14 Powertechnology � novembre 2001

I grandi impianti industriali, concarichi di alcuni megawatt, gene-ralmente vengono alimentati in

media tensione, spesso con più diuna linea d’alimentazione dalla retepubblica fino alla stazione con i tra-sformatori principali.

Questa configurazione migliora lacontinuità di servizio, ma non puòdare alcun tipo di protezione all'im-pianto contro le microinterruzionidell’alimentazione, causate da gua-sti o da eventi atmosferici su linee ditrasmissione.

Questi eventi, che peraltro posso-no differenziarsi sensibilmente co-me entità e durata a seconda che iguasti siano più o meno vicini allastazione, durano generalmente me-no di un secondo e sono caratterizza-ti da un abbassamento della ten-sione fino al 50% (buchi di tensione)o al 100% (microinterruzioni) delvalore nominale.

Fin dal 1990, l’American Super-conductor ha concentrato la propriaattenzione sullo sviluppo di sistemi

ad accumulazione magnetica d’ener-gia con utilizzo di materiali super-conduttori (Superconducting Ma-gnetic Energy Storage - SMES), siaper il miglioramento della qualitàdell'energia, sia per la protezioned’impianti o di sezioni di essi ali-mentanti carichi sensibili alla qua-lità dell’alimentazione.

Il sistema SMES alimenta istan-taneamente l’impianto con la suaenergia accumulata e stabilizza latensione al verificarsi degli abbassa-menti di tensione.

L’accumulatore a superconduttoriimmagazzina l’energia elettrica inuna bobina avvolta su un nucleomagnetico, entrambi mantenuti atemperatura criogenica all’interno diun contenitore isolato termicamente.

Un raddrizzatore trasforma la ten-sione alternata della rete e carica labobina che, trovandosi in stato super-conduttivo, non offre alcuna resisten-za ohmica al passaggio della correntee, quindi, non crea perdite termiche.

Appena caricata con una correntedi alcune migliaia di ampere, la bobi-na viene cortocircuitata da un semi-conduttore, mantenuto anch’esso atemperatura criogenica, e la corrente

Rupert Schöttler, Mario Maggi

energiaenergia

circola in continuazione, esercitandola funzione di volano elettrico.

Il nucleo a temperatura criogenicaacquista una permeabilità molto ele-vata; come risultato si ottiene l’accu-mulo di un’elevata quantità d’ener-gia, immediatamente disponibile escaricabile in uno spazio ristretto.L’energia immagazzinata sotto formadi corrente continua viene ceduta,quando necessario, al sistema a cor-rente alternata tramite un invertered opportuni dispositivi di controllo acommutazione.

Esistono due metodi di connessio-ne alla rete, in serie ed in parallelo,dalla scelta dei quali dipendono leprestazioni del sistema.

�Alimentazione in serie L’alimentazione in serie (PQ VR) è unmetodo consolidato per ricostruireun’onda di tensione che presentaun’insellata dovuta ad un buco di ten-sione (figura 1).Applicando una ternadi vettori tensione sull’avvolgimentosecondario di un trasformatore d’ali-mentazione, si può sommare una ten-sione sul lato primario e riportare latensione lato carico al valore corretto.

Il massimo aumento di tensione è

Accumulatori a superconduttoriAccumulatori a superconduttori

Per colmare le mancanze transitorie d’energiadovute agli abbassamenti di tensione negli impiantiche utilizzano potenze dell’ordine dei MVA, sono oradisponibili accumulatori a superconduttori.Un’applicazione industriale in Italia

L’installazione funzionante alla STMicroelectronics

15Powertechnologynovembre 2001 �

�

fissato dal rapporto d’avvolgimentotra primario e secondario ed il massi-mo carico alimentabile determina ildimensionamento del trasformatore.

Se la potenza disponibile è suffi-ciente, la possibilità di ricostruzionedelle semionde di tensione raggiun-ge ben l’80%.

Gli accumulatori a supercondut-tori e l’elettronica di potenza posso-no essere parallelati per aumentarela capacità di recupero o la duratadel periodo di soccorso.

Il sistema inverter usato è deriva-to da sistemi standard ben collauda-ti e richiede due uscite, controllate inangolo di fase, per ogni fase. Per unbuon funzionamento, al sistema inserie è richiesto di fornire l’esattapotenza necessaria per compensarel’abbassamento di tensione. Lapotenza è determinata dall’effettivarichiesta del carico in quel momento,dalla profondità dell’abbassamento edal numero di fasi interessate. Ilsistema di accumulo magnetico è ingrado di fornire esattamente lapotenza mancante; di conseguenzala bobina superconduttrice si scari-cherà parzialmente, secondo lo sche-ma “Controlled Power”, inviando unacorrente modulata in larghezza d’im-pulso verso il DC link dell’inverter.

�Alimentazione in paralleloI sistemi d’alimentazione in paralle-lo (PQ IVR) (figura 3) attualmentedisponibili, permettono di avere si-stemi d’accumulo d’energia con ca-pacità di soccorso istantanea fino a20 MVAR, che si riducono a 18,4MVAR tenendo conto delle perditedel trasformatore.

La capacità di un sistema di com-pensazione in parallelo di ricostrui-re l’onda di tensione è determinatain prima approssimazione dal rap-porto fra la potenza iniettata nelpunto di collegamento alla rete e lapotenza di corto circuito della retestessa nel punto d’allacciamento.

Con un singolo accumulatore asuperconduttori da 20 MVAR si puòcosì proteggere un impianto che pre-senta una potenza di corto circuito di50 MVAR al punto di collegamentocon la rete, offrendo una capacità di

Figura 1

Schema unifilare di un sistema d’alimentazione in serie

Figura 3

Schema unifilare di un sistema d’alimentazione parallelo

Figura 2

Risultato di un’operazione di carry-over in un sistema d’alimentazione in serie, relativa ad un’installazione in Sud Africa

RM

S Vo

ltag

gio

Tempo/secondi carico linea

compensazione del 37% della tensio-ne di linea.Per aumentare il livello della com-pensazione di tensione, laddove lapotenza di corto circuito è molto al-ta, è possibile aggiungere un limita-

tore della corrente di guasto nel la-to verso il carico.

È importante rilevare che la tec-nica parallela non risente dell’effet-tivo livello del carico; ci si deveaspettare sempre la stessa percen-

16 Powertechnology � novembre 2001

limentazione d’energia elettrica, èrichiesta una velocità di rispostamolto elevata, al di sotto del tempodi un ciclo (20 ms).

Nei sistemi ad alimentazione inserie (figure 1 e 2), che sono conti-nuamente on-line, si controllano letre fasi comparandole con le sinusoi-di ideali.

Quando la deviazione supera ivalori prefissati in una finestra contolleranze variabili, s’inizia un ciclodi "carry over", cioè un’azione com-pensativa di trasferimento d’energiadalla bobina al carico, per riportarela tensione al valore nominale.

Il sistema PQ di tipo parallelo(figura 3) lavora, invece, con gliinverter in modalità stand-by, finchénon viene richiesta l’azione di com-pensazione a fronte di un’improvvisamancanza d’energia. Si tratta, quin-di, di un sistema ad alto rendimento

energiaenergia

per l’utilizzatore, molto superiore aqualsiasi altro sistema concorrente.Per attivare l’inverter in caso d’ab-bassamento della tensione nellalinea d’ingresso, il sistema controllale tensioni delle tre fasi e crea istan-taneamente una "previsione RMS"basandosi su campionamenti prece-denti ed attuali della forma dell’ondadi tensione.

Si può vedere in figura 4 che l’atti-vazione del gruppo soccorritoreavviene 3,8 ms dopo il rilevamento diun abbassamento di tensione, e dopoaltri 3 ms la corrente d’uscita dell’in-verter raggiunge il valore richiesto.

�Volano a superconduttoriSi è già visto come il sistema SMESaccumuli energia in un campo ma-gnetico, creato dal flusso di correntecontinua in una bobina di filo con-duttore realizzato con Niobio e

tuale di compensazione ad ogni cari-co. In pratica si considera che lapotenza del carico non sia superioread un quarto della potenza di corto-circuito disponibile.

Il sistema d’alimentazione inparallelo richiede un inverter velocea quattro quadranti (figura 4), chericeve dal microcontrollore comandidi corrente e di angolo di fase perogni linea e fase ed opera in modalitàa controllo di corrente, con controlloindipendente su ogni fase.

L’inverter utilizza moduli singolida 250 kVA; l’uscita viene sommata etrasformata in media tensione allivello desiderato mediante un tra-sformatore trifase standard. Gliattuali sistemi d’inverter offrono unaconsiderevole capacità di sovraccari-co istantaneo e questa caratteristicapermette di sfruttare completamentel’energia immagazzinata nella bobi-na da 2,7 MJ per eventi momentanei.

I sistemi SMES in parallelo rag-giungono la loro massima efficaciaquando la potenza reale impulsiva èal proprio valore massimo. Quindi loschema di scarica per la bobina è deltipo "Constant Voltage”.

La corrente della bobina vieneinviata in continuazione al DC linkdell’inverter ad alta tensione.

L’attuale sistema SMES prodottoda American Superconductor per-mette una disponibilità di oltre 3MW di potenza attiva istantanea perl’iniezione in rete.

�Alta velocità di rispostaPer tutte le applicazioni di controlloe miglioramento della qualità dell’a-

Figura 4

Risposta di un sistema parallelo a un abbassamento di tensione

Figura 5

Criostato ad alta efficienza

Setup del server DAS all’AmericanSuperconductor

Figura 6

17Powertechnologynovembre 2001 �

Titanio. Per mantenere l’elettroma-gnete in uno stato di superconduzio-ne, questo viene immerso in un crio-stato di acciaio inossidabile isolatotermicamente sotto vuoto, contenen-te elio liquido ad una temperaturaprossima allo zero assoluto, intornoa 4,2 K (figura 5).

L’impiego delle più aggiornate tec-niche d’ingegneria criogenica e l’uti-lizzo di terminali in materiale super-conduttore, anche a temperature piùalte (HTSC), riducono l’ingresso dicalore nel criostato a circa 1 W, unvalore così basso da permettere l’im-piego di un refrigeratore convenzio-nale raffreddato ad aria, tipoGifford-McMahon, per ricondensarela parte di elio diventata gassosa.

La bobina a superconduttoriviene caricata da un opportuno ali-mentatore a corrente continua. Unavolta caricata, lo stesso alimentatoreprovvede a fornire una limitata cari-ca di mantenimento, necessaria persuperare le minime perdite resistiveche si generano nella parte del cir-cuito che si trova a temperatura piùalta. Con questo accorgimento, lacorrente che circola nella bobina asuperconduttori è sempre al suovalore massimo, quindi nella condi-zione di poter accumulare il massi-mo possibile di energia.

Nel caso si presenti un disturbo

in linea, il sistema utilizza imme-diatamente l’energia immagazzina-ta per riportare la tensione al valoreiniziale.

�Sistema d’acquisizione datiOgni SMES di American Supercon-ductor utilizza un sistema d’acquisi-zione dati computerizzato (DAS =Data Acquisition System), integratonel controllore del sistema. L’utentepuò, quindi, accedere a molte infor-mazioni usate dal controllore e me-morizzarle, quali tensioni, correnti,pressioni, temperature, posizioni de-gli interruttori e altro, e può crearnedi nuove, come informazioni di stato,avvisi e allarmi.

Normalmente vengono distinti tretipi di dati, che vengono generati, sal-vati localmente e trasmessi, via mo-dem e linee telefoniche, ad un serverper una memorizzazione sicura eun’ulteriore elaborazione (figura 6).

I dati lentamente variabili quali,ad esempio, le temperature, il livellodell’elio liquido, le pressioni, vengonomemorizzati mediamente ogniminuto ed inviati al server una voltaal giorno; servono al personale tecni-co principalmente per controllare lafunzionalità del sistema e per attiva-re, se necessario, azioni correttive.

I dati digitali vengono creati dacambi di stato, come ad esempio il

passaggio da stato di attività a statodi disattività del sistema, le commu-tazioni, gli avvisi o gli allarmi peranomalia.

Le informazioni considerateurgenti vengono inviate immediata-mente al server per allertare il servi-zio assistenza, tramite palmari wire-less o telefoni cellulari.

I dati ad alta velocità sono genera-ti dall’attività del sistema chiamata“carry-over”.

Per ogni evento di soccorso con for-nitura di corrente, che segue unabbassamento di tensione, vengonoacquisiti numerosi segnali ad altavelocità. Un blocco di questi dati con-tiene tipicamente quattro secondid’informazioni, con mezzo secondo dipre-trigger. Questi dati vengonosempre inviati al server per l’analisidelle prestazioni del sistema e perricavare statistiche sulla qualità del-l’energia elettrica.

Un’interfaccia grafica remota perl’utente (RGUI) permette un accessoal sistema in tempo reale. La connes-sione può essere effettuata da ogniPC con Windows, sia localmente, tra-mite una connessione seriale RS485,sia in remoto, via modem e lineatelefonica. In funzione delle autoriz-zazioni concesse all’utilizzatore, èpossibile conoscere in tempo reale lostato del sistema, i parametri e i �

I vantaggi degli SMESUn sistema ad accumulo d’energia magnetica a superconduttori offre importanti vantaggi rispetto ad altre tecniche di accumulo, quali:

� immagazzinare energia in un campo magnetico sotto formadi corrente elettrica permette un rapido ed efficiente accessoall’energia con un tempo di risposta decisamente più breverispetto a qualsiasi altra tecnologia;

� un singolo sistema accumulatore può erogare più di 3 MWdi potenza istantanea;

� i sistemi SMES sono intrinsecamente sicuri; essi si spengono da soli, entro pochi secondi, nel caso di problemiinattesi od imprevisti. I sistemi criogenici usati per mantenerele basse temperature sono ambientalmente sicuri e non vengono impiegati prodotti chimici pericolosi;

� non ci sono parti mobili associate all’accumulatored’energia, eliminando quindi usura e necessità di manutenzione;

� la funzionalità del sistema e la vita utile non sonoinfluenzate né dal numero di cicli di carica e scarica, né dalla profondità della scarica. Figura 7

Integrazione degli SMES alla ST Microelectronicsdi Agrate Brianza

18 Powertechnology � novembre 2001

energiaenergia

ING. RUPERT SCHÖTTLER, American Superconductor EuropeGmbH – Kaarst (Germania)MARIO MAGGI

Consultronica – Milano

AUTORI

valori delle grandezze in gioco; è pos-sibile, inoltre, comandare il sistemada una postazione remota, modifica-re qualche parametro ed aggiornareil software di controllo.

�Un’applicazione in Italia Oltre alle già citate configurazionicon alimentazione in serie ed in pa-rallelo, esiste anche la soluzione“combinata” parallelo (PQ IVR) eserie (PQ VR): tale configurazione èstata applicata presso la fabbrica disemiconduttori STMicroelectronicsdi Agrate Brianza, in provincia diMilano.

Lo stabilimento, con un caricocomplessivo di circa 35 MW, è ali-mentato da due linee di trasmissio-ne a 130 kV con una sottostazione130 kV/15 kV, interamente dedicataalla fabbrica.

Come media, negli ultimi anni, lostabilimento ha registrato circa 50abbassamenti di tensione all’anno,ma mai una vera mancanza (micro-interruzione).

Grazie al doppio sistema d’ali-mentazione, la tensione minimadurante gli abbassamenti non è maiscesa sotto il 45% della tensionenominale e gli abbassamenti hannoavuto durate sempre di molto infe-riori al secondo.

Una deviazione della tensioneentro +/- 10% dalla nominale delladurata di 20 ms, non determina

alcun inconveniente al processo pro-duttivo. Di conseguenza, un sistemadi compensazione degli abbassamen-ti di tensione dimensionato per unacapacità di soccorso del 45%, capacequindi di ricostruire la tensione finoad almeno il 90% della nominale,risponde perfettamente alle esigenzeproduttive dell’impianto. La figura 7mostra lo schema unifilare dello sta-bilimento STMicroelectronics inte-ressato dall’installazione della solu-zione combinata PQ IVR/PQ VR.

Un carico da 10 MVA, alimentatoda un feeder, è protetto da un siste-ma SMES. Per aumentare l’effettodel sistema d’alimentazione inparallelo, è stata inserita una reat-tanza al fine di ridurre la potenza dicorto circuito disponibile.

Il sistema di compensazione inparallelo PQ IVR offre una capacitàdi soccorso di non meno del 37% (ivalori effettivi variano col carico e lecaratteristiche dell’alimentazione, epossono essere maggiori), mentre ilsistema di compensazione in seriePQ VR aggiunge un altro 13%, por-tando la capacità di soccorso totalead oltre il 50% ed offrendo così unadeguato margine di sicurezza perfronteggiare la quasi totalità degliabbassamenti di tensione registratisull’alimentazione.

�L’esperienza sul campoI sistemi SMES prodotti da Ame-

rican Superconductor sono inesercizio in impianti fin

dal 1990.I clienti sono costituitida utilities in Europa,Sud Africa e Nord Ame-rica, da utilizzatori indu-striali nei settori dei se-miconduttori, della chi-mica, della metallurgia,della plastica e della car-ta, nonché da strutturegovernative legate alla ri-cerca ed alla difesa.

Tutti gli SMES fornitifinora sono installati susemirimorchi mobili (fi-gura 8), sebbene sia possi-bile anche l’installazione

all’interno di strutture fisse.I vantaggi della soluzione

mobile consistono nella minimiz-zazione degli spazi e nel fatto chenon sono necessarie complessemodifiche alla geometria dei locali,modifiche indispensabili nel caso diun’installazione fissa al chiuso.

La predisposizione in loco perl’installazione è molto semplice:sono richieste solo elementari operecivili per le fondazioni, una recin-zione e i cavi per la connessione.

Tutti i componenti del sistemaPower Quality sono completamenteassemblati e collaudati nel containerprima dell’arrivo sul luogo d’instal-lazione. L’attivazione e l’adattamen-to del sistema normalmente richie-dono meno di due settimane, tempodeterminato principalmente dallanecessità d’effettuare un raffredda-mento lento del contenitore criogeni-co contenente l’elettromagnete.

Inoltre, la soluzione mobile ha ilgrosso vantaggio di permettere unfacile ed economico trasferimentoin altra posizione, se le caratteristi-che del sito vengono modificate enon richiedono più tale sistema dicompensazione, ad esempio, perchél’impianto viene alimentato da unarete elettrica più affidabile.

Sistema SMES PQ VRrealizzato su trailer

Figura 8