Relazione QUAIA

Qualità del servizio: situazione
attuale e possibili approcci per
la mitigazione dei disturbi
Relatore: Prof. Ing. Stefano Quaia
Dipartimento di Ingegneria e
Architettura – DIA
Università di Trieste
1. L’attuale situazione in Italia
Energy Day - 19 aprile 2011 - Maranello
La qualità del servizio elettrico (Power Quality)
Continuità del
servizio elettrico
Qualità del
servizio elettrico
Qualità della
tensione (QT)
- interruzioni accidentali lunghe e brevi
- Interruzioni con
preavviso
- buchi di tensione
- interruzioni transitorie
- sovratensioni
- flicker
- armoniche
- variazioni lente
Qualità
commerciale
Qualità dei
servizi telefonici
Prof. Stefano Quaia
– Qualità del servizio
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1. L’attuale situazione in Italia - Normativa
Riferimento normativo: CEI EN 50160:
Voltage characteristics of electricity supplied by public electricity networks
In Italia: norma tecnica CEI EN 50160: 2011-05: Caratteristiche della
tensione fornita dalle reti pubbliche di distribuzione dell’energia elettrica.
Ambito di applicazione: reti BT, MT e AT.
La CEI EN 50160 definisce, descrive e specifica le principali caratteristiche
della tensione ai terminali di alimentazione degli utenti delle reti pubbliche di
distribuzione di energia elettrica BT, MT e AT in corrente alternata, in
condizioni di esercizio normale.
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1. L’attuale situazione in Italia - Normativa
La CEI EN 50160 distingue tra:
– fenomeni continui: le deviazioni dal valore nominale che si verificano in
modo continuo. Si producono principalmente a causa delle variazioni di carico o
dei carichi non lineari;
– eventi di tensione: le deviazioni improvvise e significative dalla forma d’onda
normale. Si producono a causa di eventi imprevedibili (per esempio guasti) o di
fattori esterni (ad esempio condizioni climatiche, azioni di terze parti).
Fenomeni continui:
variazioni della frequenza e della tensione di alimentazione, variazioni rapide
della tensione, squilibrio della tensione di alimentazione, tensioni armoniche,
tensioni interarmoniche, tensioni di trasmissione di segnali sulla rete di
alimentazione.
Eventi di tensione:
- interruzioni della tensione di alimentazione
- buchi di tensione
- sovratensioni transitorie.
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1. L’attuale situazione in Italia - Interruzioni
Interruzione dell’alimentazione: tensione ai terminali di fornitura inferiore al
5% del valore nominale (nei sistemi polifase, ciò deve valere per tutte le fasi,
altrimenti si tratta di un buco di tensione).
Classificazione delle interruzioni dell’alimentazione:
- programmate, quando gli utenti sono precedentemente avvertiti;
- accidentali, causate da guasti transitori o permanenti, principalmente legati ad
eventi esterni, a guasti di apparecchiature o a interferenze di terzi.
Le interruzioni programmate sono tipicamente dovute all’esecuzione di lavori
programmati sulla rete elettrica. Gli effetti di un’interruzione programmata
possono essere minimizzati dagli utenti mediante provvedimenti appropriati.
Le interruzioni accidentali sono eventi imprevedibili e largamente casuali.
Un’interruzione accidentale è classificata come:
1) interruzione lunga (maggiore di 3 minuti);
2) interruzione breve (da 1 secondo a 3 minuti);
3) si parla anche di interruzioni transitorie (fino a 1 secondo).
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1. L’attuale situazione in Italia - Interruzioni
Dati sulle interruzioni viste dagli utenti di MT (per l’Italia) - da AEEG.
Considerato che i DSO sono obbligati a registrare tutte le interruzioni sulla base dei
dati ricavati dai sistemi SCADA, questi dati rappresentano in modo esaustivo i livelli
di continuità del servizio per l’intero territorio nazionale.
Percentuali di utenti MT in relazione alle interruzioni (accidentali) lunghe + brevi
di responsabilità delle imprese distributrici e imprese interconnesse – anno 2009
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 12 14 16 18
AC
Italia
28
50
64
73
80
85
88
90
92
93
94
96
97
97
98
MC
Italia
21
40
53
63
70
75
79
82
85
86
88
90
92
93
94
BC
Italia
15
31
44
55
64
70
75
79
82
85
87
90
92
93
95
Distribuzione percentuale di utenti MT in relazione al numero di interruzioni
transitorie per ambiti territoriali – anno 2009
0
3
6
9
12 15 18 21 24 27 30 45 60 75 90
AC
Italia
66
84
89
92
93
95
96
96
97
97
98
99
99
100 100
MC
Italia
27
60
72
78
83
86
88
90
92
93
94
96
98
99
99
BC
Italia
20
51
65
74
79
84
87
89
91
92
94
97
98
99
99
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1. L’attuale situazione in Italia - Interruzioni
I precedenti dati mostrano che il numero annuo di interruzioni lunghe + brevi
per almeno la metà degli utenti MT è decisamente basso:
1 in AC
2 in MC
3 in BC
Se però si considerano gli utenti peggio serviti, per WSC 95% in MC e BC si
possono attendere almeno 18 interruzioni lunghe + brevi all’anno.
Analogamente per le interruzioni transitorie: il numero annuo è 3 per oltre
metà degli utenti MT, ma diventa maggiore di 30 se si considerano i WSC 95%
- cioè il 5% degli utenti peggio serviti - in MC e BC.
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1. L’attuale situazione in Italia – Buchi di tensione
Buco di tensione: riduzione temporanea della tensione efficace in un punto nel sistema
di alimentazione elettrica sotto una soglia specificata (90% della tensione nominale).
Caratterizzazione: ai fini della EN 50160, un buco di tensione è un disturbo a due
dimensioni, la cui severità è determinata sia dalla tensione (ampiezza residua o
profondità) sia dal tempo (durata).
Al fine di preparare la strada per un’eventuale futura regolazione della qualità della
tensione (mentre relativamente alle interruzioni – continuità dell’alimentazione –
esistono regolazioni già da anni in Italia ed in altri Paesi), l’ultima edizione (2010) della
EN 50160 introduce la classificazione dei bdt per severità, coerente con i livelli di
prova previsti dalle norme dei prodotti.
E’ infatti utile descrivere le caratteristiche della tensione fornita dalla rete per mezzo
degli stessi parametri usati per testare le apparecchiature (standard di prodotto).
In particolare la norma prende come riferimento i livelli di prova relativi alle classi di
prodotto 2 e 3, definite nelle:
- EN 61000-4-11 (2004): Compatibilità elettromagnetica (EMC) - Parte 4-11: Tecniche di prova e
di misura - Prove di immunità a buchi di tensione, brevi interruzioni e variazioni di tensione.
- EN 61000-4-34 (2005): Compatibilità elettromagnetica (EMC) - Parte 4-34: Tecniche di prova e
di misura - Prove di immunità ai buchi di tensione e alle variazioni di tensione per le apparecchiature con corrente di ingresso superiore a 16 A per fase.
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1. L’attuale situazione in Italia – Buchi di tensione
Questi livelli di prova configurano curve di immunità a gradini:
Tabella per la classificazione dei bdt, con evidenza cromatica degli eventi a cui sono
immuni le apparecchiature in classe 2 (celle blu) e in classe 3 (azzurre + blu)
Tensione
Residua
Durata
20 - 200[ms]
200 - 500[ms]
0.5 - 1[s]
1 - 5[s]
5 - 60[s]
80 – 90 [%]
70 – 80 [%]
40 – 70 [%]
5 – 40 [%]
0 – 5 [%]
Per una data classe di apparecchiature, le celle al di sopra delle relative curve
rappresentano l’area di immunità ai buchi di tensione.
Nelle celle va inserito il numero di eventi in un dato periodo di registrazione.
Le registrazioni del triennio 2010-12 (dati forniti da QUEEN, il sistema di monitoraggio
esteso a livello di reti MT sul territorio italiano che usa 400 dispositivi registratori installati
sul 10% circa delle semisbarre MT di cabina primaria della rete italiana) forniscono 
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1. L’attuale situazione in Italia – Buchi di tensione
Numero medio annuo di buchi di tensione (MT) per punto di misura equivalente
Tensione
Residua
80 – 90 [%]
70 – 80 [%]
40 – 70 [%]
5 – 40 [%]
0 – 5 [%]
Durata
20 - 200[ms]
33.5
14.9
20.4
7.2
0.1
200 - 500[ms]
7.1
4.1
5.1
1.6
0.0
0.5 - 1[s]
1.5
0.5
0.4
0.2
0.0
1 - 5[s]
0.7
0.1
0.1
0.0
0.0
5 - 60[s]
0.2
0.0
0.0
0.0
0.0
Numero annuo di buchi di tensione (MT) al 95° percentile
Tensione
Residua
Durata
20 - 200[ms]
200 - 500[ms]
0.5 - 1[s]
1 - 5[s]
5 - 60[s]
80 – 90 [%]
89
28
5
2
0
70 – 80 [%]
44
19
2
0
0
40 – 70 [%]
63
22
2
1
0
5 – 40 [%]
25
0
8
0
1
0
0
0
0
0
0 – 5 [%]
Quindi, il numero medio annuo atteso di buchi di tensione più severi rispetto alla curva di
immunità della classe 3 è 15. Se però si fa riferimento ai WSC 95% tale numero diventa 61.
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1. L’attuale situazione in Italia - Regolazione
Che effetti hanno questi eventi?
Gli utenti che realmente necessitano di un’elevata qualità della tensione
rappresentano una percentuale assolutamente minoritaria. Non è dunque
ragionevole pensare di aumentare progressivamente in maniera generalizzata i
livelli di qualità all’interno dei sistemi pubblici di distribuzione. Infatti ciò
richiederebbe elevatissimi costi di investimento che ricadrebbero poi sulla totalità
degli utenti.
La continuità dell’alimentazione è l’unico aspetto della PQ a cui è interessata la
gran parte degli utenti, e quindi il suo miglioramento va perseguito per la generalità
del sistema elettrico. Ciò viene fatto in Italia sin dal 2000 attraverso l’azione del
Regolatore: regolazione incentivante della continuità del servizio.
Tuttavia esistono utenti realmente “sensibili” alla qualità della tensione.
Sembra allora ragionevole ammettere la possibilità che le imprese di distribuzione
offrano ai loro utenti delle opzioni per ottenere un più elevato livello di qualità
dell’alimentazione, da ottenersi mediante modifiche e/o installazione di idonei
dispositivi sul sistema di distribuzione.
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1. L’attuale situazione in Italia – Contratti per la qualità
Tutto ciò considerato, in Italia l’AEEG ha introdotto con la delibera n. 4/04 i
contratti per la qualità.
I clienti finali MT hanno facoltà di richiedere all’impresa distributrice la
misurazione individuale della qualità della tensione sul punto di consegna e la
stipula di contratti specifici nei quali le due parti definiscono il livello di qualità
concordata che l’impresa distributrice si impegna a rispettare, il corrispettivo
da versare da parte del cliente e clausole penali in caso di inadempimento
dell’impresa distributrice.
L’AEEG si riserva di integrare i criteri per la stipula dei contratti per la qualità nel
caso in cui si manifestino criticità di attuazione.
Simile possibilità è prevista anche in diversi altri Paesi.
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Analisi dei costi diretti
Effetti degli eventi di tensione sui processi sensibili
Se ogni interruzione dell’alimentazione comporta un’interruzione del processo
produttivo, e analogo effetto hanno i buchi di tensione più severi rispetto alla curva
di classe 3, il numero annuo atteso di interruzioni di processo risulta:
- 15÷20 per gli utenti con un’alimentazione di qualità “media”;
- almeno 80 nel caso di WSC 95%.
Tutto ciò si traduce in costi (diretti) causati dagli eventi di PQ.
Esempio: costi tipici delle
interruzioni transitorie per
settori industriali (in $/kW)
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Analisi dei costi diretti
Alcuni esempi di utenti industriali MT sensibili agli eventi di tensione:
1) PPG Industries (Ohio, USA), a manufacturer of resins, primers, and coatings, has experienced
voltage sags and interruptions disrupting their production process. Voltage sags below 70% and
lasting for 8 cycles or more, cause PPG’s production to be interrupted. Each event which impacts
the production process results in approximately $72,000 in downtime, damaged material, and
disposal of damaged material. In addition, an incinerator that burns fumes from the chemical
processes trips off-line requiring notification of the EPA. Damage to burst discs sometimes occurs
due to large positive or vacuum pressure in the ventilation system. Sags occur about 5 times as
often as interruptions, with approximately 20-to-30 events per year on average. Thus, the annual
cost to the customer, associated with power quality and reliability not meeting the customer’s
expectations, is estimated from $1.44 million to $2.15 million.”
2) Nippert Company (Ohio, USA), casts copper 24 hours per day for use in various product lines.
Main concern: extended power outages. The concern is focused primarily on three induction
furnaces used to melt copper for production requirements: while they have backup generation on
site for each, they can only maintain temperatures in the furnace for approximately 4 hours. If a
longer duration of power unavailability exists, expenses of more than $1,000,000 are estimated for
production down time and repair each furnace. Fortunately, plant interruptions, experienced to
date, have been much less than the 4 hour limit. In addition, Nippert experiences production losses
resulting from any outage lasting longer that 20 minutes. They have experienced no major
problems as a result of outage durations of 2-5 minutes. Voltage sags do not significantly affect
Nippert’s operations.
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Approcci possibili
Al fine di innalzare il livello di qualità dell’alimentazione dei carichi/processi
critici sono teoricamente possibili due approcci:
1- Installazione di dispositivi mitigatori lato utente
2- Installazione di dispositivi mitigatori a monte, lato DSO
A questa seconda possibilità è connessa l’idea di Premium Power Park
(Custom Power), sostenuta negli anni ’90 da EPRI – Electric Power Research
Institute, California.
Questa idea si è sviluppata a seguito della rapida evoluzione dell’elettronica di
potenza e della conseguente nascita di dispositivi “Custom Power” utilizzabili
nel campo delle medie tensioni: DVR, DSTATCOM, STS.
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Dispositivi mitigatori
Categorie di dispositivi mitigatori
DVR – Dynamic Voltage Restorer
Dispositivi con accumulo di energia – condensatori.
Utilizzo: mitigazione dei bdt/interruzioni transitorie. Applicazioni in MT e BT.
SVB – Static Voltage Booster
Dispositivi senza accumulo di energia.
Utilizzo: mitigazione dei buchi di tensione; potenza limitata. Applicazioni in BT.
UPS statici (carico alimentato da inverter)
Dispositivi con accumulo di energia elettrochimica – batterie.
Utilizzo: mitigazione di buchi di tensione + interruzioni brevi. Applicazioni in BT.
UPS rotanti (carico alimentato da macchina elettrica rotante)
Dispositivi con accumulo di energia: cinetica (volano) o elettrochimica (batteria)
Utilizzo: mitigazione di buchi di tensione + interruzioni brevi. Applicazioni MT e BT.
Interruttori di trasferimento - Doppia alimentazione (ridondanza di rete)
Limite: reale indipendenza delle sorgenti. Applicazioni MT e BT.
Sistemi a continuità totale: un UPS statico o rotante fornisce autonomia sufficiente per
proteggere il carico da quasi tutti i disturbi. Un gruppo elettrogeno può coprire il
rimanente (interruzioni di durata superiore all’autonomia dell’UPS). Soluzioni tipiche:
UPS statico + gruppo elettrogeno; oppure UPS rotante + gruppo elettrogeno.
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Dispositivi mitigatori
Dynamic Voltage Restorer - DVR
The basic principle of the DVR is to inject a voltage of required magnitude and
frequency, so that it can restore the load-side voltage to the desired amplitude and
waveform even when the source voltage is unbalanced or distorted. Generally, it
employs GTO power electronic switches in a PWM inverter structure. The DVR
can generate or absorb independently controllable real and reactive power at the
load side. The DVR is made of a solid state DC to AC switching power converter
that injects a set of three phase AC output voltages in series and synchronism with
the distribution line voltages.
Dynamic Voltage Restorer
(DVR) Schematic Diagram
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Dispositivi mitigatori
Primo DVR: settembre 1996, installato da Westinghouse Electric Corporation nella
sottostazione (V=12,47 kV) di Anderson, South Carolina, della Duke Power Company,
per proteggere un impianto automatizzato per la produzione di tappeti. Il DVR, da 2
MVA (insertion capacity, or inverter power rating) con capacità di accumulo di 660 kJ,
protegge un carico totale di 3.5 MW.
Un secondo DVR da 2 MVA viene installato da Westinghouse nel Febbraio 1997 nel
sistema di distribuzione a 22 kV Powercor a Stanhope, Victoria, Australia, per
proteggere un impianto di trattamento del latte con un carico totale di 5.25 MW.
Successivamente, Westinghouse (oggi inglobata da Siemens) installa il primo DVR su
piattaforma a protezione del Northern Lights
Community College e altri carichi minori a
Dawson Creek, British Colombia, Canada.
Nell’agosto 2000 ABB installa i DVR più
grandi al mondo in Israele. Si tratta di due
DVR, ciascuno da 22.5 MVA, a protezione
di un impianto per la produzione di microprocessori.
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Dispositivi mitigatori
SVB - Static Voltage Booster
Dispositivi per la regolazione rapida della tensione (compensazione di bdt) senza
accumulo di energia che sfruttano la tensione residua per iniettare la tensione
mancante mediante un trasformatore di tipo booster e switch di tipo statico (tiristori).
La regolazione può essere di tipo discreto (a prese) o continuo (modulazione
dell’angolo di accensione ).
_______________
Static Voltage Booster. Step
regulation, Schematic Diagram
Static Voltage Booster.
Continuous regulation,
Schematic Diagram
Ne esistono versioni commercializzate con nomi “attraenti”. Es.: Sag Fighter.
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Dispositivi mitigatori
UPS statici
Sono costituiti da raddrizzatore (trasformazione AC-DC per la ricarica delle batterie),
inverter (trasformazione DC-AC per alimentare il carico protetto) e gruppo batterie.
Potenze unitarie massime dell’ordine di 500 kVA. Secondo la CEI EN 62040-3 (2012)
gli UPS statici possono avere tre modalità di funzionamento:
1- UPS a doppia conversione (VFI): la
tensione alternata di ingresso viene prima
raddrizzata (1a conversione) e quindi
ritrasformata dall'inverter in tensione
alternata (2a conversione). La doppia
conversione genera una tensione alternata
stabilizzata e filtrata, indipendente anche
elettricamente da quella di ingresso, sia
per tensione che per frequenza.
E’ la modalità di funzionamento con
minore efficienza energetica, ma con
massima protezione del carico.
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Dispositivi mitigatori
2- UPS a funzionamento interattivo (VI): l'inverter è sempre attivo, anche in presenza
di rete, e viene usato come filtro attivo, provvedendo alla pulizia dell'alimentazione.
Ciò permette anche di ottenere tempi di intervento
estremamente brevi.
switch statico
Questa modalità di funziorete
namento ha minori perdite rispetto alla precedente,
grazie al mancato passaggio nel raddrizzatore.
carico
inverter
caricabatteria
modo normale
modo da accumulo
batterie
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Dispositivi mitigatori
3- UPS in configurazione stand-by, o funzionamento interattivo con by-pass
(VFD): in caso di corretta alimentazione da rete, sono esclusi sia il raddrizzatore che
l'inverter; oltre al raddrizzatore e all’inverter, lo schema prevede uno switch
ultraveloce. E’ una modalità di funzionamento con bassissime perdite.
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Dispositivi mitigatori
UPS rotanti
Il carico è alimentato da una macchina elettrica rotante.
Per l’accumulo si possono utilizzare batterie o volani.
Soluzioni con volano: in caso di interruzione dell'alimentazione ordinaria,
l’energia cinetica accumulata nel volano viene convertita in energia
elettrica. Garantiscono un’autonomia di 10-15 secondi.
L’autonomia può essere aumentata usando batterie (fino ad alcune decine di
minuti) o un gruppo elettrogeno in modo da realizzare un gruppo di
continuità totale.
Gli UPS rotanti sono prodotti con potenze unitarie fino a circa 2 MVA.
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Dispositivi mitigatori
Powerbridge
Convertitore
di frequenza
Macchina
Uniblock
Pannello
comandi
Interruttori rete,
uscita e by-pass
UPS rotante (Piller): Gruppo da 1670 kVA con motogeneratore
e accumulatore cinetico
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Dispositivi mitigatori
Sistemi a continuità totale. Esempio: UPS rotante + gruppo elettrogeno
UPS rotante (Piller) con motore diesel in asse
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Mitigazione lato DSO
PPP del Delaware Industrial Park, Ohio (USA)
Primo esempio al mondo di moderno PPP
con diversi dispositivi Custom Power coordinati tra loro. Il progetto è stato sviluppato
dal 1999 in una preesistente area industriale
(Delaware Industrial Park) comprendente
una decina di utenti MT con carico di picco
complessivo di circa 15 MW e potenze
individuali comprese tra 50 kW e 4,2 MW.
Per migliorare la qualità dell’alimentazione fornita ai due principali utenti del
parco industriale (PPG Industries e
Nippert Company), sono stati installati e
sono entrati in servizio nel 2002:
- un DVR da 2 MVA, 13.2 kV, con max.
capacità di compensazione della tensione
pari al 40% della tensione nominale per
0.2 s e condensatori per l’accumulo;
- un interruttore di trasferimento
meccanico veloce a 13.2 kV (HSMTS),
con tempo di trasferimento  1.5 cicli;
- un compensatore di potenza reattiva
TSC-TCR (ASVC), da 1.5 MVAR /fase.
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Mitigazione lato DSO
Il sito del PPP con i componenti Custom Power – DVR e HSMTS
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2. Approcci per la mitigazione dei disturbi – Mitigazione lato DSO
Tuttavia l’approccio “Premium Power Park” ha due controindicazioni importanti:
1- Il costo dei dispositivi di mitigazione aumenta con la potenza del carico
protetto e con il livello di tensione:
2- i costi del PPP sono sostenuti dal DSO mentre i benefici sono per gli utenti:
come gestire questo problema?
Possibile soluzione: lo strumento idoneo sono i contratti per la qualità.
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Conclusioni
- Ad oggi, in tutto il mondo esistono pochissimi esempi di PPP, e lo stesso vale
per i contratti per la qualità.
L’approccio che prevede l’installazione di dispositivi mitigatori sulla rete del
DSO comporta costi alti e difficoltà di gestione.
L’approccio quasi sempre utilizzato è dunque quello che prevede
l’installazione di dispositivi di mitigazione all’interno dell’impianto utente
(eventualmente con assistenza tecnica fornita dal DSO).
- Fra i vari dispositivi mitigatori citati in precedenza, quelli più largamente
utilizzati sono gli UPS statici, mentre i DVR hanno trovato un numero limitato
di applicazioni (sia sulle reti dei DSO sia negli impianti d’utente).
Le soluzioni di tipo “Custom Power” fino ad oggi non si sono rivelate vincenti.
Si può dunque bocciare definitivamente l’approccio “Custom Power”?
Forse no, tenendo conto degli sviluppi della GD con utilizzo di fonti rinnovabili
e delle tecnologie di accumulo dell’energia elettrica …
… “Prediction is very difficult, especially if it is about the future” (Niels Bohr)
Prof. Stefano Quaia – Qualità del servizio
AEITTS
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