Giornata studio
La Rete Elettrica di Trasmissione Nazionale e la
Sfida delle Energie Rinnovabili
La compensazione del reattivo nei collegamenti marini in c.a.
De Martins U. , Pisani C., Rossi S.
Outline
OHL vs CL in a.c. HV/EHV
Effetti del surplus di potenza reattiva nelle CL
Massima Potenza Trasmissibile vs lunghezza
Capability Charts
Compensazione reattiva derivata
Il “progetto Insula”
Elementi di riflessione
OHL vs CL in a.c. HV/EHV
Sebbene oggigiorno per applicazioni terrestri la soluzione tecnologica delle CL (Cable Lines)
sia spesso scartata a priori visto l’elevato differenziale di costo rispetto alle linee OHL
(Overhead Lines), per applicazioni in ambito marino rappresenta un’opzione tecnologica
concreta.
In particolare è prevedibile fin da subito una progressiva sostituzione dei cavi di tipo Fluid
Filled (FF) con cavi in Cross Linked Polyethylene (XLPE) caratterizzati da margini operativi
più ampi.
Il problema principale di una CL in a.c. HV/EHV (High Voltage/Extra HV) è rappresentato dal
fatto che essa ‘produce’ più potenza reattiva di quella che assorbe a causa dei ridotti valori di
impedenza caratteristica ZC:
cCL-XLPE ≥ (15-20)cOHL
lCL-XLPE ≤ (0.5-1)IOHL
Effetti del surplus di potenza reattiva nelle CL
Pertanto, le CL in a.c. HV-EHV oltre ad avere un limite intrinseco sul valore di ampacity,
richiedono, al fine di garantirne uno sfruttamento ottimale, di dover evacuare il surplus di
potenza reattiva ad entrambi i terminali.
L’effetto di tale surplus è triplice:
1. La q.tà di potenza reattiva che il sistema elettrico a cui la CL è connessa è in grado di
assorbire è limitata da effetti locali (incremento della tensione) e da effetti su più ampia scala
(funzionamento in sottoeccitazione dei generatori vicini);
2. Quando la q.tà di potenza reattiva che deve essere assorbita dal sistema elettrico a cui la
CL è connessa è rilevante si verificano significative sovratensioni temporanee (Temporary
Over-Voltage TOV) in caso di distacco improvviso del carico o di alimentazione a vuoto della
CL ;
3. La circolazione di correnti capacitive di entità non trascurabile comporta una riduzione
della potenza attiva che la CL è in grado di trasportare.
Massima Potenza Trasmissibile vs lunghezza
Nell’ipotesi di CL senza perdite, il profilo ottimale di potenza reattiva lungo la linea è ottenuto
automaticamente mantenendo eguale la tensione ad ambo i terminali S ed R.
La seguente relazione lega la massima potenza
PMax trasmissibile alla lunghezza L della CL:
con
SZ è la potenza apparente al limite termico della
CL [MVA];
PC è la potenza naturale (caratteristica) della CL
[MVA];
ZC è l’impedenza caratteristica della CL [Ω];
K” è la costante di propagazione [km-1].
Profilo della tensione, potenza attiva
e reattiva lungo una CL in a.c.
Massima Potenza Trasmissibile vs lunghezza
L’espressione della PMAX può essere risolta in L al fine di determinare la lunghezza della CL
oltre la quale la potenza P potrebbe essere trasmessa senza necessità di compensazione
derivata. In particolare per P=0 si determina il limite teorico LMAX:
dove LCRIT rappresenta quel valore di lunghezza per cui la corrente capacitiva che interessa
la CL eguaglia l’ampacity della CL stessa. Sotto l’hp di linea priva di perdite essa può essere
espressa attraverso la seguente relazione:
dove:
IZ è l’ampacity della CL [kA];
U è la tensione all’estremità inviante [kV].
Massima Potenza Trasmissibile vs lunghezza
Una volta definito il fattore di utilizzo della CL ρ=P/SZ , combinando le espressioni di LMAX e
PMAX si individua la seguente espressione che pone in relazione L ed LMAX in funzione di ρ:
Risolvendo tale espressione in ρ si possono ottenere i margini di caricabilità della CL in
Massima Potenza Trasmissibile vs Lunghezza della CL
funzione di L ed LMAX.
160
Un= 150 kV; fn= 50 Hz; S=400mm2;
z=r+jx=0.101+j0.147 Ω/km
c=160 nF/km; Pc=378 MVar;
Iz=546 A; Sz=141 MVA;
Massima Potenza Trasmissibile P
Dati CL test in figura
Max
[ MW ]
U = 160 kV
140
U = 150 kV
U = 140 kV
120
100
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
Lunghezza della linea in cavo L [ km ]
250
300
Capability Charts
Il funzionamento di una CL con tensione differente ai terminali implica un profilo asimmetrico
della potenza reattiva lungo la linea, un irregolare sfruttamento della stessa e quindi una
sostanziale riduzione della PMAX esprimibile in tal caso attraverso le seguenti relazioni:
Capability Chart di una CL isolata in XLPE a 150 kV
100
Mantenendo costante la tensione ad
uno
dei
terminali
si
possono
individuare i limiti operativi della CL in
condizioni di regime stazionario.
Massima Potenza Trasmissibile P
Max
[ MW ]
150
50
0
-50
-100
-150
140
142
144
146
148
150
152
154
Tensione all'estremità ricevente UR [ kV]
156
158
160
Capability Charts
In maniera del tutto equivalente si può far riferimento o ai classici diagrammi circolari od
equivalentemente ad altre curve di caricabilità nel piano P-Q che permettono di apprezzare
gli effetti della compensazione derivata:
“R. Benato, A. Paolucci: Operating Capability of Long AC EHV Transmission Cables, Electric Power Systems Research, Vol. 75/1, luglio 2005, pp. 17-27.
Compensazione reattiva derivata
Dal momento che il surplus di potenza reattiva di una CL può produrre diversi effetti indesiderati
sul sistema quali:
• Incremento locale della tensione;
• Funzionamento in sottoeccitazione non compatibile con la capability dei generatori presenti in
prossimità della linea;
• TOV a seguito di un’energizzazione a vuoto della CL o in caso di distacco improvviso del
carico;
• Corrente a vuoto superiore della corrente nominale dei sistemi di protezione a servizio del CL.
È necessario operare una compensazione reattiva derivata tesa a ridurre le quantità di potenza
iniettata nei sistemi elettrici interconnessi alla linea di trasmissione.
Compensazione reattiva derivata
Quando la distanza da coprire non è particolarmente significativa, una compensazione reattiva
derivata ad entrambe l’estremità della CL può essere efficace.
Quest’ultima se fatta con reattori modulabili consente il controllo della potenza reattiva lungo la
linea assicurando la redistribuzione desiderata da ambo i terminali (reattori a rapporto variabile,
Static Var System con Thyristor Controlled Reactors, STATCOM etc.).
Compensazione reattiva derivata – Compensazione Shunt
Progetto Insula
L’anello elettrico delle isole campane
Terna prevede di realizzare un sistema di cavi sottomarini, per un totale di 90 km, che collegherà
tra loro e alla terraferma le isole di Capri e Ischia per un investimento complessivo di circa 130
milioni di euro. La prima tratta dell’anello tra Torre Annunziata e Capri, lungo circa 30 km, è in
fase autorizzativa.
Obbiettivo dell’intervento è quello di rendere più sicuro il sistema elettrico delle isole che per la
scarsa affidabilità dei sistemi di produzione di energia elettrica attualmente in uso e per l’assenza
di un collegamento con la rete continentale sono a rischio di black out, soprattutto nel periodo
estivo. L’opera consentirà, inoltre, un risparmio per il sistema di circa 15 milioni di euro l’anno e
un risparmio di CO2 in atmosfera di circa 127.000 tonnellate l’anno.
Elementi di riflessione
Condizioni di posa non uniformi lungo l’intera estensione dell’anello in a.c.
Interconnessione di un sistema di trasmissione con un sistema di distribuzione dotato di
un’unità di generazione installata direttamente al secondario del trasformatore AT/MT.
Regolazione tariffaria dei prelievi e delle immissioni di energia reattiva nel punto di
interconnessione tra rete AT-MT (DCO AEEG 13/11 che fa seguito alle delibere ARG/elt 48/08 e
ARG/elt 6/4)
Grazie per l’attenzione
Cosimo Pisani
Università degli Studi di Napoli ‘Federico II’
Via Claudio 21
Napoli, Italy
e-mail: [email protected]
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