ogni GenCo affinché il punto di
equilibrio del mercato sia un equilibrio di Nash. Il modello è applicato alla realtà italiana e diversi
scenari sono stati analizzati in relazione a differenti ipotesi del costo associato alla CO2.
Diversi mercati elettrici, tra cui quello italiano, sono caratterizzati da un’elevata concentrazione
delle quote di mercato, da una domanda praticamente anelastica, oltre che da una limitata capacità
di trasmissione. Tali premesse rendono possibile l’abuso di potere di mercato. Per promuovere la
concorrenza, il 29 aprile 2009, il governo italiano ha approvato una norma che impone la
pubblicazione delle offerte presentate dai giocatori sulla borsa elettrica. In particolare, la Borsa
elettrica italiana è tenuta a pubblicare le offerte sul proprio sito web (www.mercatoelettrico.org)
sette giorni dopo la loro presentazione al mercato. L'obiettivo di lavoro [MI.4] è quello di presentare
un'analisi delle offerte sottoposte dagli operatori di mercato (con particolare riferimento alle società
di generazione) per il 2008 e per la prima parte del 2009. Le offerte pubblicate sul sito del GME
riguardano tutte le sessioni di mercato (MGP, MI e MSD): in questo lavoro, solo le offerte relative
al MGP sono prese in considerazione. La pubblicazione delle offerte permette sia di studiare la
struttura del mercato, sia di analizzare nel dettaglio le modalità di offerta dei singoli impianti di
generazione. A causa, però, dell’elevata mole di dati da elaborare, è stato necessario progettare uno
strumento specifico per immagazzinare ed elaborare i dati. Il lavoro presenta tale strumento, le
funzione in esso implementate e i primi risultati ottenuti.
Bibliografia
[MI.1]
A.M.A.K. Abeygunawardana, C. Bovo, A. Berizzi, “Market Power Analysis in the Italian Electricity
Market using a Supply Function Equilibrium Model”, 44th International Universities' Power
Engineering Conference (UPEC 2009), Glasgow, Scotland, 1-4 September, 2009.
[MI.2]
A.M.A.K. Abeygunawardana, C. Bovo, A. Berizzi, “Applicazione al mercato elettrico di modelli SFE
mediante GA”, Convegno Nazionale AEIT, “Sostenibilità energetica: Tecnologie e Infrastrutture - La
ricerca incontra l'industria”, Catania, Italia, 27 - 29 settembre 2009.
[MI.3]
A.M.A.K. Abeygunawardana, C. Bovo, A. Berizzi, “Implications of CO2 prices on the generation
capacity expansion in the Italian electricity market”,7th International Conference on the European
Energy Market (EEM), Madrid, Spain June 23-25 2010.
[MI.4]
A. Berizzi, C. Bovo, G. Tiburzio, “Bid analysis of the Italian electricity market for the identification
of players’ strategic behaviour”, 45th International Universities' Power Engineering Conference
(UPEC 2010), Cardiff, Wales, 31st August - 3rd September 2010
Integrazione di FER nelle reti di trasmissione e subtrasmissione
La produzione di energia elettrica da fonte eolica ha acquisito, negli ultimi anni, una posizione
rilevante nelle strategie politiche internazionali volte a consentire una sempre minore dipendenza
energetica dalle fonti tradizionali. A seguito dello sviluppo di questa fonte è importante valutare
l’impatto che essa può avere sull’esercizio del sistema elettrico. Nel lavoro [MI.1], a partire dal
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panorama europeo, sono analizzate le prescrizioni richieste agli aerogeneratori, e, a livello
nazionale, quelle definite dalla CEI 11-32 V1, primo passo verso una regolamentazione della
produzione da fonte eolica. In particolare si è valutato l’impatto della fonte eolica, in relazione agli
aspetti di competenza della CEI 11-32 V1, sulla rete elettrica della regione Sicilia, area geografica
con una sensibile penetrazione di tale fonte.
Più in ampio, il lavoro [MI.2], sviluppato in collaborazione con CESI e con TERNA, presenta una
metodologia di valutazione dell’impatto delle fluttuazioni di potenza associate alla generazione
eolica sulla regolazione primaria di frequenza di un sistema elettrico, proponendo uno studio
quantitativo sulla rete elettrica italiana. Il lavoro ha portato allo sviluppo di modelli matematici utili
alla rappresentazione delle macchine eoliche e a una metrica di valutazione del loro impatto sulla
rete, poi integrati nel package informatico in uso presso TERNA per l’analisi del comportamento
dinamico del sistema elettrico (SICRE).
Allargando l’analisi alle fonti energetiche rinnovabili (RES) in generale, è possibile evidenziare
diverse criticità associate alla loro integrazione nel sistema elettrico. In particolare, l’elevata
aleatorietà delle RES e la sua dispersione sul territorio può rendere interessate l’impiego di logiche
di controllo intelligenti finalizzate a controllare localmente la produzione da fonte energetica
rinnovabile. Inoltre, tale approccio de-centralizzato può suggerire soluzioni innovative non solo nel
funzionamento normale, ma anche in condizioni di emergenza. Il lavoro [MI.3] presenta il progetto
ISOLDE, un progetto di ricerca condotto congiuntamente da Siemens e dal Dipartimento di Energia
del Politecnico di Milano. Il lavoro propone e studia funzioni innovative da implementare in un
SAS semplificato (Sistema di Automazione di Sottostazione), che sia in grado di gestire
efficacemente la produzione da RES tenendo conto delle problematiche connesse alla regolazione di
tensione, alle congestioni sul sistema locale di subtrasmissione e a un eventuale funzionamento in
isola dell’area.
Bibliografia
[MI.1]
[MI.2]
[MI.3]
C. Bovo, M. Merlo, “Integrazione di grandi campi eolici nella rete elettrica”, Convegno Nazionale
AEIT, “Sostenibilità energetica: Tecnologie e Infrastrutture - La ricerca incontra l'industria”, Catania,
Italia, 27 - 29 settembre 2009.
G. Callegari, P. Capurso, F. Lanzi, M. Merlo, R. Zaottini, “Wind power generation impact on the
frequency regulation: study on a national scale power system”, 14th International Conference on
Harmonics and Quality of Power (ICHQP), 2010, pp.1–6, 26–29 sett. 2010
J. Allahdadian, A. Berizzi, C. Bovo, M. Gholami, V. Ilea, M. Merlo, A. Miotti, F. Zanellini, “ISOLDE
project: Subtransmission Substations Advanced Control in the Italian Power System”, Convegno
Nazionale AEIT - Prospettive economiche e strategie industriali, 27-29 Giugno 2011, Milano.
DISTRIBUZIONE DELL’ENERGIA ELETTICA
Load shedding distributo e definito su base statistica
Improvvisi squilibri tra potenza disponibile e potenza richiesta dai carichi possono comportare il
manifestarsi di black out più o meno estesi nelle reti elettriche di distribuzione con danni economici
spesso considerevoli.
Normalmente la differenza tra potenza assorbita dalle utenze e quella disponibile è molto bassa,
spesso anche meno dell’1%.
Partendo da tale considerazione è oggi giorno ipotizzabile far partecipare i carichi alimentati dalla
rete ad un programma di “load shedding distribuito” attuando distacchi mirati di alcune
apparecchiature tramite l’impiego delle tecnologie domotiche. In sostanza il distributore può inviare
agli utilizzatori un segnale correlato con l’entità dello squilibrio in rete che, attraverso la porta di
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
ingresso costituita dai contatori elettronici, permette di ottenere degli alleggerimenti distribuiti di
carico evitando disservizi generalizzati sulla rete.
Una seconda possibilità di intervento è correlata con la diffusione di generatori distribuiti. Infatti,
risulta pensabile inviare nelle reti elettriche di distribuzione un ulteriore segnale atto a richiedere un
contributo più o meno significativo ai generatori distribuiti per riequilibrare i temporanei squilibri di
potenza.
La richiesta di riduzione ottimale del carico, da un lato, e di incremento di potenza generata dai
generatori distribuiti dall’altro, può conseguirsi minimizzando il valore atteso di una opportuna
funzione di costo tenendo conto del livello di incertezza sulla potenza assorbita dai carichi
alimentati e dell’entità degli squilibri di potenza prevedibili. Nel lavoro [MI.1] si illustra un criterio
basato sull’individuazione attuata su base statistica, dei segnali da inviare all’utenza attraverso le
membrature delle reti di distribuzione al fine di minimizzare i costi dell’operazione.
Bibliografia
[MI.1]
R. Argiento, R. Faranda, A. Pievatolo, E. Tironi, “Distributed interruptible load shedding and microgenerator dispatching for smart grid contingencies”, articolo inviato all’IEEE Transactions on Power
Systems.
Progettazione e realizzazione di una rete test in corrente continua
Un filone di ricerca è stato svolto con il fine di valutare i possibili vantaggi dal punto di vista
energetico, del dimensionamento dei componenti e della qualità della fornitura di una rete di
distribuzione in c.c. rispetto all’impiego delle più tradizionali rete di distribuzione in c.a.
I vantaggi potenzialmente connessi con l’impiego di reti di distribuzione in bassa tensione in
continua al posto di una tradizionale rete in alternata possono essere così riassunti:
 Aumento del rendimento globale della rete di distribuzione;
 Aumento della capacità di trasporto delle linee;
 Miglior filtraggio di disturbi sulla tensione con conseguente incremento della qualità della
fornitura al cliente finale;
 Aumento dell’affidabilità del sistema e riduzione dei costi della rete di distribuzione con
conseguente risparmio economico per il sistema di distribuzione pubblico;
 Maggior facilità di integrazione di sistemi di generazione distribuita e di sistemi di
accumulo.
Al momento non è pensabile la sostituzione di tutte le attuali reti di distribuzione in c.a. con reti di
distribuzione in c.c.. È tuttavia facilmente immaginabile uno scenario in cui alcune nuove sottoreti
in c.c. si integrano con quelle già presenti in c.a..
Al fine di testare sperimentalmente le problematiche di controllo e integrazione di una sottorete in
c.c., dal 2008 al 2011 è stata realizzata una micro-rete sperimentale in c.c. presso i laboratori di RSE
(Ricerca sul Sistema Energetico). Per ottenere una rete flessibile in grado di consentire una
sperimentazione a largo spettro, la micro-rete è stata equipaggiata con sistemi di accumulo ad alta
densità di energia (batterie ZEBRA) e sistemi di accumulo ad alta densità di potenza
(supercondensatori). È stata inoltre prevista la presenza di un emulatore di sistema fotovoltaico e un
convertitore per l’interfacciamento alla rete di distribuzione in c.a.. La rete in bassa tensione (400 V
– 100 kW), è stata presentata in [MI.1]–[MI.2] nelle sue peculiarità.
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
Sono state progettate e messe a punto strategie di controllo di ciascun convertitore presente sulla
rete per ottimizzare la qualità della tensione sia della rete in c.c. che di quella in c.a. Tali strategie
sono state ideate per garantire la massima flessibilità della rete che deve risultare in grado di
continuare il suo esercizio senza peggioramento della qualità anche quando uno dei suoi
componenti, sia di accumulo che di generazione, si renda improvvisamente non disponibile. Sono
stati inoltre realizzati i primi test sperimentali sulla micro-rete per verificare tali strategie.
Particolare attenzione è stata dedicata al problema del flicker che si manifesta sulla rete di
distribuzione in c.a. quando da essa è alimentato un carico pulsante come, ad esempio, una
saldatrice. Si è allora mostrato come, qualora il carico pulsante sia connesso sulla rete in continua,
attraverso un opportuno controllo del convertitore di interfaccia c.a./c.c. e dei convertitori che
interfacciano la rete in c.c. con i sistemi di accumulo è possibile ridurre drasticamente il flicker sulla
rete in c.a. senza inficiare la qualità della tensione sulla rete in c.c.. I risultati di questa ricerca sono
stati pubblicati in [MI.3].
Bibliografia
[MI.1]
L. Martini, C. Tornelli, C. Bossi, E. Tironi, G. Superti Furga, “Design and Development of a LV Test
Facility for DC Active Distribution System”, 20th International Conference on Electricity Distribution,
CIRED 2009, Prague (Czech), 8-11 June 2009.
[MI.2]
L. Martini, C. Tornelli, C. Bossi, E. Tironi, G. Superti Furga, L. Piegari, “Progettazione e
realizzazione di sistema di test per reti attive di distribuzione in continua”, 102° Convegno Nazionale
AEIT, Catania (2009).
[MI.3]
V. Musolino, L. Piegari, E. Tironi, L. Martini, A. Brambilla, C. Tornelli, “Simulations and field test
results for potential applications of LV DC distribution network to reduce flicker effect”, 14th
International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), 2010, pp.1–6, 26–29 sett.
2010.
[MI.4]
G.C. Lazaroiu, E. Tironi, M.O. Popescu, O. Ghita, V. Dumbrava, “Transient analysis of DG
interfaced low voltage DC system”, 14th International Conference on Harmonics and Quality of
Power (ICHQP), 2010, pp.1–6, 26–29 sett. 2010.
Sistemi elettrici di distribuzione attivi (“active distribution systems”) in presenza di generazione
distribuita, accumulo e veicoli elettrici
L’attività di ricerca dell’Unità di Milano, svolta in collaborazione con l’Unità di Genova,
relativamente ai sistemi di distribuzione dell’energia elettrica ha coperto diverse tematiche quali: a)
individuare ed proporre soluzioni impiantistiche e di controllo per una gestione intelligente di reti di
distribuzione in presenza di risorse di generazione distribuita, di accumulo, con la possibilità di
controllare il carico e nel rispetto dei vincoli tecnici ed economici; si è contribuito alla definizione
dell’architettura di un gestore centralizzato (DMS) di porzioni di reti elettriche di distribuzione,
capace di affrontare problemi di ottimizzazione, di controllo dei flussi di potenza, della tensione e di
fornitura dei servizi ausiliari. b) gestione di virtual power plant e microgrid in presenza di accumuli
significativi e di generazione rinnovabile; c) impatto del veicolo elettrico sulle reti di distribuzione.
Lo sviluppo di reti di distribuzione sia in bassa tensione sia in media tensione con capacità di
esercizio flessibile e anche autonomo in isola di carico è uno degli aspetti che maggiormente
caratterizza i progetti di Smart Grid. L’esercizio flessibile delle reti di distribuzione, o di parte di
esse, richiede infatti sistemi innovativi di gestione automatica, le cui caratteristiche e obiettivi sono
descritti per esempio in [MI.1]. I moderni Distribution Management System (DMS), caratterizzati
da architetture di automazione, telecomunicazione e controllo di tipo innovativo, consentono
l’implementazione di strategie di esercizio ottimizzate in grado di adattarsi continuamente alle
condizioni di richiesta di carico e di produzione da fonte rinnovabile [MI.2]. I lavori rendicontati
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
propongono la definizione di architetture di automazione, telecomunicazione e controllo di reti
elettriche descrivendo le caratteristiche di DMS atti ad operare efficacemente su reti di distribuzione
attive e facenti uso di tecnologie di comunicazione avanzate. Essi affrontano aspetti dell’evoluzione
dei DMS che andranno a mutuare funzioni tipiche dei sistemi per la gestione delle reti elettriche di
trasmissione (EMS) integrandoli in architetture complesse comprendenti schedulatori, dispacciatori
e sistemi di supervisione. Vengono presentati modelli di sistemi di generazione e scenari di
funzionamento includendo aspetti di fornitura di servizi ausiliari e coinvolgendo problematiche di
telemisura e teleconduzione.
Il lavoro [MI.3] affronta la tematica dei sistemi di automazione e protezione sulla base del fatto che
i sistemi elettrici hanno estrema necessità di utilizzare i più recenti sviluppi nel campo dell’ICT
(Information and Communication Technology) e dell’elaborazione dati in tempo reale ed in forma
distribuita sia per la loro automazione che per la realizzazione di avanzate tecniche di protezione e
di controllo. Il lavoro considera i sistemi di comunicazione e i relativi standard con cenni ai
problemi delle protezioni e delle comunicazioni nelle stazioni elettriche e al ruolo delle nuove
normative IEC 61850 con particolare riferimento ad alcuni temi relativi alla comunicazione per la
generazione distribuita.
Nei più recenti sviluppi i sistemi di gestione della distribuzione tendono a integrare le funzioni di
ottimizzazione per la pianificazione a breve termine delle varie energie e di controllo delle risorse
disponibili nella rete (come, per esempio, generatori distribuiti, compensatori di potenza reattiva e
trasformatori con variatori sotto carico) con quelle a medio termine. In quest’ottica, l’Unità di
Milano (in collaborazione con l’Unità di Genova) ha proposto una struttura di un sistema
automatico di esercizio ottimizzato delle risorse di produzione/accumulo di energia e quelle di
regolazione, disponibili in una rete di distribuzione [MI.4],[MI.5]. Tenendo conto delle difficoltà di
previsione dei carichi e della produzione da fonte rinnovabile, il sistema automatico è organizzato
su una struttura a due livelli: il primo, con orizzonte giornaliero, è dedicato all’applicazione di
criteri di gestione economica; il secondo, con orizzonte temporale limitato al successivo quarto
d’ora, è dedicato al raggiungimento degli obiettivi di qualità e sicurezza dell’esercizio della rete. In
quest’ultima fase si risolve un problema di ottimizzazione non lineare multi-obiettivo applicando
iterativamente un algoritmo di programmazione lineare mista intera. La linearizzazione della
funzione costo e dei vincoli è realizzata mediante l'utilizzo di coefficienti di sensitività ottenuti dai
risultati calcolo di power flow trifase. Gli studi effettuati mostrano che la struttura proposta può
consentire anche l’esercizio volontario in isola di carico, con riferimento sia a micro-reti di bassa
tensione sia a parti di reti in media tensione.
Le attività sulla gestione, il controllo e l’automazione delle reti di distribuzione in presenza di
generazione intermittente sono state pubblicate su uno Special Issue on “Identification and Control
of Sustainable Energy Systems” dell’IEEE Systems Journal [MI.6].
Un settore della ricerca nell’ambito dei sistemi di distribuzione ha poi riguardato l’impatto della
generazione distribuita sulla sicurezza del sistema elettrico e sulle prestazioni delle reti di
distribuzione.
Il lavoro [MI.7] considera i problemi che sorgenti di generazione eolica di taglia intermedia e di
generazione fotovoltaica possono generare in reti di distribuzione radiali - comprendenti anche cogenerazione tradizionale - per quanto concerne i profili di tensione e il bilanciamento delle potenze.
Il lavoro [MI.8] è volto a analizzare il comportamento di generazione e carico integrati da sistemi di
accumulo per modellare e valutare le possibilità di partecipazione al mercato dell’energia e dei
servizi di strutture elettriche di generazione e distribuzione in distretti industriali e di servizi terziari.
Sempre in questa direzione, il progetto AlpEnergy, sviluppato dall’Unità di Milano in
collaborazione con diversi partner stranieri, descrive e illustra alcune possibili modalità di gestione
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coordinata di carico e generazione realizzate nelle regioni dell’arco alpino, con riferimento anche
alla partecipazione e al coinvolgimento dei clienti finali BT [MI.9], [MI.10]. AlpEnergy mira
all'analisi, alla modellazione e alla valutazione dei Virtual Power System (VPS) in quattro aree
distinte dello Spazio Alpino: la regione Allgäu in Baviera, in Germania, il Comune di Mantova, la
catena di Belledonne (Francia), e la regione di Gorenjske (Slovenia).
Gli obiettivi del progetto sono:
 sfruttare le potenzialità esistenti per la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili
endogene e per la gestione della domanda;
 evidenziare nuove opportunità di business;
 contribuire alla sicurezza dell'approvvigionamento a prezzi accessibili.
Grande attenzione è stata posta al problema dell’accumulo in reti di distribuzione. Le attività svolte
hanno permesso di definire i profili tipici di generazione del sistema integrato (RES + Accumulo)
sulla base del profilo di carico orario nazionale e ottimizzando i profili di immissione di potenza,
ipotizzando il costo del kWh elettrico su fascia oraria modellando gli scostamenti tra produzione
prevista ed effettiva [MI.11]. A seguito della definizione dei profili di generazione, si sono condotte
simulazioni in cui il pacco batterie, accoppiato al campo di generazione eolico e solare, assolva
principalmente le seguenti funzioni di price arbitrage (ottimizzazione dello sfruttamento della
differenza di prezzo del kWh elettrico in base alle fasce orarie di vendita); di tampone
(minimizzazione del mismatch tra la potenza prevista e quella effettivamente prodotta in modo da
evitare gli oneri di sbilanciamento) e di riserva terziaria.
Ulteriori attività sviluppate hanno riguardato la modellizzazione e la gestione ottimale di batterie
hot-temperature (Sodium Nickel Chloride) accoppiate a generatori eolici in reti a media tensione I
dispositivi di accumulo sono modellati considerando le loro principali dinamiche (stato di carica,
temperature, correnti, protezioni e limitazioni) [MI.12]. Il sistema di ottimizzazione è basato su
algoritmi di forward dynamic programming per sfruttare la capacità di effettuare price arbitrage in
energia lungo l’orizzonte temporale dello studio [MI.13]. Lo scopo è adattare la generazione eolica
al carico ed individuare situazioni di costi/benefici per l’insieme integrato generazione accumulo.
Nell’ambito della gestione e controllo del sistema elettrico di distribuzione risulta di grande attualità
l’analisi del possibile impatto dovuto all’alimentazione di un numero significativo di utenti
costituito da veicoli elettrici (EV – Electric Vehicle) che possono costituire – nella fase di carica
delle relative batterie - un carico fortemente distribuito e nel suo insieme quantitativamente
significativo.
Allo stesso tempo i veicoli potrebbero costituire una forma importante di accumulo ed essere utili
per l’accumulo di energia elettrica prodotta ad esempio a basso costo da fonti energetiche
rinnovabili e rendersi utili nella fornitura di servizi ausiliari.
L’Unità di Milano, in collaborazione con l’Unità di Genova, ha svolto attività correlate con la
tematica sopra ricordata: un primo aspetto ha riguardato l’impatto sulle attuali reti elettriche di
distribuzione in media e bassa tensione di carichi costituiti da veicoli elettrici. Successivamente
l’analisi ha richiesto di estendere lo studio di tali reti in presenza di sorgenti elettriche distribuite di
tipo rinnovabile. Ulteriori analisi andranno estese al possibile ruolo dell’accumulo su batterie quale
fornitori di servizi ausiliari alle reti distribuzione.
Nel lavoro [MI.14] sono stati affrontati alcuni aspetti relativi allo studio dell’impatto dei EV sulla
rete di distribuzione. È stata presentata una panoramica sulle possibili reti test da utilizzare per gli
studi individuando tre reti di distribuzione da assumere come benchmark, e che successivamente
sono state implementate nel codice di calcolo DIgSILENT: una rete BT definita dalla Cigré; una
rete BT urbana e una rurale definite all’interno del progetto europeo Dispower. Sono state formulate
ipotesi sul veicolo tipico da analizzare come carico individuando tra l’altro: taglia delle batterie
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installate, il numero di utenti alimentati da ogni rete e il fattore di contemporaneità, il profilo di
carico normale e quello dovuto alla ricarica degli EV. Sono stati ipotizzati quattro gradi di
penetrazione degli EV all’interno del mercato (5%, 10%, 15% e 20%). Si sono ottenuti risultati da
analisi statiche delle reti considerate atti a valutare i possibili sovraccarichi sulle linee di
distribuzione e le eventuali eccessive cadute di tensione.
Il lavoro [MI.15] definisce una metodologia, basata su un’estensione del concetto di hosting
capacity, atta a valutare gli effetti delle ricariche dei veicoli elettrici sulle reti in bassa tensione. È
stato messo a punto un indice (chiamato time-dependent hosting capacity) che permette di includere
nella sua formulazione la durata della ricarica in modo tale da identificare gli eventuali vincoli di
rete. La validazione di tale indice è stata effettuata mediante simulazioni sulla rete europea di
riferimento in bassa tensione individuata dalla Task Force CIGRÉ. Le simulazioni hanno previsto
l’esecuzione in serie di calcoli di load flow al variare delle condizioni di carico e del numero di
veicoli elettrici in ricarica. Si è supposto che i veicoli elettrici abbiano una necessità di ricarica
giornaliera pari a 15 kWh. Inoltre, per alcune simulazioni, è stato valutato il contributo che la
generazione distribuita può apportare per migliorare la qualità della fornitura nei termini indicati
dalla normativa EN 50160.
Un ulteriore aspetto relativo allo sviluppo della generazione diffusa sulle reti di distribuzione è
costituito dalle condizioni procedurali ed economiche per richieste di connessione e dalle regole
tecniche di connessione. Questi due aspetti sono trattati ed approfonditi rispettivamente in [MI.16] e
in [MI.17], [MI.18].
In [MI.19] è fornito un quadro degli sviluppi richiesti all’attuale contesto regolatorio internazionale
al fine di renderlo idoneo a soddisfare le nuove esigenze delle reti. Come precedentemente
introdotto, il fabbisogno energetico è sempre più soddisfatto grazie al contributodi fonti rinnovabili;
si ha una domanda crescente ma più attenta e controllata ad indicare come nel mercato del futuro i
consumatori diverranno sempre più attori protagonisti. In questo scenario è perciò essenziale
l’instaurarsi di regole condivise e non discriminatorie, sia per le imprese distributrici, sia soprattutto
per gli utenti finali e gli autoproduttori, e di nuove strategie di gestione delle imprese di
distribuzione.
Allo scopo di individuare quali siano i vincoli tecnici maggiormente limitanti per la penetrazione
della GD nelle reti di distribuzione attuali, sia in termini qualitativi, che in termini quantitativi,
l’Unità di Milano ha approfondito le analisi condotte in precedenza durante la propria attività di
ricerca, già recepite dall’allegato 2 alla Delibera AEEG ARG/elt 25/09.
In [MI.20] sono presentati i risultati ottenuti dalle analisi condotte sulle reti sottese a 260 sbarre di
Cabina Primaria (CP), pari queste a circa il 6% delle reti su base nazionale. Le reti analizzate sono
state estratte da quelle oggetto della campagna di misurazione del progetto QUEEN (QUality of
Electrical ENergy), promosso dall’Autorità per l’energia elettrica e il gas. In particolare nel lavolo
sono messi in evidenza, oltre che i livelli di capacità di accoglimento delle reti attuali, dettagliati per
ciascun vincolo tecnico considerato (variazioni lente di tensione, variazioni rapide di tensione e
limiti di transito sulle linee), anche la dipendenza della hosting capacity dalla distanza elettrica tra il
punto di connessione della generazione e le sbarre di CP: allontanandosi dalla CP la quantità di GD
installabile in conformità a determinati vincoli tecnici si riduce rapidamente (variazioni lente e
rapide di tensione), mentre rimane pressoché inalterata rispetto ad altri (limiti di transito).
In [MI.21] è illustrata una modalità di classificazione delle reti del campione, basata su logica
neuro-fuzzy, avente l’obiettivo di clusterizzare il database in classi omogenee e identificare un set
di reti che possano essere “rappresentative” del panorama italiano.
In [MI.22], [MI.23] e [MI.24] è stata accertata l’entità della generazione installabile su un campione
di reti MT più esteso di quello adottato in precedenza: 318 reti (circa l’8% della totalità del sistema
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di distribuzione nazionale). I risultati di questa analisi hanno evidenziato valori di hosting capacity
generalmente elevati (fino a 3 MW per ogni nodo della rete in ben l’85% dei casi), ma hanno anche
portato alla luce criticità in relazione alla cosiddetta inversione di flusso (cioè la circolazione di
energia dai punti più periferici della rete, le utenze, verso “monte”, lungo le linee MT, fino alla rete
AT). Queste problematiche sono sintomo del carattere “attivo” assunto dalla rete e indicative della
necessità di rivederne le modalità di automazione, controllo e gestione.
Una panoramica circa gli aspetti correlati alla hosting capacity delle reti di distribuzione attuali e
delle possibili soluzioni alle criticità introdotte dalla GD è riportata in [MI.25] e [MI.26]. In questi
contributi è inizialmente fornita una rassegna delle specifiche problematiche connesse alla GD
(prime fra tutte, la possibilità di islanding e di scatti intempestivi), successivamente è illustrata
l’attività di sperimentazione svolta in tale ambito dall’Unità di Milano: il progetto Milano WiPower (descritte più in dettaglio nel seguito).
In [MI.27] sono nuovamente affrontate le questioni relative alla penetrazione di GD e gli
accorgimenti tecnici per porre rimedio ad esse, focalizzandosi però sui recenti sviluppi regolatorii in
materia. La Delibera ARG/elt 39/10, emanata dall’Autorità per l’energia elettrica e il gas nel marzo
2010, ha fornito infatti un importante strumento per l’implementazione sul campo di infrastrutture
atte a colmare le criticità introdotte dalla forte diffusione della GD: grazie alla Delibera ARG/elt
39/10 hanno preso il via, nel 2011, otto progetti pilota per la realizzazione di prototipi di Smart Grid
in reti di distribuzione reali.
Nel rapporto ERSE [MI.28] è valutato l’impatto della GD sulle reti di distribuzione nazionali in
bassa tensione; è inoltre fornita un’indicazione delle perdite che hanno luogo nelle reti MT in
diversi possibili scenari di generazione. Nel dettaglio, per quanto concerne la stima della hosting
capacity BT, lo studio ha individuato un numero limitato di modelli rappresentativi di reti reali (in
questo caso, infatti, dato il numero molto elevato di reti BT sul territorio nazionale, l’adozione di un
campione statisticamente rappresentativo è risultata impossibile) su cui effettuare, con approccio
simile a quello impiegato in MT, la valutazione della capacità di accoglimento delle reti.
In relazione invece alla stima delle perdite che hanno luogo sul sistema di distribuzione, in [MI.28]
così come in [MI.29], si sono sfruttate le potenzialità dell’approccio Monte Carlo per creare una
serie di scenari di generazione con cui realizzare una stima quanto più possibile realistica delle
perdite che hanno luogo in media tensione. Le analisi sono state condotte su quattro feeder estratti
con opportune logiche dal campione di reti reali utilizzato per le analisi relative alla hosting
capacity. Per ognuno di questi feeder sono stati generati 2000 possibili scenari di generazione
(ciascuno dei quali caratterizzato da differente dislocazione, tipologia e taglia della GD); infine, per
ogni scenario sono state calcolate le perdite su base annua.
L’Unità di Milano ha valutato l’applicabilità di Sistemi di Accumulo dell’energia (SdA) nelle reti di
distribuzione allo scopo di fornire servizi ancillari funzionali all’esercizio della rete stessa. In
particolare, le analisi condotte hanno indagato l’opportunità di utilizzare detti apparati,
congiuntamente a impianti di GD, al fine di elevare il livello di hosting capacity del sistema
elettrico e allo scopo di aumentare la dispacciabilità delle risorse di generazione MT/BT [MI.30].
Sono state infine indagate le potenzialità offerte da un sistema di regolazione dei flussi di potenza
sulle reti di distribuzione, attuato sempre attraverso SdA, pilotato da una variabile di controllo
innovativa: la divergenza del sistema elettrico.
Relativamente ai vincoli associati alla hosting capacity della rete, si evidenzia come in tutti quei
casi in cui la rete non sia idonea ad accogliere le immissioni di potenza della GD (sia questa già
connessa alla rete o abbia solo presentato richiesta di connessione), il DSO è vincolato a introdurre
interventi strutturali nel sistema elettrico, secondo le tempistiche previste dalla regolazione vigente
in materia. In queste situazioni può essere utile l’impiego di SdA per risolvere le criticità di rete: si
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
potrebbe cioè immagazzinare l’energia elettrica prodotta dalla GD in tutte quelle situazioni in cui il
sistema, a causa dei propri vincoli tecnici, non è in grado di accettarla. Tale energia può essere poi
immessa in rete in intervalli temporali successivi, in cui i flussi energetici sono meno critici (es. ore
notturne).
Come illustrato sempre in [MI.30], anche nell’ambito della prevedibilità/dispacciabilità della GD da
FER, il sistema elettrico potrebbe trarre beneficio dall’impiego di SdA: questi dispositivi possono
infatti supplire alla non dispacciabilità della GD garantendo che l’aggregato SdA-GD assuma
complessivamente dei profili di scambio con la rete prevedibili/controllabili (conseguendo così
anche la possibilità di accettare, in prospettiva, ordini di dispacciamento).
Gli studi affrontati dall’Unità di Milano riguardanti l’uso di SdA hanno analizzato anche le
prestazioni di un innovativo sistema di regolazione dei flussi di potenza sulla rete di distribuzione.
Questo sistema utilizza come variabile di controllo del SdA l’operatore divergenza, ossia una
grandezza scalare rappresentativa del comportamento dinamico del complessivo sistema elettrico, o
di una sua porzione [MI.31]. L’analisi ha evidenziato come, in presenza di generatori eolici affetti
da variazioni della propria coppia motrice (es. variabilità del vento), l’impiego dell’operatore
divergenza permetta di ridurre sensibilmente la propagazione dei disturbi verso il sistema AT,
rispetto a regolatori che impiegano unicamente grandezze locali (ossia la velocità di rotazione di un
unico generatore).
Gli studi riportati in [MI.32] hanno confermato i risultati appena citati attraverso simulazioni in
ambiente Simulink. Tramite tale software è stato implementato un modello semplificato di rete di
distribuzione MT. Ad essa si sono supposti connessi due generatori eolici, due carichi equivalenti
ed il sistema di storage. Il calcolo delle grandezze di interesse è stato risolto mediante
l’accoppiamento di un problema dinamico (le equazioni dinamiche delle macchine elettriche) con
un problema di load flow (il sistema di equazioni della rete).
Il lavoro [MI.33] costituisce un’evoluzione di quanto svolto precedentemente: in esso, infatti, la rete
di distribuzione, generatori eolici, carichi e storage sono stati modellizzati mediante il software
DIgSILENT. Sfruttando la flessibilità e la capacità di calcolo di quest’ultimo è stato quindi
possibile introdurre un ulteriore grado di dettaglio nelle simulazioni precedentemente realizzate,
rappresentando in modo più accurato le dinamiche del sistema elettrico considerato.
Aumentare lo sviluppo e la diffusione dei veicoli elettrici e favorirne l’integrazione con la rete di
distribuzione è una delle importanti sfide del prossimo futuro per i sistemi elettrici nella maggior
parte dei Paesi dell’Unione Europea. Risulta pertanto essenziale la predisposizione di una opportuna
infrastruttura di ricarica ad uso pubblico e privato, semplice e veloce, diffusa capillarmente su tutto
il territorio, capace di coniugare da un lato il livello di servizio richiesto e dall’altro l’ottimizzazione
dell’impatto che le ricariche determinerebbero nella rete di distribuzione dell’energia elettrica. In
[MI.35] è effettuata un’analisi sulla diffusione dei veicoli elettrici e sullo sviluppo della relativa
infrastruttura di ricarica alla luce di vari fattori tecnici, economici e sociali che incidono sui
possibili modelli di business.
Bibliografia
[MI.1]
A. De Bellis, S. Grillo, S. Massucco, S. Scalari, P. Scalera, F. Silvestro, “A Smart Grid Approach to
Distribution Management Systems (DMS) for Electric Networks”, CIRED Workshop, 7 – 8 giugno
2010, Lione, Francia, pp. 1–4.
[MI.2]
L. Cicognani, S. Grillo, S. Massucco, S. Scalari, P. Scalera F. Silvestro, “Sistemi di automazione per
la gestione delle reti elettriche di distribuzione”, EIDOS, 2009, Nr. 4, pp. 38-46, ISSN: 1972-6988.
[MI.3]
S. Grillo, S. Massucco, A. Morini, F. Silvestro, “Automazione, Protezione e Controllo dei Sistemi
Elettrici: aspetti innovativi alla luce dell’evoluzione delle tecnologie di generazione e di
comunicazione e della norma IEC 6185”, Parte II, Rivista Bticino, n. 12, 2009.
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
[MI.4]
A. Borghetti, M. Bosetti, S. Grillo, M. Paolone, F. Silvestro, “Short-Term Scheduling of Active
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
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Studio delle sovratensioni sui trasformatori di distribuzione in presenza di distacchi monofasi
In tale ambito di ricerca è stato studiato il comportamento dei trasformatori di distribuzione in
presenza di distacchi monofasi [MI.1]. Sono state confrontate diverse configurazioni: a) centro
stella del primario a terra; b) centro stella del primario isolato; c) centro stella del primario messo a
terra tramite resistenza e d) primario a triangolo. Sono stati studiati i diversi effetti della ferrorisonanza sulle tensioni delle varie fasi ed è stato studiato anche l’effetto della lunghezza dei cavi su
tali comportamenti. Gli studi sono stati effettuati utilizzando i parametri caratteristici di una regione
dell’Iran.
Bibliografia
[MI.1]
M. Farrokhifar, “Studying asymmetrical switching overvoltage on sub-transmission transformers”,
ICTPE Conference, 7–9 luglio 2011 Cipro.
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
Smart Grids
Il tema delle smart grids è uno degli argomenti di ricerca attuali visti i recenti sviluppi in questo
settore. L'Unità di Milano ha condotto molte ricerche in questo; ulteriori ricerche sono ancora in
atto.
Un aspetto ha riguardato il controllo della tensione nelle reti di distribuzione anche in presenza di
generatori, sia a fonti rinnovabili che tradizionali, diffusi all'interno delle reti stesse, testimoniati
dalle pubblicazioni [MI.1], [MI.2], [MI.3], [MI.4]. Le ricerche in questo ambito sono state condotte
sia a livello teorico, sia a livello di simulazione mediante l'impiego di un simulatore real time che ha
permesso di verificare l'effettivo comportamento dinamico della rete. Sempre su questo aspetto è
stato proposto un sistema di controllo della tensione in cui i generatori sono direttamente coinvolti
della regolazione secondo una legge di tipo locale, come descritto nelle pubblicazioni [MI.5]
[MI.6]. Le analisi, condotte su reti rappresentative di configurazioni riscontrabili nel sistema di
distribuzione nazionale, hanno evidenziato l’efficacia della strategia proposta; si registra un
miglioramento dei profili di tensione ed un aumento della Hosting Capacity. Più nel dettaglio, in
[MI.7] si è analizzato l’impatto della regolazione di tensione locale sulle perdite di rete e sulle
variazioni rapide di tensione; a completamento del lavoro sono state eseguite alcune primi indagini
con modelli matematici utili a descrivere la risposta dinamica della rete in scenari di tipo multigeneratore.
Un altro fattore che è stato oggetto di studio è quello relativo ai sistemi di protezione nelle reti di
distribuzione MT caratterizzati da schemi topologici non convenzionali, come petali o anelli chiusi
[MI.8], [MI.9], [MI.10].
Un aspetto importante delle smart grid è lo studio delle criticità legate all’inversione di flusso lungo
linea e alle performance degli attuali sistemi di protezione che equipaggiano le utenze attive
[MI.11][MI.12]. È infatti necessario evitare il funzionamento in isola indesiderata di porzioni di rete
in caso di mancanza di alimentazione sulla linea di distribuzione MT, ed evitare che, in caso di
perturbazioni sulla RTN, i generatori siano disconnessi intempestivamente non partecipando al
contrasto della perturbazione in atto sul sistema, bensì aggravandone l’entità, con problemi per la
sicurezza del complessivo sistema nazionale. Le ricerche in questo ambito sono state condotte sia a
livello teorico studiando i principali metodi anti-islanding passivi e attivi [MI.13], [MI.14], [MI.15],
sia a livello di simulazione attraverso il progetto Milano Wi-Power, in cui si effettuano dei test di
prestazione e di affidabilità di innovativi sistemi di protezione in Cabina Primaria (CP Musocco
A2A) e presso l’interfaccia di un cogeneratore posto nei laboratori del Politecnico di Milano
(Dipartimento di Energia, campus Bovisa), utilizzando relé sperimentali opportunamente realizzati
da Thytronic [MI.16], [MI.17], [MI.18], [MI.19], [MI.20].
Sempre con riferimento a progetti innovativi in reti attive, sono state seguite sei delle otto iniziative
selezionate dall’Autorità nell’ambito della delibera ARG/elt 39/10. I Progetti pilota finanziati
dall’Autorità con Delibera ARG/elt 39/10 rappresentano una dimostrazione in campo di smart grid
e sono finalizzati alla ristrutturazione di specifiche reti di distribuzione attraverso tecnologie
innovative che consentano, una volta implementate, una gestione attiva, con particolare attenzione
alle esigenze di standardizzazione e unificazione nonché alla minimizzazione dei costi. I Progetti
prevedono di sviluppare prototipi di smart grid basati sull’integrazione fra le tecnologie per la
distribuzione di energia e le tecnologie per la comunicazione.. Questi primi progetti sperimentali
definiscono la via per uno sviluppo, a livello nazionale, di un modello di smart grid capace di
rendere più flessibili e “intelligenti” le reti di distribuzione MT, e di favorire la diffusione della
produzione da FER e l'uso efficiente delle risorse. I risultati ottenuti dai progetti, che dovranno
essere resi pubblici, permetteranno la disseminazione delle esperienze e una più realistica
valutazione dei risultati utile per sviluppare e implementare, in modo concreto e definito, la
prospettiva di evoluzione tutta italiana delle smart grid [MI.21].
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
Anche nel campo delle smart grids l'Unità di Milano si è impegnata dell'analisi energetica di tutti gli
enti connessi ad una microrete. In particolare ha cominciato a valutate le interazioni tra generatori
distribuiti a fonti rinnovabili o operanti in cogenerazione, i carichi elettrici tradizionali, ad esempio
terziari e domestici, e quelli non convenzionali come i veicoli elettrci [MI.22].
Lo sviluppo della Generazione Diffusa (GD) connessa alle reti di media e bassa tensione (BT e MT)
richiede nuovi strumenti sia per la pianificazione, sia per l’esercizio. Infatti, in questo nuovo
contesto, i Distributori, nel loro ruolo di operatori di sistema (Distribution System Operator, DSO)
assumono nuove responsabilità e funzioni. In particolare, i DSO devono esercire le reti e
pianificarne lo sviluppo al fine di garantire un funzionamento sicuro, affidabile e con adeguati
livelli di qualità di fornitura dell’energia elettrica, oltre che ovviamente massimizzare la hosting
capacity del sistema di distribuzione. Per raggiungere tali obiettivi, è necessario disporre di
strumenti in grado di stimare lo stato di funzionamento del sistema di distribuzione. Il lavoro
[MI.23] presenta il progetto INGRID finalizzato proprio alla realizzazione di nuovi strumenti di
supporto per i moderni centri di controllo dei DSO in grado di fornire una stima della stato della
rete, in differenti condizioni operative. Il progetto è il risultato della collaborazione tra il Politecnico
di Milano, Siemens SpA e l’Università degli Studi di Milano.
In questa nuova modalità di gestione delle reti (smart grid), la GD deve, come già detto, contribuire
al corretto funzionamento del sistema tramite, ad esempio, la fornitura di servizi di rete. Questa
possibilità richiede sia una modifica tecnica delle apparecchiature installate presso l’utente, che gli
consentano di comunicare con il DSO e di rispondere in tempo reale ai segnali che questo gli invia,
sia una modifica dell’attuale quadro normativo e regolatorio [MI.24] che permetta di implementare
un meccanismo di gestione della GD da parte del DSO in qualche modo simile a quello già
utilizzato per i generatori di grande taglia collegati alla rete di trasmissione. Un primo passo è
costituito da regole tecniche di connessione che richiedano nuove funzionalità, come ad esempio il
comportamento durante i transitori di tensione (curve di Low Voltage Fault Ride Through,
LVFRT), verso una gestione della rete in maggiore sicurezza [MI.25].
Il tema delle smart grid è, infine, riassunto nel Libro Bianco di EnergyLab, a cura dell’Unità di
Milano, che ha l’obiettivo di indagare e tratteggiare, in modo concreto e definito, la prospettiva di
evoluzione tutta italiana delle smart grid: a livello di ricerca, individuando i problemi e le possibili
soluzioni di natura tecnica e regolatoria; ma anche a livello più operativo, descrivendo i progetti
pilota in corso e i relativi benefici attesi [MI.26].
Le tecnologie di comunicazione, spesso citate sotto l’acronimo di ICT, ad oggi rappresentano
l’unico approccio in grado di risolvere i nuovi problemi delle reti di energia: solo un uso intelligente
dei sistemi di comunicazione permette infatti di superare le attuali limitazioni e rende possibile un
reale e significativo aumento del contributo di GD mantenendo alto il livello di sicurezza e
affidabilità dell’intero sistema, nonché di qualità del servizio reso all’utenza. L’unità di Milano ha
sviluppato in questo ambito una collaborazione con il Dipartimento di Elettronica e Informazione
del Politecnico di Milano, definendo le caratteristiche di affidabilità e flessibilità che i diversi
supporti di comunicazione devono poter garantire al fine di monitorare, controllare e gestire le reti
elettriche e i protocolli standard, con particolare riferimento al protocollo IEC 61850, da
implementare [MI.27].
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Maggio 2010, Numero 5/6, pp. 28-33.
Power Quality nelle reti di distribuzione
Il tema della Power Quality, tradizionalmente studiato dall'Unità di Milano, è stato ulteriormente
affrontato sia nei provvedimenti per la mitigazione dei disturbi, sia nello studio di apparecchi in
grado di ridurre il contenuto armonico iniettato in rete. In [MI.1] si fornisce una panoramica dei
recenti sviluppi a livello internazionale nell’ambito della power quality e della compatibilità
elettromagnetica, raccogliendo ed illustrando i contributi più significativi al convegno CIRED 2009.
Un possibile approccio associato alle azioni da intraprendere al fine di migliorare la continuità del
sevizio è stato affrontato nel lavoro [MI.2] che descrive le funzioni principali che una rete
intelligente dovrà possedere al fine di migliorare il servizio.
I provvedimenti tradizionali per il filtraggio dei disturbi armonici possono essere di tipo attivo,
basati sull'uso di convertitori elettronici, o di tipo passivo ossia impieganti filtri accordati LC. Il
primo caso è stato affrontato in [MI.3] in cui viene presentato un nuovo dispositivo composto da
un'unità serie e più unità derivate indipendenti tra loro. Il secondo prende invece in considerazioni i
fenomeni di risonanza che possono derivare dall'installazione di filtri passivi LC in rete, [MI.4].
L'impiego di dispositivi elettronici di potenza su larga scala ha posto un serio problema
relativamente all'assorbimento di correnti armoniche ed alla distorsione della tensione che ne
consegue. In questo campo il gruppo sta conducendo ricerche per la riduzione del contenuto
armonico attraverso l'uso di convertitori multilivello e interallacciati, [MI.5], e sulle eventuali
cancellazioni di armoniche che si possono ottenere pilotando opportunamente gli switching delle
valvole di potenza [MI.6].
Relativamente al tema della micro co-generazione e all’impatto nelle reti di distribuzione in BT, il
lavoro [MI.7] presenta una valutazione dell’impatto che potrebbero avere significative installazioni
di impianti di co-generazione in reti cittadine quali la rete di distribuzione elettrica di Milano.
L’articolo riguarda infatti l’installazione di un numero significativo di co-generatori da 30 kW in
una dorsale che può essere considerata tipica della rete di distribuzione milanese. L’impatto del
crescente numero di questi co-generatori, nelle diverse condizioni di esercizio, è valutato sotto
diversi punti di vista: regolazione della tensione, direzione dei flussi di potenza (in particolare,
problematiche generate dalla sua inversione), congestioni di rete, aumento della potenza di corto
circuito, aspetti regolatori. Nel lavoro, in particolare, sono approfonditi gli aspetti legati alle
variazioni rapide della tensione, delle perdite di rete e dell’inversione dei flussi di potenza. Si
presenta il modello sviluppato, a partire dai pochi dati noti legati al consumo dei diversi clienti
connessi in BT, e si affronta in modo probabilistico, tramite curve di probabilità cumulata, gli effetti
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
sopra menzionati, naturalmente dopo aver opportunamente validato il modello di rete elettrica e di
carico ad essa collegato.
I regolatori europei dell’energia (Council of European Energy Regulators, CEER) da alcuni anni
stanno dedicando attenzione e sforzi al tema del miglioramento degli standard europei di qualità
della tensione attualmente forniti dalla Norma europea EN 50160: in questo settore l’Unità di
Milano risulta particolarmente impegnata seguendo in modo attivo tutte le evoluzioni sia in ambito
nazionale che internazionale. Per quanto riguarda la EN 50160 la prima edizione è stata pubblicata
nel novembre del 1994. L’ultima versione della EN 50160, sottoposta a inchiesta pubblica nella
primavera del 2008, è descritta in [MI.8]. Essa ha ricevuto il voto positivo dei comitati nazionali
nel maggio del 2009, e dal 1° marzo 2011 deve essere implementata a livello nazionale, includendo
tutte le evoluzioni e le revisioni descritte in [MI.9]. Con riferimento, invece, ai livelli di QdS in
[MI.10] si riportano i risultati ottenuti nei diversi paesi europei. Per quanto riguarda l’Italia,
l'autorità di regolazione (AEEG) sta lavorando per l'introduzione della regolazione della qualità
della tensione. A tal fine, ha avviato una campagna di monitoraggio della qualità della tensione, e
parallelamente uno studio dei costi sostenuti dagli utenti in occasione di buchi di tensione e
interruzioni transitorie (microinterruzioni). Il lavoro [MI.11] riassume i principali risultati di queste
attività e fornisce la prova che le perdite economiche a causa delle microinterruzioni possono essere
molto importanti per numerosi settori industriali sensibili in Italia, tanto da giustificare un
intervento regolatorio. L'identificazione degli eventi gravi è condotta utilizzando la tabella di
classificazione dell’ultima versione della EN 50160.
Bibliografia
[MI.1]
D. Falabretti, V. Olivieri, “Sessione 2: Power Quality & compatibilità elettromagnetica” AEIT, vol.
96; p. 12-16, ISSN: 1825-828X, 2009.
[MI.2]
F. Amarilli, E. Arione, G. D’Antona, R. Faranda, O. Galasso, M. Signa, “EMS decentralizzato per la
gestione negoziata tra distributore e clienti domestici dell’energia elettrica”, Giornata di studio AEIT
“Sostenibilità energetica: Tecnologie e Infrastrutture. La ricerca incontra l'industria”, Catania, 27-29
settembre 2009.
[MI.3]
M. Brenna, R. Faranda, E. Tironi (2009), “A New Proposal For Power Quality And Custom Power
Improvement”, Open UPQC, IEEE Transactions On Power Delivery, (pp. 2107- 2116), 24.
[MI.4]
G. Esposito, F. Foiadelli, M. Roscia (2010), “Impact of Harmonic Filters in MV Primary Distribution
Systems”, (pp. 1- 4). In: 14th International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP),
2010. Bergamo, Italy.
[MI.5]
M. Brenna, R. Chiumeo, C. Gandolfi (2011), “Harmonic analysis: comparison between different
modulation strategies for three phase inverter connecting Distributed Generation”, (pp. 1- 6). In:
IEEE International Conference on CLEAN ELECTRICAL POWER Renewable Energy Resources
Impact ICCEP 2011. June 14th-16th, Ischia, Italy.
[MI.6]
N. Golovanov, G.C. Lazaroiu, M. Roscia, D. Zaninelli (2010), “Harmonic summation in power
systems with power electronic interfaced loads”, (pp. 1- 6). In: IEEE International Conference on
Harmonics and Quality of Power, ICHQP 2010. Bergamo, Italy.
[MI.7]
A. Berizzi, M. Baioni, C. Bovo, “Power quality impact of cogeneration modules in urban networks”.
14th ICHQP, Bergamo, Italy, 26-29 Sept. 2010, pp.1-7.
[MI.8]
M. Delfanti, C. Masetti, L. Lo Schiavo, “La revisione della Norma EN 50160”, L’Energia Elettrica,
Luglio/Agosto 2009, Numero 4, Volume 86, pp. 12-17.
[MI.9]
M. Delfanti, S. Botton, “Il processo CENELEC di revisione della norma EN 50160”, AEIT
Maggio/Giugno 2011
[MI.10]
M. Delfanti, R. Vailati, F. Villa, “Continuità e qualità della tensione nel quarto “Benchmarking
Report” dei regolatori europei”, L’Energia Elettrica, Gennaio-Febbraio 2010, Numero 1.
Pagina 22 di 30
Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
[MI.11]
M. Delfanti, E. Fumagalli, P. Garrone, L. Grilli, L. Lo Schiavo, “Toward Voltage-Quality Regulation
in Italy”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, vol. 25, no. 2, Aprile 2010, pp. 1124 –
1132.
UTILIZZAZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA
Modellistica, caratterizzazione e analisi delle performance dei dispositivi di accumulo a
supercondensatore.
Il proseguimento di una indagine di modelizazione in questo ambito ha riguardato i sistemi di
accumulo a supercondensatori. In particolare in lavoro [MI.1] descrive un nuovo modello
semplificato e una nuova procedura per l’identificazione dei parametri dei supercondensatori DLC.
In tale ambito di ricerca è stata completamente descritta e messa a punto una modellistica dei
dispositivi di accumulo a supercondensatore capace di rappresentarne le prestazioni sia in elevate
condizioni di dinamica di carica e scarica (alcune decine di millisecondi) che in lente condizioni
dinamiche tipiche dell’autoscarica (diverse settimane) [MI.2]. In particolare attraverso una
campagna di prove sperimentali condotte presso i laboratori del dipartimento di elettrotecnica del
Politecnico di Milano è stata analizzata la risposta in frequenza di tali sistemi di accumulo nel range
di frequenze 0.001 1000 Hz e il comportamento a circuito aperto. L’attività sperimentale è stata di
rilevante supporto per la definizione di una procedura di identificazione dei parametri del modello
di supercondensatore il cui grado di complessità è scelto a priori a seconda del grado di accuratezza
voluto nella rappresentazione della dinamica del dispositivo stesso descritto nel lavoro [MI.3].
Parallelamente attraverso la partecipazione del centro di ricerca ENEA (Casaccia) si sono eseguite
delle prove sperimentali di carica e scarica in diverse condizioni dinamiche su moduli
supercondensatori da 125V di tensione nominale e 63F di capacità. L’attività sperimentale ha avuto
da un lato lo scopo di validare il modello sia sotto il profilo della dinamica che dell’efficienza
simulata e dall’altro di analizzare le performance di tali dispositivi di accumulo se confrontate con
le performance di accumuli elettrochimici litio polimero. In particolare le performance delle batterie
Litio polimeri sono state analizzate in attività precedenti da parte del Prof. Massimo Ceraolo
(Dipartimento di Ingegneria dell’Energia e dei Sistemi, Università degli Studi di Pisa) [MI.4].
Bibliografia
[MI.1]
R. Faranda, “A new parameters identification procedure for simplified Double Layer Capacitor twobranch model”, Elsevier Electric Power Systems Research, Volume 80, Issue 4, April 2010, Pages
363-371, ISSN: 0378-7796.
[MI.2]
V. Musolino, L. Piegari, E. Tironi, “A new full frequency range supercapacitor model with a easy
identification procedure”, Sottomesso ad Agosto 2010 alla rivista Transactions on Industrial
Electronics, pubblicata da IEEE Power electronics society.
[MI.3]
R. Faranda, S. Leva, V. Musolino, L. Piegari, “Electrical modeling of double layer capacitor”,
capitolo di un Ebook intitolato “Energy Storage”, Editore Nova 2011 ISBN: 978-1-61324-814-0.
[MI.4]
V. Musolino, E. Tironi, “A comparison of supercapacitor and high-power lithium batteries”, IEEE
Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion (ESARS), Bologna, 19–21 ottobre 2010,
pp. 1–6, ISBN: 978-1-4244-9092-9.
Criteri di dimensionamento su basi stocastiche di sistemi di accumulo a supercondensatori in
azionamenti industriali atti al recupero energetico: valutazioni tecnico-economiche
In [MI.1] è stata definita una formalizzazione di tipo probabilistico del problema del
dimensionamento di sistemi di accumulo centralizzati associati a numerosi azionamenti identici con
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
frenatura a recupero energetico. Si è analizzato in particolare il caso in cui l’energia scambiata da
ciascun azionamento segue ripetutamente un ciclo fissato, ma in modo sfasato e casuale rispetto agli
altri azionamenti, cosicché l’energia recuperata accumulabile in un ciclo diviene una variabile
aleatoria.
Il dimensionamento prevede la minimizzazione di una funzione costo formata da una parte costante
e da una parte aleatoria: la parte costante contiene i costi relativi al contratto di fornitura
dell’energia e ai componenti costituenti il sistema di accumulo e conversione; la parte aleatoria
consiste nel valore dell’energia recuperata durante la vita utile del sistema di accumulo.
Dopo una formalizzazione matematica del problema, l’analisi è stata condotta attraverso delle
simulazioni con il metodo Monte Carlo.
L’attività, parzialmente finanziata attraverso un contratto con il centro di ricerca ENEA (Casaccia),
ha visto una attiva partecipazione del Dott. Antonio Pievatolo del centro ricerca CNR-IMATI
(Milano).
Bibliografia
[MI.1]
V. Musolino, A. Pievatolo, E. Tironi, “A statistical approach to electrical storage sizing with
application to the recovery of braking energy”, sottomesso a dicembre 2010 alla rivista “Energy”,
pubblicata da IEEE Elsevier.
Criteri metodologici d’integrazione, controllo e dimensionamento di diverse sorgenti di accumulo
in azionamenti elettrici e reti in corrente continua al fine di innalzare la qualità e ottimizzare
l’efficienza energetica
In tale ambito si è proceduto alla definizione, messa a punto e sperimentazione di logiche di
controllo di convertitori di interfaccia tra diversi sistemi di accumulo al fine di realizzare una
corretta ripartizione dei flussi di potenza tra le sorgenti di accumulo stesse.
Tali logiche sono state sviluppate prendendo in considerazione:
 la funzione obbiettivo da minimizzare (es. fluttuazioni di potenza sul DC-bus di
collegamento);
 le caratteristiche dinamiche e statiche dei dispositivi di accumulo connessi;
 il livello di energia accumulato nelle diverse sorgenti.
Tale attività, sulla base di un contratto con l’azienda Dimac Red s.r.l., ha visto coinvolto il
Dipartimento di Elettrotecnica nella prototipazione di un convertitore DC-DC bidirezionale per
supercondensatori. L’attività ha visto lo sviluppo di un prototipo convertitore DC-DC bidirezionale
(potenza nominale pari a 7 kW e corrente nominale 150 A) per l’accoppiamento del sistema di
accumulo a supercondensatori al sistema di accumulo al elettrochimico al piombo-acido.
L’accumulo al piombo (48 V e 600 Ah) costituisce la sorgente di energia di un muletto puramente
elettrico con portata 3 tonnellate per la movimentazione industriale.
Il sistema di conversione realizzato e, in particolare la logica di controllo implementata, permette di
realizzare la funzione di peak shaving della potenza prelevata dalla batteria che beneficia di un
incremento dell’autonomia in termini temporali ad ogni singolo ciclo di scarica di circa il 35%
[MI.1].
Parallelamente a tale attività è stato definito anche un diverso criterio per la determinazione della
ripartizione della potenza fornita e richiesta a e da diversi sistemi di accumulo. I sistemi di
accumulo considerati sono supercondesatori e batterie al piombo [MI.2]. A partire dai modelli dei
due sistemi di accumulo è stata scritta la funzione delle perdite e si è trovata la legge di controllo
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
(ovvero la ripartizione di potenza tra i due sistemi) in grado di minimizzare le perdite del sistema
considerato (un bus in corrente continua a cui si interfacciano a) i due sistemi di accumulo; b) un
carico attivo; c) un’interconnessione con una rete in corrente alternata. È stata prevista anche
un’azione compensativa dello stato di carica dei supercondensatori (sistemi di accumulo ad alta
densità di potenza ma bassa densità di energia) in modo che possano sempre avere una carica
sufficiente per rispondere a richieste di carico impulsive. Il sistema di controllo è stato simulato
utilizzando come profilo di carico attivo tre cicli standard di veicolo elettrico: a) ciclo New
European Driving Cycle; b) USA Highway Fuel Economy e c) USA Federal Test Procedure 72. La
strategia di controllo è stata confrontata con un metodo empirico che prevede una ripartizione fissa
di potenza tra supercondesatori e batterie per l’intera durata di ogni ciclo (per esempio 20%
supercondensatori e 80% batterie). Tale ripartizione fissa è stata fatta variare in modo da poter
ottenere tutte le combinazioni di ripartizione. La strategia di controllo proposta effettua una
minimizzazione delle perdite globali in tempo reale, modificando istante per istante la ripartizione
tra i due sistemi di accumulo. Questo significa che, nell’ipotesi di conoscere a priori il ciclo imposto
dal carico e dato che le perdite sono in parte funzione dello stato di carica dei dispositivi di
accumulo, si potrebbe in linea teorica trovare un valore di ripartizione fissa delle potenze tale da
ottenere perdite complessive minori rispetto a quelle ottenute con la strategia proposta. Tuttavia la
mancanza di conoscenza preliminare dei profili di potenza scambiata con i sistemi di accumulo non
consente di determinare a priori il valore costante e ottimale della ripartizione della potenza. Per tale
motivo la strategia di controllo proposta permette in pratica di ottenere valori di perdite inferiori, o
di poco superiori, alle perdite ottenute con il metodo a ripartizione fissa adottando il valore ottimale
(non noto) per il ciclo considerato.
Bibliografia
[MI.1]
S. Grillo, V. Musolino, L. Piegari, E. Tironi, “A control strategy to split the power request between
two different storage units connected on a DC network”, Powertech, Trondheim, 19–23 giugno 2011.
[MI.2]
S. Grillo, L. Martini, V. Musolino, L. Piegari, E. Tironi, C. Tornelli, “Management of different energy
storage devices using a losses minimization algorithm”, International Conference on Clean Electrical
Power 2011. Renewable Energy Resources Impact, 14–16 giugno 2011, Ischia.
Sistemi Elettrici per i Trasporti
Nel campo dei sistemi elettrici per i trasporti ferroviari e metropolitani, l'Unità di Milano ha svolto e
continuato le ricerche in diverse macroaree.
Il gruppo ha proseguito la sua ricerca sugli aspetti di Power Quality nei sistemi di trasporto, con
particolare riguardo alle nuove linee ad Alta Velocità/Alta Capacità. Infatti, l'interazione tra i treni,
modellizzati attraverso il convertitore a quattro quadranti di ingresso, e le nuove linee 2x25 kV ca
50 Hz, contraddistinte da nuovi schemi di distribuzione e apparati lungo linea atti a garantire
l'interoperabilità europea della circolazione ferroviaria, ha portato alla nascita di problematiche di
compatibilità dei diversi sistemi nuove per il mondo ferroviario, [MI.1], [MI.2], [MI.3]. Le ricerche
condotte hanno avuto lo scopo di evidenziare gli elementi più critici dell'intero sistema e i parametri
su cui agire per tenere sotto controllo tali problematiche. Inoltre si è considerato il problema delle
interferenze con le linee esistenti a 3 kVcc, [MI.4], [MI.5].
Accanto agli aspetti di Power Quality il gruppo ha avviato una nuova attività di modellizzazione
degli impianti fissi per la Trazione Elettrica per le diverse tipologie di trasporto. In particolare è
stato modellizzato il comportamento elettromagnetico delle linee ferroviarie Alta Velocità/Alta
Capacità in funzione di diversi parametri costruttivi [MI.6], l'andamento dei campi elettromagnetici
nelle strutture delle linee metropolitane dovute alle correnti disperse [MI.7] e i sistemi di
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
monitoraggio delle infrastrutture ferroviarie attraverso l'impiego di sensori ottici per evitare
problemi di interferenze elettromagnetiche con i sistemi di segnalamento [MI.8].
Il tema degli impianti fissi è stato studiato anche dal punto di vista dell'automazione delle
sottostazioni elettriche di alimentazione resa possibile dall'applicazione delle nuove tecnologie
[MI.9].
Dal punto di vista del veicolo l'Unità di Milano ha proseguito le ricerche sulla modellizzazione e
sulla caratterizzazione dei parametri di controllo che influenzano la stabilità dei convertitori di
ingresso in trazione e frenatura [MI.10], [MI.11] e sull'inquinamento armonico provocato
dall'assorbimento di corrente da parte dei mezzi di trazione [MI.12].
Le ricerche del gruppo nel settore dei sistemi elettrici per i trasporti hanno poi considerato gli
aspetti energetici relativi alla mobilità. In questo ambito, particolare rilevanza rivestono i sistemi
integrati per la mobilità che considerano sistemi intermodali basati sull'uso sia di mezzi pubblici
tradizionali a guida vincolata, come tram, metropolitane e ferrovie regionali e suburbane, sia di
mezzi pubblici e privati come automobili e bus elettrici. Per questi ultimi è molto importante
l'analisi energetica e l'interazione con la rete elettrica per la ricarica dei sistemi di accumulo che può
avvenire anche sfruttando l'energia di frenatura di tram e metropolitane [MI.13], [MI.14], [MI.15].
Rimane ancora in fase di studio la problematica del recupero dell'energia di frenatura nei sistemi
ferroviari regionali che deve considerare l'uso di supercondensatori [MI.16].
Bibliografia
[MI.1]
Brenna M., Foiadelli F., Zaninelli D. (2010), “Electromagnetic Model of High Speed Railway Lines
for Power Quality Studies”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS, (pp. 1301- 1308 ), 25.
[MI.2]
M. Brenna, A. Capasso, M. C. Falvo, F. Foiadelli, R. Lamedica, D. Zaninelli (In Corso Di Stampa),
“Investigation Of Resonance Phenomena In High Speed Railway Supply Systems: Theoretical And
Experimental Analysis”, Electric Power Systems Research.
[MI.3]
M. Brenna, F. Foiadelli, D. Zaninelli (2009), “Sistemi ferroviari alta velocità/alta capacità: analisi di
Power Quality”, AEIT, (pp. 36- 44), 96.
[MI.4]
M. Brenna, F. Foiadelli, D. Zaninelli (2011), “The Compatibility between DC and AC Supply of the
Italian Railway System”, (pp. 1- 7). In: IEEE PES 2011 General Meeting. 24-28 July 2011, Detroit,
MI USA.
[MI.5]
M. Brenna, F. Foiadelli, M. Roscia, D. Zaninelli (2009), “Evaluation of the Interferences in the
Interconnection Point between 2x25kVAC High-Speed Railway Lines and 3kVDC Regional System”,
(pp. 1- 6). In: Electrical Power Quality and Utilisation EPQU 2009. 15-17 September 2009, Lodz,
Poland.
[MI.6]
M. Brenna, F. Foiadelli (2010), “Sensitivity Analysis of the Constructive Parameters for the 2 X 25-kV
High-Speed Railway Lines Planning”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, (pp.
1923- 1931), 25.
[MI.7]
M. Brenna, A. Dolara, S. Leva, D. Zaninelli (2010), “Effects of the DC stray currents on subway
tunnel structures evaluated by FEM analysis”, (pp. 1- 7). In: Power and Energy Society General
Meeting, 2010 IEEE . Minneapolis, USA.
[MI.8]
M. Brenna, F. Foiadelli, S. Vaccarini, “La sicurezza dell'esercizio ferroviario attraverso il
monitoraggio continuo dell'infrastruttura mediante l'impiego dei sensori ottici”, (pp. 1-8) In:
Sicurezza ed Esercizio Ferroviario: Innovazione e Nuove Sfide nei Sistemi Ferroviari. 18 febbraio
2011, Roma, Italy.
[MI.9]
M. Brenna, F. M. Casiraghi, P. Lanzavecchia (2009), “Evoluzione delle sottostazioni elettriche
ferroviarie”, TECNICA PROFESSIONALE, (pp. 17- 28), 11.
[MI.10]
M. Brenna, F. Foiadelli, D. Zaninelli (2011), “New Stability Analysis for Tuning PI Controller of
Power Converters in Railway Application”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL
ELECTRONICS, (pp. 533- 543), 58.
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
[MI.11]
M. Brenna, F. Foiadelli, D. Zaninelli (2011). The Influence of Controller Parameters on the Quality of
the Train Converter Current. ADVANCES IN POWER ELECTRONICS, (pp. 1- 10), 2011.
[MI.12]
M. Brenna, F. Foiadelli, M. Roscia, D. Zaninelli (2009), “Current Distortion Evaluation in Traction
4Q Constant Switching Frequency Converters”, JOURNAL OF ELECTROMAGNETIC ANALYSIS
AND APPLICATIONS, (pp. 129- 137).
[MI.13]
Falvo M.C., Foiadelli F. (2010), “Preliminary analysis for the design of an energy-efficient and
environmental sustainable integrated mobility system”, (pp. 1- 7). In: Power and Energy Society
General Meeting, 2010 IEEE. Minneapolis, USA.
[MI.14]
M. Brenna, R. Faranda, F. Foiadelli, E. Tironi, C. Tornelli (2010), “Gestione del carico veicolo
elettrico con possibilità di fornitura di energia alla rete di distribuzione. Necessità di armonizzazione
degli standard di comunicazione per i veicoli elettrici”, (pp. 177- 200). In: AEIT Giornata di Studio Impatto dell'auto elettrica sulla rete di Distribuzione. 29/11/2010, Milano, Italy.
[MI.15]
M. Brenna, M. C. Falvo, F. Foiadelli, D. Poli, “Risparmio Energetico e Contenimento delle Emissioni
in un Sistema di Trasporto Urbano Integrato”, (pp. 1- 5). In: Convegno Nazionale AEIT, 27-29
Settembre 2009, Catania, Italy.
[MI.16]
M. Barra Caracciolo, M. Berrera, M. Brenna, D. Zaninelli (2009), “Prospettive per il risparmio
energetico nei sistemi di trasporto suburbano e regionale”, (pp. 305- 313). In: SICUREZZA ED
ESERCIZIO FERROVIARIO: SVILUPPI ATTUALI E PROSPETTIVE DELLA RICERCA. 20
marzo 2009, Roma, Italy.
Controllo di forni ad arco
L'assorbimento distorto dei forni ad arco è uno dei problemi principali che le reti di distribuzione
AT e MT devono sostenere senza causare disturbi alle altre utenze. In questo campo trovano sempre
più spazio forni ad arco basati sull'uso della corrente continua che permette tra l'altro un migliore
bilanciamento delle correnti tra le fasi. La modellizzazione e le proposte per il controllo dei forni
sono state affrontate dall'Unità di Milano e riportate nelle pubblicazioni [MI.1], [MI.2] e [MI.3].
Bibliografia
[MI.1]
G.C. Lazaroiu, D. Zaninelli (2010), “DC Arc furnace modelling for power quality analysis”,
SCIENTIFIC BULLETIN - "POLITEHNICA" UNIVERSITY OF BUCHAREST. SERIES C,
ELECTRICAL ENGINEERING, (pp. 1- 6), 1.
[MI.2]
G. C. Lazaroiu, D. Zaninelli (2010), “A control system for dc arc furnaces for power quality
improvements”, ELECTRIC POWER SYSTEMS RESEARCH, (pp. 1498- 1505), Vol 80.
[MI.3]
C. Lazaroiu, D. Zaninelli (2009), “DC Arc furnace modelling for power quality analysis”, (pp. 1- 6).
In: International Conference Energy-Environment. November 12 -13, Bucharest, Romania.
Prototipi per la SmartHouse
L’Unità di Milano, all’interno di un progetto di ricerca congiunto con il Dipartimento di Elettronica
ed Informazione denominato ElectrICT, si è posta l’obiettivo di incrementare l’integrazione nel
sistema elettrico degli utenti domestici, così da renderli parte attiva delle future Smart Grid. Nel
progetto sono state valutate le opportunità offerte dall’unione tra le reti elettriche di potenza e le
tecnologie dell’informazione, identificate dall’acronimo ICT, con lo scopo di realizzare un
prototipo di infrastruttura hardware e software capace di fornire strumenti innovativi agli utenti del
sistema elettrico [MI.1] [MI.2].
BeeProject, evoluzione naturale del progetto ElectrICT, frutto anch’esso di una collaborazione tra
l’Unità di Milano e il Dipartimento di Elettronica ed Informazione, mira a fornire all’utente
domestico gli stessi servizi messi a disposizione dal progetto precedente, ponendosi però al
contempo l’obiettivo di non richiedere agli utenti di intervenire attivamente nel processo decisionale
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
(a meno che essi esplicitamente lo desiderino) e di non gravare quindi in alcun modo sulle loro
attività [MI.3]. Scopo ultimo del BeeProject è lo sviluppo di un prototipo di sistema aperto,
rappresentativo di possibili practice per la realizzazione di futuri sistemi commerciali.
Il nucleo dell’infrastruttura proposta nel BeeProject è il BeeBox: un’unità di elaborazione e
comunicazione atta a gestire e ottimizzare tutti i processi rilevanti nell’ambito dell’utenza
domestica; entro il BeeBox risiedono il motore di ottimizzazione e gli algoritmi di controllo. Il
BeeBox acquisisce e rielabora tutti i dati raccolti dai sensori nell’ambiente-casa. Esso ha inoltre il
compito di scambiare informazioni con i diversi soggetti del sistema elettrico, quali altri utenti, il
fornitore di energia, il DSO e il mercato dell’energia. Il principale scopo di tale nucleo di
ottimizzazione è la gestione dei prelievi delle apparecchiature domestiche e delle iniezioni dei
generatori (fotovoltaico, micro-cogenerazione, ecc.), al fine di consentire una programmazione exante del profilo di scambio della singola utenza, programmazione che verrà resa disponibile al
gestore della rete e del mercato elettrico.
La scelta della programmazione ottimale è compiuta direttamente dal BeeBox sulla base delle
informazioni relative al sistema elettrico (costo dell’energia, particolari servizi richiesti dal DSO,
ecc.), ai consumi stimati/programmati e alle condizioni meteorologiche previste (condizione meteo
correlabili sia ai consumi dell’utente sia alla produzione da micro-generazione da FER).
Basandosi su tutte le informazioni raccolte informazioni, il nucleo di ottimizzazione pianifica le
attività dei carichi, dei generatori e degli eventuali accumulatori, decidendo quando ogni attività
richiesta dall’utente debba essere svolta e quando attivare la fase di carica/scarica delle batterie
eventualmente presenti nell’ambiente-casa, in modo da soddisfare le richieste dell’utente
massimizzando l’efficienza e la qualità del servizio [MI.4].
Bibliografia
[MI.1]
A. Capone, G. Carello, M. Delfanti, M. Merlo, “'ElectrICT: dall'interruttore domestico alle Smart
Grid”, AEIT, 97, 2010, 42-49.
[MI.2]
A. Capone, G. Carello, M. Merlo, “ElectrICT: low voltage loads and generators coordination towards
the SmartGrid paradigm”, ICHQP 2010, Bergamo, Italia, 26-29 settembre 2010.
[MI.3]
A. Barbato, A. Capone, G. Carello, G. Carpentieri, M. Delfanti, D. Falabretti, M. Merlo, “BeeBox:
prototipo per le Smart House”, Convegno nazionale AEIT 2011, 27-29 giugno 2011, Milano.
[MI.4]
A. Barbato, A. Capone, G. Carello, M. Delfanti, M. Merlo, A. Zaminga, “Cooperative and NonCooperative House Energy Optimization in a Smart Grid Perspective”, SustaInet, Lucca, Italia,
giugno 2011.
Applicazioni elettriche e magnetiche, modellizzazione
L'attività dei precedenti anni è proseguita in questo biennio con nuovi spunti innovativi sempre
prevalentemente in ambito industriale. L'attività è documentata dal brevetto internazionale seguente
[MI.1].
Bibliografia
[MI.1]
R. Faranda, M. Cardone, G. Cosmai, A. Giglio, G. Magalini, “Magnetic apparatus for holding
ferromagnetic pieces”, Internazionale – domanda di Brevetto per invenzione n. PCT/IT2009/000190,
a nome Politecnico di Milano e Tecnomagnete S.p.A., 29 aprile 2009.
Razionalizzazione degli usi finali dell'energia e tecniche di risparmio energetico
L'attività di ricerca dell'Unità di Milano in questo ambito si è ripartita in diversi temi. In particolare
sono stati analizzati gli assorbimenti delle apparecchiature illuminotecniche al fine della power
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
quality [MI.1]. L’uso razionale dell’energia elettrica per l’illuminazione è stato analizzato
considerando le moderne tecnologie negli impianti di illuminazione che al posto di soluzioni
tradizionali fanno uso di dispositivi a LED [MI.2], [MI.3]. Inoltre è stato depositato un brevetto per
migliorare la temperatura di giunzione dei LED al fine di aumentarne la vita utile oppure la quantità
di flusso luminoso [MI.4].
L’Unità di Milano ha collaborato con l’Unità di Genova, coordinatore e partner di un progetto
attivato presso il Parco Scientifico Tecnologico della Liguria relativo alla realizzazione di sistemi
per l’Energy Management e il risparmio energetico. Il lavoro [MI.5] riporta l’attività volta alla
definizione dei requisiti hardware e software per lo sviluppo di un prototipo di piattaforma
microgrid su siti già esistenti in grado di gestire le risorse di produzione di energia. Il lavoro
descrive una architettura sviluppata per integrare gli strumenti software esistenti per il monitoraggio
ed il controllo del carico in tempo reale e per la gestione delle risorse di generazione. Il sistema
acquisisce i dati da campo e memorizza le informazioni su un server, dal quale uno strumento di
ottimizzazione recupera i dati al fine di eseguire i suoi calcoli e fornire i set point ottimali ai
generatori programmabili. Sono riportati i risultati sulla sperimentazione presso siti di prova con
diverse unità di generazione, quali la cogenerazione di calore ed elettricità (CHP) e/o generatori
rinnovabili dotati di uno strumento di monitoraggio in tempo reale.
L’Unità di Milano, prendendo spunto dalle esperienze di diversi Paesi europei, ha effettuato uno
studio sulla possibilità di modificare la disciplina relativa alla valorizzazione dell’energia reattiva,
nell’ottica di addivenire ad una riduzione delle perdite sulle reti con obbligo di connessione di terzi,
con un impatto positivo sulla bolletta energetica nazional (fatto rilevante anche in considerazione
dell’elevato costo che l’energia elettrica ha nel nostro Paese). Nel lavoro descritto in [MI.6] è stata
effettuata un’analisi costi/benefici relativa ad una diversa regolazione dei valori limite di potenza
reattiva prelevata dai carichi MT e BT (cosφ compreso tra 0,9 e 0,95) di un campione esteso, pari al
10%, dell’intera rete MT di distribuzione nazionale.
Valutazioni semplificate, riferite ai miglioramenti in efficienza energetica conseguibili da parte
degli utenti finali nel contesto nazionale, sono riportate in [MI.7] che, oltre ad elencare i principali
incentivi statali per l’acquisto e l’installazione di apparecchiature ad alta efficienza energetica,
effettua una stima di massima dei risparmi conseguibili con alcuni specifici interventi.
Bibliografia
[MI.1]
A. Dolara, R. Faranda,S. Guzzetti and S. Leva, “Power Quality in Public Lighting Systems”, Proc.
IEEE 14th International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), Bergamo, Italy,
26-29 settembre 2010, pp.7.
[MI.2]
R. Faranda, S. Guzzetti, S. Leva, “La virtuosa applicazione dei LED”, L’impianto elettrico, febbraio
2010, pp.44-49 – ISSN: 0394-5634.
[MI.3]
R. Faranda, S. Guzzetti, S. Leva, “Design and Technology for Efficient Lighting System, Paths to
Sustainable Energy”, Edited by Jatin Nathwani and Arti e W. Ng, InTech Publication, chapter 29,
Dicembre
2010,
pp.
597-620,
ISBN:
978-953-307-401-6,
Available
from:
http://www.intechopen.com/articles/show/title/design-and-technology-for-efficient-lighting.
[MI.4]
G. Carcangiu, R. Faranda, S. Leva, M. Sardo, “Sorgente luminosa a LED”, Internazionale – domanda
di Brevetto per invenzione n. PCT/IB2009/007518, a nome Politecnico di Milano e Soltechna S.r.l.,
19 novembre 2009. Estensione internazionale di [B.16]
[MI.5]
S. Bertolini, G. Giacomini, S. Grillo, S. Massucco, F. Silvestro, “Coordinated micro-generation and
load management for energy saving policies”, Innovative Smart Grid Technologies Conference
Europe (ISGT Europe), 11 –13 ottobre 2010, Gothenburg, Svezia, pp. 1–7, ISBN: 978-1-4244-8510-9,
doi: 10.1109/ISGTEUROPE.2010.5638953.
[MI.6]
M. Delfanti, D. Falabretti, M. Merlo, V. Olivieri, M. Gallanti, “Effetto del rifasamento sulle perdite
nella rete elettrica MT”, Energia Elettrica, Novembre-Dicembre 2009, Numero 6.
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Attività di Ricerca 2009-2011 – Politecnico di Milano
[MI.7]
M. Delfanti, G. Invernizzi, “Risparmiare Energia elettrica”, Tuttonormel, Gennaio 2010, pp. 3-11.
Monitoraggio e analisi delle performance di sistemi PV
L’attività dell’unità di Milano ha proposto una analisi dettagliata del comportamento termico di
diverse tipologie di pannelli fotovoltaici con l’obiettivo di confrontare i comportamenti termici a
regime, per differenti e prefissate condizioni di irraggiamento e temperatura ambientale. In
particolare vengono eseguiti diversi confronti tra dei pannelli tradizionali, dei pannelli integrabili
architettonicamente e dei pannelli solari di ultima generazione tutti realizzati con celle solari
policristalline. L’analisi delle prestazioni e delle caratteristiche di funzionamento di ciascuna
tipologia di pannello fotovoltaico sono state svolte sviluppando i modelli termici degli stessi
attraverso l’analisi delle reti termiche equivalenti, utilizzando come principali parametri di merito la
trasmittanza termica e la temperatura di funzionamento delle celle [MI.1], [MI.2] e [MI.3].
E’ stato anche analizzata e monitorata la performance di alcuni impianti PV e la descrizione degli
indici utilizzati per l’analisi e i risultati ottenuti sono riassunti nel lavoro [MI.4].
Bibliografia
[MI.1]
[MI.2]
[MI.3]
[MI.4]
C. Dainese, R. Faranda, S. Leva, “Thermal analysis for different types of PV panels”, Proc. EuroPES
2009, IASTED International Association of Science and Technology for Development, Palma de
Mallorca, Spagna, 7-9 settembre 2009.
R. Faranda, S. Leva, “Confronto termico tra differenti tipologie di pannelli fotovoltaici”, Giornata di
studio AEIT “Sostenibilità energetica: Tecnologie e Infrastrutture. La ricerca incontra l'industria”,
Catania, 27-29 settembre 2009.
R. Faranda, S. Leva, “Analisi termica di pannelli fotovoltaici”, AEIT vol. 96, novembre 2009, pag.
40-47, ISSN: 1825-828X.
F. degli Uberti, R. Faranda, S. Leva, E. Ogliari, “Performance Ratio di un impianto fotovoltaico:
confronto tra differenti tecnologie”, AEIT vol. 1-2, gennaio/febbraio 2011, pag. 6-13, ISSN: 1825828X.
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