Come funziona il
Sistema Elettrico
Paolo Pelacchi
L’energia sotto forma elettrica
– L’energia in forma elettrica in natura non
esiste (a parte qualche eccezione): è un
vettore.
– L’energia elettrica non può essere
immagazzinata in forma diretta (anche in
questo caso a parte qualche eccezione:
supercondensatori), ma solo in forma
indiretta: elettrochimica (pile e
accumulatori), potenziale idraulica,
potenziale termica, ecc.
– L’energia elettrica deve quindi essere
prodotta nello stesso istante in cui viene
richiesta! E questo è un grosso problema.
– Domanda: perché l’energia elettrica ha
avuto uno sviluppo così rilevante?
Perché l’energia elettrica
– Perché è semplice da usare e le sue applicazioni
sono estremamente efficienti.
– Perché è possibile sfruttare fonti rinnovabili
diffuse che altrimenti non sarebbero utilizzabili
(impianti off-shore).
– Perché è possibile sfruttare l’energia nucleare.
– La quantità di energia consumata sotto forma
elettrica negli usi finali rispetto alla quantità totale
di energia nei Paesi industrialmente avanzati
(penetrazione elettrica) è elevata.
Applicazioni dell’energia elettrica
Specifiche di base
di un sistema elettrico per l’energia
– Dal punto di vista gestionale un grande sistema
elettrico deve funzionare ‘ad inseguimento del
carico’: il carico deve essere sempre soddisfatto.
– Dal punto di vista tecnico il sistema deve essere:
• trifase a tensione costante (valore efficace della
componente fondamentale);
• con tensione sinusoidale;
• con frequenza costante (rete sincrona a 50 Hz) ed uguale
in grandi aree territoriali (Europa Occidentale,
USA&Canada, Brasile, ecc.)
Carico: andamento stagionale
Carico: andamento giornaliero
(18/06/02
: ItaliaCorea)
Caratteristiche di base
– Distanza tra centri di produzione e centri di carico.
– Impossibilità di trasferire potenza lungo un percorso
assegnato.
– Necessità di trasportare potenza attiva e reattiva.
– Stretto coordinamento tra tutti i componenti.
La produzione in un sistema
elettrico
– Produzione di energia elettrica nei grandi sistemi
elettrici avviene tramite:
– grandi centrali (termoelettriche convenzionali,
idrauliche di produzione, nucleotermoelettriche,
geotermoelettriche, eoliche, ecc.)
– gruppi di potenza ridotta, generalmente associati a fonti
rinnovabili e talvolta in cogenerazione (eolico,
fotovoltaico, biomasse, ecc.)
Linee aeree
Trasformatori di potenza e
apparecchi di manovra
Reti di trasporto e di distribuzione
– L’insieme delle linee aeree e in cavo sia in c.a. che
in c.c., dei trasformatori di potenza e di misura,
delle apparecchiature di interruzione e di manovra,
dei sistemi di protezione dei vari componenti, dei
sistemi di trasmissione delle informazioni sullo
stato del sistema, del centro nazionale e di quelli
regionali di monitoraggio e di controllo
costituisce
– le reti di trasporto e di distribuzione.
Il ruolo delle reti elettriche
– Le reti di trasporto e di distribuzione sono previste per qualunque tipo
di prodotto; in assenza di tali reti non è possibile consegnare agli utenti
finali nessun bene.
– Quasi tutti i beni materiali possono essere prodotti con un certo
anticipo rispetto al momento in cui verranno utilizzati, in quanto
possono essere immagazzinati e quindi la loro utilizzazione può subire
un ritardo rispetto alla loro produzione, ritardo che è funzione della
loro deperibilità.
– L’energia elettrica è un bene che deperisce istantaneamente nel
momento in cui viene prodotto in quanto non è accumulabile in forma
diretta.
– Le reti di trasporto e di distribuzione dell’energia elettrica rivestono
quindi un ruolo fondamentale.
Il coordinamento della produzione in
un sistema elettrico per l’energia
Regolazione, protezione e controllo
– Un sistema elettrico deve essere esercito:
– a frequenza costante
– a tensione costante
– Occorrerà quindi predisporre opportuni sistemi di
regolazione, ed in particolare:
– sistema di regolazione della frequenza
– sistema di regolazione della tensione
– Occorrerà inoltre predisporre opportuni sistemi di
protezione e controllo
I sistemi di regolazione, protezione e
controllo
– I sistemi di regolazione, protezione e controllo
devono:
– essere strettamente integrati
– essere fortemente coordinati
– avere velocità di risposta estremamente elevate
– avere sensibilità e precisioni molto elevate
– essere adeguatamente ridondanti
I sistemi di regolazione e di controllo
– Le funzioni sviluppate da questi sistemi
riguardano essenzialmente
l’acquisizione e l’elaborazione dei dati
provenienti dai sistemi di misura
disposti nei nodi del sistema elettrico.
– Vengono quindi rilevati ed archiviati,
con diverse frequenze di
campionamento, dati di carico, potenze
prodotte, livelli di bacini idraulici,
flussi di potenza nelle linee, guasti,
stato degli interruttori, ecc.
La regolazione della frequenza
– In un sistema elettrico:
– il carico preleva liberamente energia (e potenza) in qualunque
istante
– l’energia non può in pratica essere immagazzinata sotto forma
elettrica
– Di conseguenza il sistema deve essere bilanciato e cioè la
produzione deve essere esattamente uguale al carico
richiesto in tempo reale (in pratica qualche secondo)
– Un mancato bilanciamento si trasforma in una variazione
della frequenza (il problema delle fonti rinnovabili non
programmabili)
Sbilanciamenti: estreme conseguenze
Regolazione della frequenza
– Il sistema di regolazione della frequenza è
strutturato su 3 livelli:
– regolazione primaria (locale e automatica)
– regolazione secondaria (centralizzata e automatica)
– regolazione terziaria (centralizzata e manuale)
– Devono essere naturalmente previsti opportuni
margini di potenza, disponibile in tempi certi, da
assegnare a ciascun livello.
Regolazione primaria di frequenza
- E’ la capacità di ciascun gruppo di variare in maniera
autonoma la potenza erogata al variare della frequenza
di rete.
- Ha tempi di intervento brevi (da alcune centinaia di ms
ad alcuni secondi), ha carattere locale e dipende dal
tipo di gruppo.
- Al termine dell’intervento della regolazione primaria
la frequenza del sistema è diversa rispetto a quella
precedente alla perturbazione (errore a regime non
nullo).
Regolazione secondaria di frequenza
- E’ la capacità del sistema di variare la frequenza di rete
variando la potenza erogata da alcuni gruppi con
opportune caratteristiche (errore a regime nullo).
- La regolazione secondaria (“frequenza/potenza”) deve
quindi:
- riportare la frequenza al valore nominale, ricostituendo
così la riserva per la regolazione primaria;
- riportare gli scambi sulle interconnessioni ai valori
contrattuali.
Regolazione terziaria di frequenza
- E’ una qualsiasi variazione, tipicamente manuale,
della potenza erogata dai gruppi al fine di:
- garantire un’opportuna riserva di regolazione
secondaria (ricostituzione o adeguamento alle
variazioni di carico);
- ripartire in maniera ottimale sui vari gruppi,
sulla base di considerazioni economiche, le
variazioni di potenza intervenute.
Le tempistiche della regolazione di
frequenza
fase di
ricostituzione
della riserva
secondaria
regolazione
terziaria
fase di
ottimizzazione
del parco
regolazione
secondaria
regolazione
primaria
0
30 s
fino a 15 min
t
Sistema di regolazione di tensione
– Le azioni di controllo possono essere sia di tipo locale
che di tipo centralizzato. Secondo tale criterio la
regolazione delle tensioni e delle potenze reattive si
suddivide in tre livelli:
– Regolazione primaria di tensione
– Regolazione secondaria di tensione
– Regolazione terziaria di tensione
Regolazione primaria di tensione
– La regolazione primaria di tensione è di tipo locale,
effettuata mediante i regolatori di tensione dei gruppi di
generazione, i variatori sotto carico dei trasformatori,
l'inserzione di dispositivi statici (condensatori,
induttanze, SVC, ecc..); tutti questi dispositivi sono
sensibili alla tensione a livello locale (ai morsetti di
macchina, sulle sbarre AT, MT, BT); tale regolazione
viene effettuata in maniera automatica.
Regolazione secondaria di tensione
– La regolazione secondaria di tensione è di tipo
centralizzato ad aree, effettuata variando i riferimenti di
tensione dei regolatori al fine di mantenere il più costante
possibile il livello di tensione in alcuni nodi della rete di
particolare importanza (nodi pilota); tale operazione può
essere effettuata anche con altre funzioni obiettivo
(minimizzazione delle perdite in rete, minimizzazione
della potenza reattiva prodotta dai gruppi, ecc.); tale
regolazione viene effettuata in maniera automatica.
Regolazione terziaria di tensione
– La regolazione terziaria di tensione è di tipo
centralizzato, effettuata tramite elaborazione
(simulazione) con il compito di definire il profilo di
tensione di tutta la rete; tale profilo rappresenta il
riferimento per la regolazione secondaria; tale
regolazione viene effettuata fuori linea su base
previsionale.
