Sistema di controllo dello scambio di potenza tra accumulo ... · dell'energia da fonti rinnovabili...
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Pisa – 22 maggio 2013
Sistemi di accumulo elettrochimico per la cessione programmata alla retedell'energia da fonti rinnovabili e per i servizi di potenza
Sezione Toscana e Umbria Nord
Sistema di controllo dello scambio di potenza tra accumulo e rete
Stefano BarsaliDipartimento di Ingegneria dell’Energia dei Sistemi
del Territorio e delle [email protected]
Sistemi di accumulo elettrochimico per la cessione programmata alla retedell'energia da fonti rinnovabili e per i servizi di potenza – Pisa – 22 maggio 2013Stefano Barsali: Sistema di controllo dello scambio di potenza tra accumulo e rete
Dipartimento di Ingegneria dell’Energia, dei Sistemi,del Territorio e delle Costruzioni - DESTEC
Struttura dei sistemi elettrici• Produzione in impianti di taglia elevata
– Economia di scala– Elevati rendimenti
– Riduzione dell’impatto ambientale
• Trasmissione su reti in altissima tensione– Struttura magliata e interconnessa
– Sistemi predisposti per ospitare produzione
• Distribuzione con reti locali– Struttura radiale
– Flussi unidirezionali verso utenti passivi
Efficienza
Contenimento del prezzo
Sicurezza della fornitura
Qualità del vettore elettrico
Str
uttu
ra v
ertic
alm
ente
inte
grat
a
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• L’energia elettrica non è praticamente accumulabile• Produzione e carico devono essere costantemente in
equilibrio in ogni sistema elettrico, di qualunque dimensione• Le reti elettriche possono costituire un limite ai flussi• I margini di scostamento dall’equilibrio sono minimi• 10% di squilibrio porta a 2.5Hz di deviazione in 5 secondi• I sistemi di regolazione devono essere sufficientemente
pronti
Energia elettrica e sistema elettrico
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Se l’equilibrio non viene mantenuto…
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Ruoli e funzioni attuali
Mantenimento equilibrioRegolazioneRiserva
Adeguamento topologiaRiduzione perditeQualitàRiserva di reteAccesso
Reti
Produzione UtenzaFonti
primarie
Accumulocombustibilee serbatoi idraulici
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Equilibrio tra generatori e carichi10 Luglio 2012
15 Agosto 2012
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Fluttuazioni fonti rinnovabili
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Fluttuazioni rapide dovute alla macchinainterazione torre-pala negli aerogeneratori
ω=ωω
ω=ω= ∫∫
πff
T
f
Ptdt
PdttPE
2sinsin
0
2
0
T = 1 sPf = 0.15 p.u.
Pn = 1 MW
E ≈ 50 kJ ≈ 15 WhEc ≈ 3 MJE/Ec < 2%
Fonte: T.Ackermann “Wind power in power systems”
Energie minime compensabili con l’accumulo intrinseco dato dall’inerzia delle macchine
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Fluttuazioni della sorgente eolica
ω=ωω
ω=ω= ∫∫
πff
T
f
Ptdt
PdttPE
2sinsin
0
2
0
T = 1 minPf = 250 kW
Pn = 1 MW
E ≈ 5 MJ ≈ 1.5 kWhEc ≈ 3 MJE/Ec > 100%
Fluttuazioni non prevedibili.Energie piccole facilmente ottenibili integrando sistemi di accumulo a bordo delle macchine
Fonte: T.Ackermann “Wind power in power systems”
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Fluttuazioni della sorgente eolica
Sulle frequenze intermedie non ci sono fluttuazioni rilevanti
Prevedibili, ma errori di previsione coinvolgono un numero elevato di generatori e una quota notevole di potenza
Fonte: T.Ackermann “Wind power in power systems”
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Anche se la previsione fosse esatta…
Manca la capacità di regolazioneL’inerzia del sistema è ridotta
Manca un adeguato contributo alle correnti di corto circuito della rete
Gli impianti sono spesso connessi a reti di distribuzione
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ΩΩΩΩm
ΩΩΩΩrifcontr. attuat. inerzia
C
Pg
rete
++
-
-
Regolatore di frequenza nei sistemi elettrici “tradizionali”
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P’gP
f’
fn
f
C’n Cn=Pg,n
Risposta di un gruppo rotante ad una variazione di carico
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f
Ptgfn
f’
PCn’ Cn
Errore a regime e regolazione secondaria
Una volta raggiunto l’equilibrio permane uno scostamento della frequenza dal valore nominale
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f
Ptgfn
f’
PCn’ Cn
Errore a regime e regolazione secondaria
Il dispacciatore centrale invia alle unità segnali opportuni per modificare le caratteristiche di ciascun gruppo in modo che la caratteristica complessiva intersechi quella del carico ad un valore di frequenza pari a quello nominale (50Hz)
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49.85
49.9
49.95
50
50.05
50.1
50.15
2 3 : 3 0 : 0 00 :3 0 : 0 0
1 : 3 0 : 0 0
2 :3 0 : 0 0
3 : 3 0 : 0 0
4 : 3 0 : 0 0
5 : 3 0 : 0 0
6 : 3 0 : 0 0
7 : 3 0 : 0 0
8 :3 0 : 0 0
9 : 3 0 : 0 0
1 0 : 3 0 : 0 01 1 :3 0 : 0 0
Hz
49.85
49.9
49.95
50
50.05
50.1
50.15
1 1 :3 0
1 2 :3 0
1 3 :3 0
1 4 :3 0
1 5 :3 0
1 6 :3 0
1 7 :3 0
1 8 :3 0
1 9 :3 0
2 0 :3 0
2 1 :3 0
2 2 :3 0
2 3 :3 0
Hz
La frequenza in 24 ore
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Come si possono far partecipare i sistemi diaccumulo alla regolazione di rete
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Sistemi di controllo inverterLogiche usuali:
• Funzionamento in parallelo– controllo in modulo e fase della tensione rispetto alla rete (controllo PQ)– controllo in corrente (modulo e fase rispetto alla rete)
• Funzionamento in isola– controllo in ampiezza e frequenza della tensione
• Necessità di modificare il controllo in funzione della condizione di funzionamento (segnale di commutazione)
• Necessità di coordinare il funzionamento di più inverter in parallelo su un’isola
• Comunicazione tra macchine, e tra macchine e interfaccia
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Sistemi di controllo inverterLogica ideale per svolgere servizi di rete:
• Deve agire solo sulla base di misure locali• Deve operare in parallelo alla rete, in parallelo ad altri
dispositivi simili ed in isola• Non deve influenzare le protezioni di rete, né essere
danneggiato o influenzato dalle richiusure automatiche delle protezioni di rete
• Non deve essere necessario riconoscere se il sistema stia funzionando in isola o in parallelo alla rete
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Logica controllore con statismo
Riferimento Q
Tensione ai morsetti
Q ref
V
Riferimento P
Frequenza di rete
P ref
f
Inverter con controllo di potenza Potenza reattiva erogata
Riferimento di tensione
Q inv
V
Potenza attiva erogata
Riferimento di frequenza
P inv
f
Inverter con cotrollo di ampiezza e frequenza della tensione
ref ref
Inverter
Batteria
ControlloInverter
impulsi riferimenti Controllo con
statismo
Stima SOC
segnali di rete
SOC
misure dalla batteria
sbarra in CC
Rete
programma di gestione
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Architettura controllore
+ _
Mis
ure
dai m
orse
tti d
ell’
inve
rter
Accumulo Filtro V, ϑ V
P, Q, I I inv I DC
V DC E, ϑ E
P
f
Q
V
P max
Lim I
P
Q
V
I
ϑ V
R
impulsi
Controllo di massima corrente
Al c
ontr
ollo
de
lle v
alvo
le
I inv
on/off
E
ϑ E
Gen
erat
ore
degl
i im
puls
i di a
ccen
sion
e
frequenza Tensione
Mis
ure
dai m
orse
tti d
ell’
inve
rte
r
f
0
Potenza attiva
f 1
1
P
Controllo Pmax
f
2
Controllo con statismo
Potenza reattiva
V
ref
Q
V ref0
frequenza Tensione riferimento
Controllo Qmax
Controllo Pmin
Controllo Qmin
( ) ( ) ( )∫ π= dttftmVtE dc 2sin
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Esempio su rete MT - schema
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Esempio su rete MT – risultati simulazioni
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-250
0
250
500
750
1000
tempo [s]
Pot
enze
SW
VC
P [kW]Q [kVar]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-250
0
250
500
750
1000
1250
tempo [s]
Pot
enze
RE
TE
P [kW]Q [kVar]
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 548.5
49
49.5
50
50.5
tempo [s]
freq
uenz
a [H
z]
IsolaParallelo
Mod. rif. V
Mod. rif. f
Sistemi di accumulo elettrochimico per la cessione programmata alla retedell'energia da fonti rinnovabili e per i servizi di potenza – Pisa – 22 maggio 2013Stefano Barsali: Sistema di controllo dello scambio di potenza tra accumulo e rete
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Esempio su rete BT - schema
Grid equivalent Grid
switch
Eq. loads
Shedding relay
1 Filter
Inverter 1
+ _
Prime source
Filter
Inverter 2
+ _
Prime source 2
Inverters: Pn=85kW Imax=1.5p.u. Ip max=2.2 p.u. Voltage droop: 5% Frequency droop: 2% V =1p.u f =1.015 f =1.02 Loads: P1=140kW Q1=60kvar P2=300kW Q2=150kvar Grid: Pcc=10MVA
r0 01 02
S. Barsali, D.Poli, “Innovative techniques to control inverter interfaced distributed generators”International conference on electricity distribution, CIRED 2003, Barcelona, Spain, May 12-15, 2003
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Esempio su rete BT – risultati simulazioni
0.0 0.5 1.0 1.5 -1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Time [s]
Real power [p.u.] Fault begins
Fault clearing
Load shedding
Automatic reclosure Resynchr.
0.0 0.5 1.0 1.5 -1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
Time [s]
Reactive power [p.u.]
Fault begins
Fault clearing
Load shedding
Automatic reclosure
Resynchr.
0.0 0.5 1.0 1.5 0
1
2
3
Time [s]
Current rms [p.u.]
Fault begins
Fault clearing
Load shedding
Automatic reclosure
Resynchr.
0.0 0.5 1.0 1.5 0.0
0.4
0.8
1.2
Time [s]
Bus voltage rms [p.u.]
Fault begins
Fault clearing
Load shedding
Automatic reclosure
S. Barsali, D.Poli, “Innovative techniques to control inverter interfaced distributed generators”International conference on electricity distribution, CIRED 2003, Barcelona, Spain, May 12-15, 2003
Sistemi di accumulo elettrochimico per la cessione programmata alla retedell'energia da fonti rinnovabili e per i servizi di potenza – Pisa – 22 maggio 2013Stefano Barsali: Sistema di controllo dello scambio di potenza tra accumulo e rete
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Funzionamento inverter EEI
0 50 100 150 200s-40
-30
-20
kW
49.9
50.0
50.1
Hz