Torna al programma INTERAZIONE GENERATORI RETI DI DISTRIBUZIONE Roberto Caldon CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Generazione Distribuita: motivi di una possibile diffusione • convenienza energetica derivante dalla cogenerazione; • necessità di integrare le capacità di trasporto della rete; • possibilità di sfruttare risorse energetiche disperse altrimenti non utilizzabili; • presenza di incentivazioni. CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Impatto sulle modalità operative, sul controllo e sulla stabilità del sistema In particolare: 9 Sui livelli di corrente di cortocircuito e la necessità di adeguare le modalità di intervento delle protezioni; 9 Sul mantenimento dei profili di tensione al variare dei flussi immessi in rete (regolazione della tensione); 9 Sulla possibilità di formazione di isole indesiderate (“islanding”); 9 Sulla presenza di transitori elettromeccanici e possibili fenomeni di instabilità dinamica. CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Conseguenti interventi richiesti sulla rete di distribuzione Complessità di intervento Nuove strutture di rete (a petalo, magliata, microgrids,…) Adeguamento delle Protezioni Allacciamento alla rete attuale Realizzazione di nuove Cabine Primarie Grado Penetrazione=PGD / Pcarico CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Confronto Costi / Benefici della GD Costi di intervento sul S.E. Valore economico Benefici della GD CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Interfaccia DG - Rete Tecnologia dei “motori primi” turbine idrauliche motori alternativi, turbine a gas, turbine a vapore, turbine eoliche, motori Stirling, microturbine, sistemi fotovoltaici, celle a combustibile CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Tipo di connessione del Generatore Diretta (di macchine rotanti: sincroni, asincroni) Tramite Convertitore Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Controllo previsto sui generatori Generatori destinati alla connessione su Linee di I Categoria: - Macchine rotanti di tipo asincrono (non autoeccitate); - Convertitori statici (con controllo P) (funzionanti a f.d.p.=1). Generatori destinati alla connessione su Linee di II Categoria: - Macchine rotanti di tipo trifase : (con controllo P ed eventuale rifasamento) Asincrono (con regolatore di tensione e controllo P/Q) Sincrono (con possibilità di controllo P/Q) - Convertitori statici trifase CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Controllo coordinato di più GD (Virtual Power Plant) Controllo CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Virtual Power Plant: •Scambio con reti esterne Psc •Generazione elettrica Pgh •Produzione termica Hgh •Cogenerazione Hch Possibilità di ottimizzare : In funzione del: Carico termico Hdh Carico elettrico Pdh n min f = ∑ {( C0 h + C1h ⋅ Pg h + C 2 h ⋅ Pg h2 ) + ( B1h ⋅ Hg h ) + ( Bc1h ⋅ Hch )} + p sc ⋅ Psc h =1 n η el ( Pg h + ⋅ Hch ) + Psc = ∑ Pd h + Pperdite ∑ η th k =1 k =1 n n ∑ ( Hg k =1 n h + Hch ) ≥ ∑ Hd h + H perdite k =1 CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Controllo della rete di distribuzione “Azioni di controllo”: quelle azioni volte ad attenuare i disturbi interni ed esterni che possono modificare il punto di funzionamento desiderato. Sono previste pertanto azioni nell’ambito: Xdella frequenza: (contenimento dei transitori elettromeccanici) Xdella tensione: (regolazione dei livelli di tensione ai nodi di rete). CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Interazione della rete con la dinamica elettromeccanica dei Generatori • macchine leggere (inerzie basse H < 1s): Pacc. = Pmecc. − Pelect. 2H Pn = ωn ∂ 2δ ⋅ 2 ∂t => rapidi movimenti del rotore a fronte di squilibri tra Pmecc e Pelettrica b) Piccole costanti di tempo (T’d0) (=> minore potenza erogabile => Pacc magg.) c) elevate resistenze di statore (=> riduzione della potenza di smorzamento) (effetto benefico solo per guasti vicino ai morsetti). CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Ridotti tempi critici di estinzione dei guasti ovvero il tempo massimo di estinzione del guasto che non compromette la stabilità del parallelo si riduce in relazione all’inerzia H: 4δ cr H ⋅ tcr = ω 0 pacc. CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Effetti delle perturbazioni di tensione in termini di coppia accelerante sul rotore: Coppia Accelerante [p.u.] Pmeccanica − Pelettrica Ca = Ω 1.00 0.50 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 -0.50 -1.00 -1.50 -2.00 [s] (caso di guasto “vicino”) CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Effetti delle perturbazioni di tensione in termini di coppia accelerante sul rotore: Coppia Accelerante [p.u.] Pmeccanica − Pelettrica Ca = Ω 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 0.00 -0.50 0.50 1.00 1.50 2.00 -1.00 -1.50 [s] (caso di guasto “lontano”) CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Richiusura fuori sincronismo di isole indesiderate Angolo di fase dell'isola Angolo di fase della rete 0 -10 Gradi [°] -20 -30 -40 -50 -60 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 [s] Sfasamento tra la tensione di rete e della GD rimasta in isola CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Richiusura fuori sincronismo di isole indesiderate Coppia Accelerante [p.u.] 1.20 0.70 0.20 -0.30 -0.80 -1.30 -1.80 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 [s] Coppia accelerante a seguito della richiusura fuori sincronismo CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Nella prospettiva di nuove tecnologie GD connesse tramite inverter controllato in P/Q In presenza di severe perturbazioni non sembrano sussistere problemi di aumento dei livelli della corrente di guasto e di “first swing instability” dei generatori. ¾ ->segue ¾ CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Nella prospettiva di nuove tecnologie GD connesse tramite inverter controllato in P/Q CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Regolazione della tensione sulla rete MT Attualmente avviene in genere : Q Q attraverso l’inserzione/disinserzione dei banchi di condensatori connessi alla sbarra comune MT; agendo sul Variatore sotto carico del trasformatore di Cabina Primaria (che, come ben noto, comporta un’ azione di ridistribuzione della potenza reattiva). Si può pensare a questo fine di utilizzare la GD ? ->segue CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Regolazione della tensione sulla rete MT Attualmente avviene in genere : Q Q attraverso l’inserzione/disinserzione dei banchi di condensatori connessi alla sbarra comune MT; agendo sul Variatore sotto carico del trasformatore di Cabina Primaria (che, come ben noto, comporta un’ azione di ridistribuzione della potenza reattiva). Difficile implementare, in fase di programmazione, una strategia di regolazione comunque valida ! CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Revisione dell’attuale metodo di regolazione di tensione Q In corrispondenza ad una sensibile penetrazione della GD, l’attuale metodo di regolazione della tensione dovrebbe essere rivisto e richiederebbe lo sviluppo di sistemi di regolazione più sofisticati. Esaminiamo alcune proposte CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Proposta di controllo della tensione su una rete di distribuzione radiale con GD Linea 1 Rete Stazione A T A T/M T GD 1 Linea 2 Linea 3 MT Coordinamento delle produzioni reattive dei Generatori Dispersi per il mantenimento della tensione entro una fascia di tolleranza CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Algoritmo di regolazione Obiettivo: riportare la V ai nodi di riferimento entro la fascia di variazione ∆VK = VK,limite - VK ammessa Equazioni di Load Flow (metodo di NewtonRaphson) ∆ P2 ∆θ 2 M M -1 J ∆ θ n D C ∆ Pn ∆V = A B ∆Q 2 2 M M ∆Q ∆V n n ∆V = B*∆Q Se per qualche “nodo di riferimento” la tensione esce dai limiti impostati, si attiva l’algoritmo di regolazione delle reattive dei generatori ∆Q = (B* ) −1 ∆V Se le reattive assegnate ad ogni generatore sono compatibili con le rispettive curve di capability, allora la soluzione trovata è accettabile Variabili di Controllo: ∆Pi=0 ∀i, ∆Qi≠0 i=2…(Ng+1) CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Algoritmo di regolazione Volendo anche minimizzare le perdite del sistema si può risolvere il seguente problema di minimo vincolato min∆PL = min (A*∆Q + 1 ∆QT D*∆Q) 2 ∆V = B*∆Q In ogni caso Necessità di continui calcoli di load flow: inadeguatezza per applicazioni on-line CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Proposta di Controllori a Rete Neurale Linea 1 Possibili strutture di controllo P1, Q1 Rete AT AT/MT I) Controllore unico “centralizzato” Qgi Linea 2 P2, Q2 Qgi ai GD V CONTROLLORE UNICO Linea 3 Qgi P3, Q3 CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Proposta di Controllori a Rete Neurale Linea 1 Possibili strutture di controllo P1,Q1 Rete AT AT/MT II) Controllori dedicati “distribuiti” su ogni linea C 1 Qgi Linea 2 P2,Q2 C 2 Qgi V Linea 3 P3,Q3 CESI Milano, 31 Ottobre 2003 C 1 Qgi Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Controllo della potenza reattiva in un sistema a “microgrid” G en2 G en1 C1 G en5 R ete AT C2 G en3 G en4 G en7 G en6 C3 MT CESI Milano, 31 Ottobre 2003 G en8 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Il controllo di isole autonome Problemi complessi da risolvere, in particolare: Q Q Q Per la regolazione di frequenza si deve disporre di un sistema di controllo che consenta il riequilibrio istantaneo tra carico e generazione disponibile (Controllo del carico o della generazione) Si deve affrontare il problema delle richiusure e in generale del parallelo tra la rete e l’isola in corrispondenza di scambi con la cabina primaria. Si deve pensare ad una modalità di regolazione della tensione basata sulle disponibilità locali di potenza reattiva. CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Proposta di ottimizzazione del controllo reattivo in condizione di mercato libero dei servizi Regolazione Complessiva OLTC Metodo basato sui costi della potenza reattiva CESI Milano, 31 Ottobre 2003 GD Batterie condensatori di rifasamento Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Funzione obiettivo Costo della Q prodotta dai GD Costo della Q importata dalla rete AT f = Pp PL + Cgen ⋅ Q gen + Ccond ⋅ Q cond + CQAT Q AT Costo delle perdite attive CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Costo della Q prodotta dai banchi di condensatori Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Valore della potenza reattiva generata P Limite inferiore di eccitazione Limite di Turbina PNOM Limite d’armatura PLIM2 Limite di campo Q QMIN QLIM1 Regione I: QMin ¡ Q ¡ QLim1 la generazione/assorbimento di potenza reattiva avviene senza comportare una variazione della potenza attiva generata. Regione II: QLim1 ¡ Q ¡ QLim2 lo scambio di potenza reattiva con la rete comporta necessariamente una diminuzione della potenza attiva generata QLIM2 QMAX Curva di capability semplificata di un Generatore sincrono CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Valore della potenza reattiva generata CQ [€] Q LIM1 Q LIM2 Q M AX Q Remunerazione attesa dalla GD per produzione di potenza reattiva CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Algoritmo di ottimizzazione min [ f = p P + Cgen Qgen + Ccond Qcond +CAT QAT ] L Vmin i ¡ Vi ¡ Vmax i i=1:n Qmin k ¡ Qk ¡ Qmax k k=1:Ng Qmin j ¡ Qcond j ¡ Qmax j j=1:Nc tapmin ¡ m ¡ tapmax CESI Milano, 31 Ottobre 2003 dove : n: numero complessivo dei nodi Ng : numero dei generatori Nc : numero dei banchi di condensatori Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Applicazione dell’algoritmo di ottimizzazione Richieste del carico [p.u] 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0 CESI Milano, 31 Ottobre 2003 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 ore Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Applicazione dell’algoritmo di ottimizzazione [Mvar] 10 GD Reactive Power 5 0 0 Capacitor Reactive Power 2 4 6 8 [p.u.] 12 14 16 18 20 22 24 16 18 20 22 24 Tap position 0.05 0 -0.05 CESI Milano, 31 Ottobre 2003 10 0 2 4 6 8 10 12 14 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Applicazione dell’algoritmo di ottimizzazione F a scia d i va ria zio n e con sen tita 1 .0 8 1 .0 6 T en sio ne d i no o d[p .u .] 1 .0 4 1 .0 2 1 0 .9 8 0 .9 6 0 .9 4 0 .9 2 0 .9 0 .8 8 0 .8 6 0 2 4 CESI Milano, 31 Ottobre 2003 6 8 10 12 14 h ou rs 16 18 20 22 24 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova Torna al programma Possibile futuro controllo di rete Flussi energetici : elettrici, termici Rete AT Soggetti di controllo: Distrib. D.G. Carichi Gestore Rete AT: (dispacc., servizi aux.) V.P.P. Distributore: (dispacc. flussi eletrici e termici, regolazione di tensione) V.P.P.: (ottimizzazione generazione) comunicazioni CESI Milano, 31 Ottobre 2003 Dipartimento di Ingegneria Elettrica Università degli Studi di Padova