Integrazione degli impianti fotovoltaici nella rete...

Integrazione del fotovoltaico in edilizia: Soluzioni e prospettive per il sistema elettrico - Milano 30 Giugno 2003

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Integrazione degli impiantifotovoltaici nella rete

elettricaG. Simioli

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Indice degli argomenti

• Considerazioni introduttive

• Quadro normativo - Norma CEI 11-20

• Isola indesiderata - Prove in impianto


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RETE ELETTRICA MT/BT progettata e gestita:RETE ELETTRICA MT/BT progettata e gestita:

➨➨ per un ESERCIZIO RADIALE (senzaper un ESERCIZIO RADIALE (senza magliature magliature in MT e BT) in MT e BT)

➨➨ con carichi presenti sostanzialmente PASSIVI, ovverocon carichi presenti sostanzialmente PASSIVI, ovveroflusso di potenza UNIDIREZIONALE (dalla rete al livello diflusso di potenza UNIDIREZIONALE (dalla rete al livello ditensione superiore a quello inferiore)tensione superiore a quello inferiore)

➨➨ con livello delle correnti di corto circuito sostanzialmentecon livello delle correnti di corto circuito sostanzialmentedeterminato dalla rete al livello di tensione superioredeterminato dalla rete al livello di tensione superiore

PROTEZIONI, AUTOMATISMI e SISTEMI diPROTEZIONI, AUTOMATISMI e SISTEMI diCONTROLLO/REGOLAZIONE progettati per un sistema reteCONTROLLO/REGOLAZIONE progettati per un sistema retecon le caratteristiche sopraddettecon le caratteristiche sopraddette


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Quadro normativo e criteri di connessioneQuadro normativo e criteri di connessione

Norma CEI 11-20 “Impianti di produzione diNorma CEI 11-20 “Impianti di produzione dienergia elettrica e gruppi di continuità collegati aenergia elettrica e gruppi di continuità collegati areti di I e II categoria”. IV Edizionereti di I e II categoria”. IV Edizione

Aspetti principaliAspetti principali

➨➨ Criteri di collegamento alla reteCriteri di collegamento alla rete

➨➨ Criteri di protezioneCriteri di protezione

➨➨ Criteri di sicurezza (contatti indiretti e stato del neutro) Criteri di sicurezza (contatti indiretti e stato del neutro)

➨➨ Criteri di installazione Criteri di installazione

Prescrizioni circa l’avviamento degli impianti diPrescrizioni circa l’avviamento degli impianti diproduzioneproduzione


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Campo di applicazione della Norma CEI 11-20 Campo di applicazione della Norma CEI 11-20 /1/1

Il campo di applicazione della Norma CEI 11-20Il campo di applicazione della Norma CEI 11-20riguarda:riguarda:

impianti in installazione fissa, mobile oimpianti in installazione fissa, mobile o

trasportabile di potenza superiore a 1 kW, chetrasportabile di potenza superiore a 1 kW, che

convertono ogni forma di energia utile in energiaconvertono ogni forma di energia utile in energia

elettrica, collegati in parallelo alle reti pubbliche dielettrica, collegati in parallelo alle reti pubbliche di

I e II categoria in modo normale, di breve durata,I e II categoria in modo normale, di breve durata,

oppure funzionanti in isola su rete del produttore.oppure funzionanti in isola su rete del produttore.


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Campo di applicazione della Norma CEI 11-20 Campo di applicazione della Norma CEI 11-20 /2/2

Gli impianti considerati sono i seguenti:Gli impianti considerati sono i seguenti:

1) con riferimento alla fonte di energia1) con riferimento alla fonte di energia➨➨ motore a combustione interna o esterna, motore amotore a combustione interna o esterna, motore a

espansione, motore eolico, motore idraulico, motoreespansione, motore eolico, motore idraulico, motoreelettrico;elettrico;

➨➨ celle a combustibile, accumulatore elettrochimico,celle a combustibile, accumulatore elettrochimico,cellecelle fotovoltaiche fotovoltaiche..

2) con riferimento alla macchina elettrica2) con riferimento alla macchina elettrica➨➨ generatori sincroni, generatori asincroni,generatori sincroni, generatori asincroni,

convertitori c.c./c.a., convertitori c.a./c.c.,convertitori c.c./c.a., convertitori c.a./c.c.,convertitori c.a./c.a.convertitori c.a./c.a.


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Criteri di collegamento alla rete - GeneralitàCriteri di collegamento alla rete - Generalità

➨➨ Il funzionamento di impianti di produzione in isola suIl funzionamento di impianti di produzione in isola sucarichi privilegiati è consentito qualunque sia il sistema.carichi privilegiati è consentito qualunque sia il sistema.

➨➨ Il funzionamento di impianti di produzione in parallelo alla Il funzionamento di impianti di produzione in parallelo allarete pubblica di I categoria è consentito ad impianti direte pubblica di I categoria è consentito ad impianti diproduzione con macchine rotanti di tipo asincrono nonproduzione con macchine rotanti di tipo asincrono nonautoeccitateautoeccitate e ad impianti di produzione con macchine e ad impianti di produzione con macchinestatiche (convertitori elettronici a semiconduttori) chestatiche (convertitori elettronici a semiconduttori) chefunzionino con fattore di potenza unitario. Sono ammessifunzionino con fattore di potenza unitario. Sono ammessiimpianti statici monofase solo di potenza inferiore a 5impianti statici monofase solo di potenza inferiore a 5 kVA kVA..

➨➨ Il funzionamento di impianti di produzione in parallelo ad Il funzionamento di impianti di produzione in parallelo aduna rete pubblica di II categoria è consentito per qualsiasiuna rete pubblica di II categoria è consentito per qualsiasiimpianto di produzione trifase.impianto di produzione trifase.


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Criteri di collegamento alla rete - Verifiche Criteri di collegamento alla rete - Verifiche /1/1

➨➨ La potenza complessiva della GD deve essere compatibileLa potenza complessiva della GD deve essere compatibilecon i criteri di esercizio della rete.con i criteri di esercizio della rete.

➨➨ La corrente di corto circuito non deve superare il potere diLa corrente di corto circuito non deve superare il potere diapertura e chiusura degli interruttori presenti rete.apertura e chiusura degli interruttori presenti rete.

Tipicamente gli impianti PV forniscono un apporto limitatoTipicamente gli impianti PV forniscono un apporto limitatoalle correnti di alle correnti di cto cto cto cto (max 2 In).(max 2 In).

➨➨ Deve essere garantita la selettività del sistema diDeve essere garantita la selettività del sistema diprotezione esistente anche dopo l’inserimento del/i nuovo/iprotezione esistente anche dopo l’inserimento del/i nuovo/igeneratore/i.generatore/i.

Rispetto altre tipologie di GD, impianti PV hanno menoRispetto altre tipologie di GD, impianti PV hanno menoimpatto sul sistema di protezione.impatto sul sistema di protezione.


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➨➨ Devono essere verificati i profili di tensione e le correntiDevono essere verificati i profili di tensione e le correnticircolanti nelle linee.circolanti nelle linee.

Possibili criticità per allacciamenti nelle parti terminali (conPossibili criticità per allacciamenti nelle parti terminali (conimpedenza più elevata) di linee lunghe.impedenza più elevata) di linee lunghe.

➨➨ La qualità della tensione deve rimanere inalterata (inLa qualità della tensione deve rimanere inalterata (intermini di variazioni di tensione, armoniche etermini di variazioni di tensione, armoniche e flicker flicker).).

L’introduzione di PV non deve comportare, in termini diL’introduzione di PV non deve comportare, in termini dicontenuto armonico e di fluttuazioni di tensione, ilcontenuto armonico e di fluttuazioni di tensione, ilsuperamento del livello di compatibilità delle reti.superamento del livello di compatibilità delle reti.


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➨➨ Il fattore di potenza di funzionamento della GD al punto diIl fattore di potenza di funzionamento della GD al punto diconsegna deve essere tale da consentire un normaleconsegna deve essere tale da consentire un normaleesercizio della rete.esercizio della rete.

CEI 11-20 attuale prevede il funzionamento a CEI 11-20 attuale prevede il funzionamento a coscosϕϕ=1=1

➨➨ Il distributore può concordare un piano di scambio diIl distributore può concordare un piano di scambio dipotenza reattiva tra GD e rete in relazione allepotenza reattiva tra GD e rete in relazione allecaratteristiche degli impianti di generazione e della retecaratteristiche degli impianti di generazione e della retestessa.stessa.

Attualmente non possibile per gli impianti PV.Attualmente non possibile per gli impianti PV.


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Criteri di collegamento alla rete - Schemi diCriteri di collegamento alla rete - Schemi dicollegamento collegamento /1/1

Lo schema di collegamento assolve alle funzioni:Lo schema di collegamento assolve alle funzioni:

a)a) Avviamento, esercizio, arresto dell’impianto inAvviamento, esercizio, arresto dell’impianto incondizioni normali.condizioni normali.

b)b) Arresto del generatore in presenza di guasti oArresto del generatore in presenza di guasti ofunzionamenti anomali nell’impianto difunzionamenti anomali nell’impianto diproduzione.produzione.

c)c) Intervento coordinato dei dispositivi delIntervento coordinato dei dispositivi delgeneratore e della rete del produttore per guastigeneratore e della rete del produttore per guastidurante funzionamento in isola.durante funzionamento in isola.


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d)d) Intervento coordinato dei vari dispositivi diIntervento coordinato dei vari dispositivi dicollegamento per guasti o funzionamenticollegamento per guasti o funzionamentianomali interni alla rete del produttore duranteanomali interni alla rete del produttore duranteil funzionamento in parallelo.il funzionamento in parallelo.

e)e) Distacco dell’impianto di produzione nel caso diDistacco dell’impianto di produzione nel caso diguasti o funzionamenti anomali della rete o perguasti o funzionamenti anomali della rete o peraperture intenzionali dell’interruttore della reteaperture intenzionali dell’interruttore della retepubblica.pubblica.


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Criteri diCriteri dicollegamento allacollegamento allarete - Schemi direte - Schemi dicollegamento collegamento /3/3

➨➨DispositivoDispositivogeneralegenerale

➨➨Dispositivo diDispositivo diinterfacciainterfaccia

➨➨Dispositivo delDispositivo delgeneratoregeneratore


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Ogni dispositivo dello schema di connessione, ovvero ilOgni dispositivo dello schema di connessione, ovvero ildispositivo generale, quello di interfaccia e quello deldispositivo generale, quello di interfaccia e quello delgeneratore, sarà composto da uno o più organigeneratore, sarà composto da uno o più organielettromeccanici e/o da specifici componenti elettrici.elettromeccanici e/o da specifici componenti elettrici.

Ognuno di questi dispositivi sarà azionato da specificheOgnuno di questi dispositivi sarà azionato da specificheprotezioni, in relazione alla tipologia dell’impianto diprotezioni, in relazione alla tipologia dell’impianto diproduzione dell’energia, ovvero se lo stesso è destinato alproduzione dell’energia, ovvero se lo stesso è destinato alfunzionamento in parallelo con la rete pubblica, alfunzionamento in parallelo con la rete pubblica, alfunzionamento in isola su rete del produttore o alfunzionamento in isola su rete del produttore o alfunzionamento breve di parallelo.funzionamento breve di parallelo.

I diversi dispositivi e le protezioni su essi agenti, devonoI diversi dispositivi e le protezioni su essi agenti, devonoessere coordinati.essere coordinati.


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Gli impianti di produzione destinati al funzionamento inGli impianti di produzione destinati al funzionamento inparallelo alla rete pubblica di I categoria e che prevedonoparallelo alla rete pubblica di I categoria e che prevedonol’impiego di un convertitore elettronico c.c./c.a. trifase per lal’impiego di un convertitore elettronico c.c./c.a. trifase per laconnessione alla rete, devono avere la separazione galvanicaconnessione alla rete, devono avere la separazione galvanicatra la parte c.c. dell’impianto di generazione e la rete c.a..tra la parte c.c. dell’impianto di generazione e la rete c.a..

La prescrizione comporta l’adozione di un trasformatoreLa prescrizione comporta l’adozione di un trasformatoreposto tra il convertitore statico e la rete c.a.. L’obiettivo diposto tra il convertitore statico e la rete c.a.. L’obiettivo ditale soluzione circuitale è evitare che possibili componenti intale soluzione circuitale è evitare che possibili componenti inc.c. presenti nella tensione o nella corrente generate dalc.c. presenti nella tensione o nella corrente generate dalconvertitore diano luogo a fenomeni di saturazione neiconvertitore diano luogo a fenomeni di saturazione neitrasformatori della rete pubblica.trasformatori della rete pubblica.


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Criteri di collegamento alla rete - Coordinamentodei dispositivi di protezione


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Criteri di collegamento alla rete - Protezioni edispositivo di interfaccia /1

Particolare importanza, in materia di sicurezza,Particolare importanza, in materia di sicurezza,riveste il riveste il dispositivo di interfacciadispositivo di interfaccia, ovvero l’organo, ovvero l’organoelettromeccanico che, se comandato all’aperturaelettromeccanico che, se comandato all’aperturadalle relative dalle relative protezioni di interfacciaprotezioni di interfaccia, esegue la, esegue lafunzione e), funzione e), Distacco dell’impianto di produzioneDistacco dell’impianto di produzionenel caso di guasti o funzionamenti anomali dellanel caso di guasti o funzionamenti anomali dellarete o per aperture intenzionali dell’interruttorerete o per aperture intenzionali dell’interruttoredella rete pubblica.della rete pubblica.Il dispositivo di interfaccia impedisce il possibileIl dispositivo di interfaccia impedisce il possibileinstaurarsi di fenomeni di isola indesiderata.instaurarsi di fenomeni di isola indesiderata.


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Criteri di collegamento alla rete - Protezioni edispositivo di interfaccia /2

Allo stesso tempo le protezioni che agiscono sulAllo stesso tempo le protezioni che agiscono suldispositivo di interfaccia non essere soggette adispositivo di interfaccia non essere soggette ascatti intempestivi a fronte di eventi di rete chescatti intempestivi a fronte di eventi di rete chenon comportano la “non comportano la “perditaperdita” della rete stessa” della rete stessa(buchi di tensione).(buchi di tensione).


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Criteri di collegamento alla rete - Protezioni cheagiscono sul disp. interfaccia - Rete II categoria


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Criteri di collegamento alla rete - Protezioni cheagiscono sul disp. interfaccia - Rete I categoria


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Possibili future variazioni della norma CEI 11-20Possibili future variazioni della norma CEI 11-20

➨➨ Possibilità di funzionamento a Possibilità di funzionamento a coscosϕϕ diverso da 1 diverso da 1..

➨➨ Possibilità di concordare un piano di scambio di potenzaPossibilità di concordare un piano di scambio di potenzareattiva tra distributore e produttore.reattiva tra distributore e produttore.

➨➨ Possibilità di collegare un impianto PV senza trasformatorePossibilità di collegare un impianto PV senza trasformatoredi connessione ma con limitazioni sulla max di connessione ma con limitazioni sulla max IccIcc erogabile. erogabile.


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Isola indesiderata - Prove in campoIsola indesiderata - Prove in campo

ObiettiviObiettivi

AnalisiAnalisi del comportamento di un impianto di produzione del comportamento di un impianto di produzione((AdranoAdrano - Catania) composto da più convertitori statici - Catania) composto da più convertitori staticiautocommutatiautocommutati, monofase e trifase, con fonte primaria di, monofase e trifase, con fonte primaria ditipotipo fotovoltaico fotovoltaico, taglia di potenza da qualche kW sino 20 kW, taglia di potenza da qualche kW sino 20 kWcirca, connessi in parallelo alla rete elettrica di distribuzionecirca, connessi in parallelo alla rete elettrica di distribuzionein presenza di funzionamenti anomali o guasti della stessa.in presenza di funzionamenti anomali o guasti della stessa.

Valutazione dell’efficacia delle cosiddette “Valutazione dell’efficacia delle cosiddette “protezioni diprotezioni diinterfacciainterfaccia” interne implementate nei convertitori statici” interne implementate nei convertitori staticic.c./c.a., che non sono le protezioni unificate dalla società dic.c./c.a., che non sono le protezioni unificate dalla società didistribuzione per l’allacciamento didistribuzione per l’allacciamento di autoproduttori autoproduttori alla rete alla retestessa di distribuzionestessa di distribuzione


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ProveProve

I convertitori, funzionanti in parallelo tra loro ed in presenza diI convertitori, funzionanti in parallelo tra loro ed in presenza didiverse tipologie di carichi (sia passivi che attivi), sono stati sottopostidiverse tipologie di carichi (sia passivi che attivi), sono stati sottopostia tipici eventi di rete quali:a tipici eventi di rete quali:

interruzioni dell’alimentazione di reteinterruzioni dell’alimentazione di rete, allo scopo di verificare la, allo scopo di verificare lapossibilità di funzionamenti anomali di “isola indesiderata” durante lepossibilità di funzionamenti anomali di “isola indesiderata” durante lequali il sistema di generazione potrebbe rimanere in esercizio qualoraquali il sistema di generazione potrebbe rimanere in esercizio qualoravi sia un equilibrio tra la potenza generata e potenza richiesta dalvi sia un equilibrio tra la potenza generata e potenza richiesta dalcarico;carico;

buchi di tensionebuchi di tensione, di differenti durate e profondità, allo scopo di, di differenti durate e profondità, allo scopo diverificare il comportamento dei generatori in corrispondenza diverificare il comportamento dei generatori in corrispondenza difunzionamenti anomali della rete che non comportano la “perdita”funzionamenti anomali della rete che non comportano la “perdita”della rete stessa.della rete stessa.


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Configurazioneper le interruzioni

Configurazione per buchi ditensione


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Protezioni interne di interfaccia dei convertitori - Campi di taraturaProtezioni interne di interfaccia dei convertitori - Campi di taratura

Tutti i convertitori in prova sono dotati di protezioni di interfaccia delTutti i convertitori in prova sono dotati di protezioni di interfaccia deltipo minima-massima tensione e minima-massima frequenza contipo minima-massima tensione e minima-massima frequenza contarature diverse tra loro.tarature diverse tra loro.I campi di taratura implementati nelle protezioni dei convertitoriI campi di taratura implementati nelle protezioni dei convertitoripresenti durante le prove sono i seguenti:presenti durante le prove sono i seguenti:

Minima tensioneMinima tensione -15 % -15 % ÷÷ -10 % -10 % rispetto alla nominalerispetto alla nominale

Massima tensioneMassima tensione +6 % +6 % ÷÷ +10 % +10 % rispetto alla nominalerispetto alla nominale

Minima frequenzaMinima frequenza -0.2 Hz o –2 Hz -0.2 Hz o –2 Hz rispetto alla nominalerispetto alla nominale

Massima frequenzaMassima frequenza +0.2 Hz o +2 Hz +0.2 Hz o +2 Hz rispetto alla nominalerispetto alla nominale


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Interruzione di reteInterruzione di rete


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Buchi di tensioneBuchi di tensione


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Prove di interruzione della rete principaleProve di interruzione della rete principale

Non si sono ottenuti fenomeni di isola indesiderataNon si sono ottenuti fenomeni di isola indesiderata, sia per le, sia per leconfigurazioni di prova di tipo monofase che trifase.configurazioni di prova di tipo monofase che trifase.

Lo spegnimento dei convertitori c.c./c.a. dei campiLo spegnimento dei convertitori c.c./c.a. dei campi fotovoltaici fotovoltaici a afronte dell’evento di rete avviene in tempi variabili (entro 200 fronte dell’evento di rete avviene in tempi variabili (entro 200 msms).).

Il comportamento durante il transitorio di rete di ogni singoloIl comportamento durante il transitorio di rete di ogni singoloconvertitore è legato sia alle modalità di controllo/protezione delloconvertitore è legato sia alle modalità di controllo/protezione dellostesso.stesso.

Durante i transitori conseguenti alla perdita della rete non si sonoDurante i transitori conseguenti alla perdita della rete non si sonoriscontrate sovratensioni eccessive.riscontrate sovratensioni eccessive.


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Prove di buchi di tensione nella rete principaleProve di buchi di tensione nella rete principale

Il comportamento dei diversi convertitori a fronte dei buchi diIl comportamento dei diversi convertitori a fronte dei buchi ditensione non è uniforme, ma fortemente dipendente dalletensione non è uniforme, ma fortemente dipendente dallemetodologie di controllo e protezione.metodologie di controllo e protezione.

Quasi tutti i convertitori monofase hanno presentato tempi diQuasi tutti i convertitori monofase hanno presentato tempi dispegnimento massimi di poco superiori al centinaio dispegnimento massimi di poco superiori al centinaio di millisecondi millisecondi a afronte dell’evento di rete. Con buchi di tensione di profonditàfronte dell’evento di rete. Con buchi di tensione di profonditàelevata, i tempi di spegnimenti sono risultati essere ancheelevata, i tempi di spegnimenti sono risultati essere anchedell’ordine dei 60dell’ordine dei 60÷÷70 70 millisecondimillisecondi..

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