Mantenimento dell’equilibrio tra
produzione e utilizzazione in un
sistema a rete
• Per mantenere l’equilibrio tra la produzione e
l’utilizzazione si possono adottare due
principali obiettivi di gestione:
• - l’inseguimento della domanda
• - l’inseguimento della produzione
Mantenimento dell’equilibrio tra
produzione e utilizzazione in un
sistema a rete
• Sistemi con possibilità di accumulo del
prodotto
• Sistemi senza possibilità di accumulo
del prodotto
Mantenimento dell’equilibrio tra
produzione e utilizzazione in un
sistema a rete
• La gestione, comunque, comporta la
disponibilità dell’informazione :
• - nei sistemi con accumulo può essere
non in linea
• - nei sistemi senza accumulo deve
essere in linea
IL CONTROLLO DELLA FREQUENZA E
DELLA GENERAZIONE DI POTENZA
ATTIVA
Pg,1
DUCK CITY
Pg,2
BEAR VALLEY
Pu,2
MOUSE CITY
Pu,1
Pg,1+ Pg,2= Pu,1+ Pu,2 +Pp
SE VI E’ UNA VARIAZIONE DI
POTENZA ASSORBITA DA UN CARICO
• Non vi è più equilibrio tra coppia
meccanica
all’asse
dei
generatori
sincroni e coppia elettromagnetica
sviluppata;
• Per cui i rotori delle macchine sincrone
accelerano o decelerano in funzione del
decremento o incremento della potenza
assorbita dai carichi.
UNA VARIAZIONE DI POTENZA
ASSORBITA DA UN CARICO
PROVOCA QUINDI:
• Una variazione di velocità dei generatori
e quindi una variazione di frequenza
della rete da essi alimentata.
UNA VARIAZIONE DI POTENZA
GENERATA PROVOCA QUINDI:
• Una variazione di velocità dei generatori
e quindi una variazione di frequenza
della rete da essi alimentata.
LE VARIAZIONI DI POTENZA POSSONO
ESSERE:
• Lente, per effetto delle usuali variazioni del
diagramma di carico nell’arco della
giornata o per effetto della variazione della
potenza dei generatori non controllati (ex
generazione da fonti rinnovabili);
• Molto rapida (in tempi dell’ordine di
qualche decina di millisecondi); ciò avviene
quando si verifica un guasto nella rete o
per distacco di un generatore o carico.
VARIAZIONE LENTA DI POTENZA
ASSORBITA DAI CARICHI
• Dovrà essere compensata dall’intervento
del sistema di regolazione della potenza
meccanica col compito di riequilibrarla
al fine di mantenere costante la velocità
del rotore e quindi la frequenza.
VARIAZIONE RAPIDA DELLA
POTENZA
• E’ in genere dovuta a guasti come si
è già detto; in tal caso non vi è
possibilità di intervento da parte del
sistema di regolazione della potenza
meccanica proprio per la rapidità
della variazione di potenza.
VARIAZIONE RAPIDA DELLA
POTENZA
• Il fenomeno è molto severo e può
provocare la perdita del passo dei
generatori sincroni con conseguente
perdita della potenza da essi generata.
LA REGOLAZIONE
FREQUENZA - POTENZA ATTIVA
IN REGIME LENTAMENTE VARIABILE
IN REGIME LENTAMENTE VARIABILE
• La frequenza si può ritenere costante in
tutto il sistema, costituendo, quindi,
l’informazione sullo stato di equilibrio
disponibile in ogni punto del sistema;
• Inoltre si può utilizzare per lo studio il
modello “bus bar”, cioè un sistema
costituito da una sbarra a frequenza
costante cui vengono collegati generatori,
carichi e l’equivalente delle perdite di rete.
MODELLO “BUS BAR”
generatori
carichi ed
equivalente delle
perdite di rete
CARATTERISTICA FREQUENZA - POTENZA
DI UN CARICO
f (Hz)
52
50
valore nominale
del carico
48
P
LA POTENZA ASSORBITA CRESCE
CON LA FREQUENZA PERCHE’:
• La potenza dei carichi resistivi (es.
illuminazione) è indipendente dalla
frequenza;
• La
potenza
dei
carichi
induttivi
(sostanzialmente motori) cresce con la
velocità e quindi con la frequenza
(talvolta addirittura con il cubo della
velocità).
SI SUPPONGA ORA CHE VI SIA UNA
VARIAZIONE DI CARICO E CHE NON VI SIA
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
f (Hz)
54
52
50
48
46
P
C2
C1=Pg
OSSERVAZIONE
• Il sistema è “autoregolante” ossia
trova al variare del carico nominale
un nuovo punto di equilibrio anche in
assenza di regolazione.
CARATTERISTICA FREQUENZA
POTENZA SEMPLIFICATA DI UN CARICO
f
P = K c  f
fn
Cn
P
ENERGIA REGOLANTE DEL CARICO
• La costante Kc ha le dimensioni di una
energia e viene chiamata “energia
regolante del carico”. Essa definisce la
pendenza della caratteristica potenza
frequenza del carico.
OSSERVAZIONE
• Le variazioni di frequenza che si
hanno quando il carico nominale
cambia in assenza di altri tipi di
regolazione, sono inaccettabili.
• E’ necessario quindi ricorrere ad una
regolazione della potenza generata.
IL REGOLATORE DI FREQUENZA DEL
GENERATORE
(regolazione primaria)
DEVE:
• Incrementare o decrementare la potenza
meccanica
quando
diminuisce
o
aumenta la velocità del generatore.
STRUTTURA DEL REGOLATORE DI
FREQUENZA
rete
rif
+
contr.
-
C
+
attuat.
Pg
inerzia
m
Regolatore di Watt
Turbina (Pelton)
spina
Condotta forzata
STRUTTURA GENERALE DEL
REGOLATORE DI FREQUENZA
rete
C
frif =0
+
C(s)
-
+
Pg
-
1/Js
In condizioni di regime vale:
Pg = - C(0)   f
f
LEGAME FREQUENZA-POTENZA IN
CONDIZIONI DI REGIME
f
f0
Pg = - C(0)  f
fn
Pn
P
ENERGIA REGOLANTE DEL
GENERATORE
• La costante C(0) che chiameremo Kg
ha le dimensioni di una energia e
viene chiamata “energia regolante del
generatore” in assonanza a quanto
già definito per un carico. Essa
definisce
la
pendenza
della
caratteristica potenza frequenza del
generatore.
STATISMO
• La pendenza della caratteristica frequenza
potenza del generatore viene data anche
attraverso lo “statismo” che:
• è la variazione relativa di frequenza tra il
funzionamento a vuoto ed il funzionamento
alla potenza nominale.
f
fn
s=
P
Pn
ESEMPIO
Sistema “isolato” costituito da un
generatore ed un carico
VARIAZIONE DI FREQUENZA DOVUTA
AD UNA VARIAZIONE DI CARICO
f
f’
fn
C’n
P’g
Cn=Pg,n P
f
Kgf = Pg
Kcf
Cn


Cn = K g + K c  f
ENERGIA REGOLANTE DELLA RETE
• La somma delle energie regolanti del
carico “Kc” e del generatore “Kg” viene
indicata con “Kr” e viene chiamata
“energia regolante della rete” che può
essere definita come la variazione di
carico nominale dovuta alla variazione
unitaria di frequenza della rete.
OSSERVAZIONE
• La variazione di frequenza risulta
quindi inversamente proporzionale
all’energia regolante della rete.
OSSERVAZIONE (continua.....)
• Per diminuire la variazione di frequenza
dovuta ad una variazione di carico
sarebbe quindi opportuno aumentare
l’energia regolante della rete, e poichè
l’energia regolante del carico non è
modificabile, è necessario incrementare
l’energia regolante del generatore.
• Ciò tuttavia può dar luogo a problemi di
stabilità del sistema o almeno a risposte
dinamiche inaccettabili.
CONSIDERIAMO ORA IL CASO DI UN
SISTEMA CON PIU’ GENERATORI
OGNUNO DEI QUALI E’ DOTATO DI
SOLA REGOLAZIONE PRIMARIA
Pg,1
DUCK CITY
Pg,2
BEAR VALLEY
C2
MOUSE CITY
C1
MODELLO “BUS BAR” DEL SISTEMA
Bear valley
Mouse city
Duck city
Duck city
VARIAZIONE DI FREQUENZA DOVUTA
AD UNA VARIAZIONE DI CARICO
f
fn
Ptg
P1g
P2g
P
REGOLE PER IL CALCOLO DELLA
VARIAZIONE DI FREQUENZA IN
CONDIZIONI DI REGIME
• L’energia regolante di un complesso
di generatori è pari alla somma delle
energie regolanti.
REGOLE PER IL CALCOLO DELLA
VARIAZIONE DI FREQUENZA IN
CONDIZIONI DI REGIME
• Il calcolo della variazione di
frequenza dovuta ad una variazione
del carico complessivo si effettua
sulla
caratteristica
frequenzapotenza complessiva.
REGOLE PER IL CALCOLO DELLA
VARIAZIONE DI FREQUENZA IN
CONDIZIONI DI REGIME
• Mediante le caratteristiche
dei
singoli generatori si calcola la
ripartizione del carico tra essi.
CALCOLO DELLA VARIAZIONE DI
FREQUENZA DOVUTA AD UNA
VARIAZIONE DI CARICO
f
f’
fn
Ptg
Cn’
Cn
P
CALCOLO DELLA RIPARTIZIONE
DELLE POTENZE
f
f’
fn
P2g
P1g
P
OSSERVAZIONE
• Qualora si desideri mantenere costante la
frequenza anche dopo il disturbo, in un
sistema dotato solo di regolazione
primaria (ossia solo di regolatori locali),
allora almeno un generatore deve avere
energia regolante infinita.
CASO DI UN SISTEMA CON UN
GENERATORE A ENERGIA REGOLANTE
INFINITA
f
C
Ptg
fn
C’ C
P1g
P2g
P
OSSERVAZIONE (continua...)
• Nel caso in esame, una volta esaurita
la dinamica del sistema, la frequenza
non cambia e quindi rimane invariata
la potenza dei generatori con energia
regolante finita e tutta la variazione
di carico viene assorbita dal
generatore ad energia regolante
“infinita”.
OSSERVAZIONE 2 (continua...)
• Se più di un generatore ha un regolatore
con una energia regolante infinita, allora è
ancora assicurata la costanza della
frequenza a transitorio esaurito, ma non è
definita la ripartizione del carico tra i
generatori a energia regolante infinita;
questa dipende dalla dinamica con cui
agiscono i diversi regolatori. In generale i
generatori con regolatori più veloci si
accolleranno la maggior parte della
variazione di carico.
OSSERVAZIONE (continua...)
• In un sistema di grandi dimensioni non è
possibile affidare la regolazione della
frequenza ad un unico generatore pur
dotandolo di “energia regolante” infinita,
sia perchè i suoi limiti in potenza non
sarebbero in grado di fare fronte alle
variazioni di carico sia per motivi di
economicità del modo di generare la
potenza richiesta.
• Si utilizza quindi un altro tipo di
regolazione ..........
LA REGOLAZIONE SECONDARIA
ESEMPIO
Sistema “isolato” costituito da un
generatore ed un carico
Effetto di una variazione di carico in presenza di
un regolatore secondario
f
fn
f
P1
P2
P
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA IN
UN SISTEMA CON PIU’ GENERATORI
DOTATI DI “REGOLATORI LOCALI” AD
ENERGIA REGOLANTE FINITA.
LA REGOLAZIONE DELLA
FREQUENZA NELLA RETE:
• è affidata ad un regolatore centrale
che sulla base di una misura della
frequenza di rete ripartisce la
potenza da generare tra le diverse
centrali
secondo
criteri
predeterminati (ad esempio un
criterio di ottimo economico).
IL REGOLATORE CENTRALE
PROVVEDE:
• Alla ripartizione del carico tra i diversi
generatori mediante segnali da inviare ai
regolatori locali;
• all’aggiustamento della frequenza al
valore nominale di esercizio mediante una
azione integrale che incrementa (o
decrementa) i segnali da inviare ai
regolatori locali fino a che l’errore di
frequenza non diventa nullo.
STRUTTURA DEL SISTEMA DI
REGOLAZIONE DELLA POTENZA ATTIVA
segnale errore
di frequenza
controllore di rete
centrali di generazione
centri regionali
LA REGOLAZIONE FREQUENZA
POTENZA ATTIVA TRA PIU’ AREE DI
GENERAZIONE E CARICO TRA LORO
INTERCONNESSE
mouse country
duck country
cat country
LA REGOLAZIONE DELLA
FREQUENZA IN TUTTE LE AREE
INTERCONNESSE PUO’ ESSERE
EFFETTUATA ATTRAVERSO UN UNICO
REGOLATORE DI RETE AL MASSIMO
LIVELLO GERARCHICO
segnale errore
di frequenza
mouse county
regolatore unico
di rete
duck county
cat county
A QUESTO TIPO DI SOLUZIONE SI
OPPONGONO SPESSO RAGIONI CHE
NON SONO DI ORDINE TECNICO MA
DI AUTONOMIA DELLE AZIENDE
PRODUTTRICI DELLE SINGOLE AREE.
REGOLAZIONE FREQUENZA POTENZA
ATTIVA TRA PIU’ AREE DI GENERAZIONE E
CARICO TRA LORO INTERCONNESSE
• Si
preferisce
procedere
attraverso
regolatori di area tra loro indipendenti
ciascuno dei quali agisce con l’obiettivo di
far sì che generazione e carico nella
propria area siano in equilibrio, a meno di
assorbimenti (o erogazioni) da (o verso)
altre aree previsti da norme contrattuali.
RISULTA QUINDI INDISPENSABILE LA
VALUTAZIONE IN CIASCUNA AREA
DELL’INCREMENTO O DECREMENTO
DELLA POTENZA DA GENERARE PER
RIPORTARE IN EQUILIBRIO AL
PROPRIO INTERNO POTENZA
GENERATA E CARICO
A TAL FINE E’ NECESSARIA:
• la
conoscenza
della
potenza
scambiata con le altre aree (Ps)
• una valutazione dell’ulteriore potenza
necessaria ad equilibrare il carico
dell’area interessata se la frequenza è
diversa da quella nominale