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Le Micro Smart Grid e la Generazione Distribuita: il progetto Zeus

Autori: Antonella Scaglia, Claudio Brocca, Giordano Torri

Ansaldo Sistemi Industriali - S.p.A. Milano, viale Sarca 336

www.asiansaldo.com

Abstract:

Il termine “Energia” richiama la necessità di riduzione delle emissioni di CO2, di

miglioramento dell’efficienza energetica, di risparmio energetico. La produzione di energia fa

leva oggi sulle fonti rinnovabili, le quali stanno contribuendo in maniera massiccia alla

soluzione di questi problemi. Le utenze invece tendono a ridurre e ad ottimizzare i consumi

grazie ai moderni controlli elettronici. Rimane però una questione di fondo non

completamente risolta riguardante l’integrazione delle sorgenti distribuite nelle reti elettriche.

Di fatto queste ultime hanno modificato l’assetto delle reti (si tratta di sorgenti distribuite sul

territorio che modificano i flussi di energia) ed hanno introdotto una produzione aleatoria in

quanto legata a fattori ambientali. Il progetto Zeus vuole essere una proposta innovativa per

l’integrazione in rete delle sorgenti rinnovabili al fine di un loro utilizzo ottimo: le

funzionalità di gestione della micro rete operate da un sistema di controllo intelligente

vengono indirizzate fino all’estrema integrazione dei convertitori elettronici utilizzati per la

produzione di energia, l’utilizzo dei carichi e la connessione verso la rete elettrica. Il progetto

Zeus significa un sottoinsieme di una rete che riunisce al proprio interno sia capacità di

produzione, sia gli utilizzatori, il tutto gestito da un sistema di controllo intelligente. Nasce

così la “micro rete intelligente” un sistema che può vivere sia di vita propria che connessa alla

rete principale con lo scopo di massimizzare l’uso delle rinnovabili, di aumentare l’efficienza

ed il risparmio energetico, bilanciando al proprio interno la produzione ed il consumo di

energia. Una soluzione adatta sia per reti esistenti sia per zone remote da elettrificare per le

quali non è praticabile (sia per ragioni tecniche che di costo) trasportare energia con lunghe

linee elettriche.

1 Introduzione.

Le fonti di energia rinnovabile hanno trovato grande impulso negli ultimi anni e hanno di

fatto introdotto il concetto di generazione distribuita. Se consideriamo per esempio impianti

fotovoltaici oppure gli eolici è facile constatare che essi condividono alcune peculiarità: sono

di potenza ridotta rispetto alla potenza installata in una centrale elettrica convenzionale, sono

distribuiti in grande numero su tutto il territorio nazionale, occupano ampie superfici,

iniettano energia sulla rete elettrica alterando lo schema radiale della rete stessa e la loro

produzione di energia è aleatoria in quanto strettamente dipendente sia da fattori climatici sia

dal ciclo giorno-notte. Le fonti di energia distribuite hanno inoltre modificato il concetto di

utente, il quale oggi si identifica in un soggetto che al tempo stesso può essere sia

consumatore di energia sia produttore di energia. Questo concetto si riallaccia all’idea di poter

produrre energia nel luogo stesso dove può essere usata immediatamente.

L’evidente conseguenza della generazione distribuita sulla rete di distribuzione dell’energia si

manifesta nella gestione dei flussi di energia, di fatto non più unidirezionali e in una certa

misura non comandabili in produzione. L’integrazione delle sorgenti distribuite è quindi una

priorità, allo scopo di gestire adeguatamente i flussi di energia e di sfruttare al massimo la

produzione non costante di energia. Avendo a che fare con moltissimi impianti di dimensioni

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molto varie (si parte da qualche kW ad uso domestico e si arriva a diverse decine di MW) ci si

chiede quale possa essere in questo caso una soluzione efficiente.

Un modello che può contribuire alla soluzione senza intaccare l’infrastruttura di distribuzione

esistente può essere quello delle Micro Reti Intelligenti. Nasce da queste considerazioni il

progetto Zeus, acronimo per Zero Emission Urban Solution, ovvero un modello che consente

di privilegiare la produzione da fonte distribuita ed al tempo stesso guarda all’uso efficiente e

razionale della stessa energia.

2 Zeus: la Micro Rete Intelligente.

La generazione distribuita ed il concetto di efficienza energetica sono alla base del modello di

micro rete intelligente. Una micro rete è definita da un insieme di risorse che producono

energia (tipicamente i generatori distribuiti) e da carichi che la usano. Questa struttura può

essere concepita sia come unità

autonoma sia come un sottoinsieme

della rete principale. In quest’ultimo

caso condividerà con la rete

principale un punto di

interconnessione.

L’elemento qualificante del sistema

micro rete è la capacità interna di

gestione dei flussi di energia per

mezzo di un sistema intelligente di

comando, supervisione e di

controllo.

Il progetto Zeus si pone quindi

l’obiettivo di risolvere su piccola-

media scala l’integrazione delle energie rinnovabili e di mantenere in equilibrio la rete

mediante la capacità di interagire sia con i carichi sia con i generatori sia con la rete esterna,

pianificando il livello di produzione necessario e predisponendo gli opportuni piani di

livellamento al fine di equilibrare la domanda e l’offerta.

In questa situazione si può gestire la rete anche senza ausilio di elementi di

immagazzinamento dell’energia ottenendo un funzionamento equilibrato per quanto riguarda

la stabilità della rete e adeguato alle

risorse che usano energia.

La micro rete intelligente è però

costruita con un concetto modulare

che consente di poter aggiungere

componenti in maniera automatica.

La predisposizione per elementi di

accumulo, di qualunque natura essi

possano essere è quindi una

prerogativa intrinseca del progetto.

Questi ultimi elementi possono

essere visti dal sistema di comando e

di controllo della micro rete sia come

elementi utilizzatori (quando

immagazzinano energia) sia come elementi produttori (quando sono chiamati a generare) e di

conseguenza la loro aggiunta non detta modifiche sostanziali.

Figura 1- Micro rete intelligente, visione d'insieme.

Figura 2- La micro rete e l'interconnessione con la rete

principale.

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La micro rete intelligente è quindi chiamata a gestire su un determinato territorio la

produzione locale (associabile ad un futuribile accumulo di energia), il consumo di energia e

lo scambio con la rete principale ai fini di rendere massima l’efficienza energetica e l’utilizzo

delle sorgenti rinnovabili.

Una peculiarità della micro rete intelligente è di poter funzionare sia autonomamente (staccata

dalla rete principale, ovvero in “isola”) sia collegata alla rete principale o con altre micro-reti,

con una modalità semplice ed immediata, grazie alla capacità di gestione dei flussi di energia

di cui è dotata. Una semplice schematizzazione della micro rete intelligente è mostrata in fig.

1, dove in maniera olistica si descrive come produzione (da diverse fonti) e uso di energia

(qualunque esso sia) si integrano sotto il controllo di un sistema intelligente centrale.

La fig. 2 mostra come le singole micro reti intelligenti possano convivere in uno scenario

esistente, senza perturbarne l’assetto e gestendo al proprio interno la tipica variabilità di

produzione di energia da fonte rinnovabile.

Scendendo ad un dettaglio più tecnico, la fig. 3 mostra le principali apparecchiature che

costituiscono una micro rete intelligente: la generazione locale (distribuita), il controllo di

potenza dei carichi, l’interfaccia verso al rete principale e il sistema di comando, controllo,

supervisione della micro rete intelligente.

Notiamo quindi come due

tecnologie sono alla base della

struttura di una micro rete

intelligente: l’elettronica di

potenza e l’informatica, nel senso

più ampio del termine. La prima è

certamente l’asse portante sia per

produrre energia in rete sia per il

controllo dei carichi, mediante

apparati di potenza che possano

garantire elevata qualità

dell’energia ed elevata sicurezza di

servizio. La qualità dell’energia in

primo luogo significa contenere a

livelli bassi sia la distorsione

armonica della tensione sia le

emissioni elettromagnetiche ad alta

frequenza, poiché ambedue comportano disturbi al funzionamento di apparecchiature e

maggiori perdite (minor efficienza) nel sistema. In secondo luogo significa garantire la

continuità di servizio in presenza di eventi che perturbano la rete. La tecnologia informatica

dal canto suo è chiamata a risolvere le strutture HW e SW necessarie per l’implementazione

del sistema di comando, supervisione e controllo nel suo complesso.

3 La Generazione Distribuita.

La cosiddetta “generazione distribuita” annovera in sé diversi metodi di produzione di energia

elettrica. Al fine di definire un modello di micro rete intelligente occorre farne una

classificazione in base a due distinti parametri: il tipo di servizio offerto e il tipo di

apparecchiatura destinata a generare energia verso la rete.

Il primo parametro pone una distinzione tra le sorgenti di energia capaci di produrre in

maniera continua e controllabile e quelle a carattere variabile (ovvero dipendenti da fattori

non controllabili quali quelli climatici). Le più importanti sorgenti rinnovabili (eolico e

fotovoltaico) sono in prevalenza aleatorie, diversamente da quanto accade per le sorgenti

Figura 3- Schema della micro rete intelligente.

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convenzionali. Stante questa caratteristica è chiaro che queste da sole non potrebbero

soddisfare al fabbisogno energetico di una rete, seppur piccola. E’ necessario quindi che la

micro rete intelligente possa essere alimentata da ulteriori sorgenti di energia elettrica di tipo

continuo e controllabile oppure che sia connessa alla rete principale in modo tale che la

produzione aleatoria possa essere compensata agendo o sulle sorgenti controllabili oppure

variando il prelievo dalla rete principale.

Innanzi tutto è importante calcolare quale sia il contributo delle sorgenti a carattere aleatorio

rispetto alla potenza complessiva richiesta dalla micro rete intelligente. Se la potenza generata

da sole o da vento fosse rilevante, come ci si può aspettare con l’incentivazione delle fonti

rinnovabili, risulterebbe però immediato pensare che la micro rete debba disporre di

altrettanta capacità di produzione di tipo continuo e regolabile in back-up (prevalentemente di

tipo convenzionale) per sopperire alle carenze delle fonti rinnovabili quando esse non erogano

per assenza o di sole o di vento.

Posto in questi termini il problema avrebbe una soluzione semplice ma poco economica,

perché significa fare un grosso investimento in energie rinnovabili per poi aggiungere

altrettanta capacità di produzione di natura convenzionale a motivo di permettere un consumo

incontrollato di energia.

E’ più economico ed in

linea con le richieste di

riduzione di CO2

limitare il ricorso alle

sorgenti di tipo

convenzionale dotando la

micro rete intelligente di

una capacità di controllare

gli assorbimenti dei

carichi in funzione della

disponibilità della

produzione.

Vi è quindi la necessità di

associare la potenzialità di

produzione di energia

rinnovabile alla modalità

di controllo dei carichi. E

questo può avvenire solo

se la rete è intelligente,

ovvero se è dotata di un

proprio sistema di

comando, controllo e

supervisione.

Per completezza, occorre

notare che esistono

sorgenti definite

rinnovabili che possono

erogare con continuità

energia. Tra queste si

annoverano: sorgenti

idrauliche, a biomasse e potenzialmente le fuel-cells. Va da sé però che i termini economici

esposti sopra non si spostano perché il grosso sviluppo delle rinnovabili oggi è molto

concentrato su sole e vento e quindi su sorgenti a carattere aleatorio.

Figura 4-Funzioni di supporto alla rete per generatori distribuiti.

Figura 5- Connessione in rete durante i transitori.

5

Il secondo parametro riguarda invece la distinzione esistente tra i generatori di tipo rotante e

quelli di tipo statico. Le sorgenti rinnovabili utilizzano ampiamente convertitori statici per

immettere energia in rete. Questi sono chiamati a funzionare in parallelo con le altre sorgenti

di energia che sono macchine elettriche rotanti.

Per sua natura la macchina elettrica produce tensione sinusoidale, genera potenza attiva e

reattiva, funziona in parallelo con gli altri generatori e fornisce in caso di guasto corrente

sufficiente alla apertura dei sistemi di protezione.

I regolamenti in uso prevedono che i convertitori statici

destinati per la connessione in rete delle fonti rinnovabili

funzionino col concetto di “inseguire” la rete piuttosto

che essere considerati al pari di una qualunque macchina

sincrona che produca energia in una centrale elettrica. [3]

A tale scopo i convertitori statici devono essere

equipaggiati con funzionalità tali da consentire una

integrazione in rete. I principali regolamenti oggi

richiedono che si possa ridurre la potenza attiva immessa

in rete quando la frequenza di rete è in aumento oltre una

certa soglia, oppure che si possa immettere o prelevare

energia reattiva secondo una certa legge dettata dal valore

della tensione oppure che l’immissione di potenza attiva

avvenga ad un predeterminato fattore di potenza funzione

del livello della potenza immessa. Va inoltre aggiunto

che in caso di perturbazioni di rete si richiede al sistema

di generazione di rimanere connesso alla rete secondo un

determinato profilo di tensione-tempo. Le figure 4 e 5

mostrano i requisiti sopra esposti.

In una micro rete però la potenza generata tramite

convertitori statici può assumete valori rilevanti. Ne

consegue che le funzionalità richieste al convertitore

statico possano subire modifiche sostanziali rispetto a

quanto sopra esposto. In questi casi il generatore statico

può assumere un ruolo attivo nel controllo sia della

tensione che della frequenza di rete. Si parla quindi di

controllo primario di frequenza, ovvero della capacità del

convertitore di adeguare la frequenza da esso generata in

funzione della potenza attiva prodotta. La fig. 6 mostra la

legge di regolazione Frequenza-Potenza ed in essa si nota

anche il necessario

statismo. E’ poi

automatico associare

anche la possibilità della

regolazione secondaria di

frequenza. Discorso

parallelo anche per la

regolazione della

tensione, che può essere

controllata in funzione

della potenza reattiva

prodotta. La fig. 7 mostra

la legge di regolazione Figura 8- Convertitore per fotovoltaico.

Figura 6- Regolazione di frequenza vs.

potenza attiva.

Figura 7- Regolazione di tensione vs.

potenza reattiva.

6

Tensione-Potenza (sempre col proprio statismo) necessaria in tal caso.

La soluzione maggiormente adatta per immettere energia in rete mediante convertitore statico

è chiamata inverter Active Front End.

4 L’immissione in rete di energia tramite inverter Active Front End.

La immissione in rete di energia mediante inverter Active Front End è riassumibile secondo

gli schemi di fig. 8 e 9.

In esse si mettono a

confronto due casi

significativi: il primo

caso riguarda la

produzione di energia

da sorgente di tensione

continua, quale può

essere il pannello

fotovoltaico. In tal caso

il convertitore statico possiede un solo

stadio di conversione che riceve in

ingresso una tensione continua e

produce in uscita una tensione alternata

di ampiezza e frequenza compatibile

con quella presente in rete, utilizzando

il principio della modulazione pwm.

Per estensione, questa soluzione si

applica anche al caso della connessione

in rete di elementi di storage di energia,

quali per esempio le batterie.

Trattandosi di un convertitore di tipo

reversibile, esso può controllare sia la

carica che la scarica delle batterie ad

esso collegate, avendo come ingresso di

regolazione la richiesta dal sistema

centrale di controllo della micro rete la

necessità di immagazzinare oppure di

cedere energia in rete.

Il secondo caso di fig. 9

riguarda invece la connessione

in rete di una sorgente a

tensione alternata ma di

frequenza ed ampiezza variabili,

quale può essere un generatore

sincrono a magneti permanenti

trascinato a velocità variabile da

una turbina eolica oppure da una

turbina idraulica. In questo

secondo caso si usa un

convertitore statico che opera in

Figura 9-Convertitore per generatore eolico.

Figura 11- Schema controllo inverter AFE.

Figura 10- Vettori corrente attiva e reattiva prodotte da

inverter AFE.

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due fasi, convertendo dapprima la tensione alternata variabile, prodotta dal generatore, in

tensione continua e generando da quest’ultima in uscita verso la rete una tensione alternata di

ampiezza e frequenza compatibile con quella presente in rete.

Si può facilmente notare come entrambe le soluzioni abbiano in comune il metodo di

conversione da tensione continua a tensione alternata verso la rete, detto appunto inverter

Active Front End (AFE). L’inverter AFE che opera questa conversione, permette di ottenere

un funzionamento del tutto analogo a quello di una macchina rotante e quindi di operare

secondo le due modalità espresse al precedente paragrafo.

L’inverter AFE assume

quindi una valenza

generale per la produzione

di energia elettrica da fonte

non convenzionale,

qualunque essa sia e adatto

ad immettere energia sia in

reti “deboli” sia in reti

robuste.

Queste funzionalità

derivano strettamente dalla

modalità con la quale

l’inverter AFE può

controllare le componenti di corrente attiva e reattiva scambiate con la rete. La fig. 10 mostra

come l’inverter AFE possa operare nei 4 quadranti di energia attiva e reattiva grazie alla sua

capacità di controllo separato delle due grandezze, indipendentemente sia dal segno sia dal

valore di ciascuna di esse, secondo lo schema mostrato in fig. 11. Queste capacità di

regolazione sono usate sia in condizioni di normale funzionamento che di transitorio di rete.

E’ grazie a questa capacità

di controllo bidirezionale

dell’energia che l’inverter

AFE può anche collegare

alla rete elementi di

accumulo di energia

costituiti da banchi di

batterie, come mostrato in

fig. 12. Le funzionalità

espresse in precedenza

consentono quindi di

prelevare energia dalla rete

nei momenti in cui vi è

sovrabbondanza di

produzione e di immetterla

di nuovo quando c’è

maggior richiesta. Questa

funzionalità offerta

dall’inverter AFE consente di mitigare gli effetti della incostanza della produzione di energia

da fonte rinnovabile.

La soluzione AFE si distingue quindi per il suo utilizzo generalizzato per la produzione di

energia elettrica in tutti quei casi dove non è applicabile il concetto di macchina elettrica

connessa alla rete. [1], [2], [4].

Figura 12- Sistema di accumulo energia con batterie.

Figura 13- Inverter per controllo carichi.

8

5 Regolazione di potenza dei carichi.

L’efficienza energetica richiede un uso estensivo di convertitori statici per regolare il

consumo di energia dei carichi in maniera ottimale. Si tratta in prevalenza di sistemi per

controllo motori a velocità variabile, destinati soprattutto al comando di pompe, ventilatori e

compressori. Come già ampiamente dimostrato, in questi casi l’uso dell’inverter comporta un

aumento dell’efficienza ed un consistente risparmio energetico [5].

Il termine inverter racchiude in sé un’ampia casistica di apparecchiature, disponibili in diverse

versioni. La loro installazione su reti deboli richiede qualche considerazione in merito alla

distorsione armonica che esso può produrre sulla rete stessa.

Nella versione più semplice e nota l’inverter presenta verso la rete un ponte a diodi in

configurazione esafase, la quale è nota per le emissioni armoniche di corrente di ordine 5, 7,

11, 13, ..... la cui ampiezza è inversamente proporzionale all’ordine della stessa armonica. La

fig. 13 mette in evidenza questa configurazione.

Le armoniche di corrente danno origine a distorsione armonica della tensione. Quando le

potenze dei carichi alimentati da inverter diventano significative rispetto alla potenza di corto

circuito della rete la distorsione armonica della tensione può assumere valori inaccettabili.

Occorre quindi mitigare l’emissione delle armoniche con una delle seguenti tecniche: o

utilizzare stadi d’ingresso in configurazione maggiore di 6 (salire quindi a 12 o 18 impulsi),

oppure usare un inverter del tipo AFE che provvede a prelevare energia senza sostanziale

distorsione armonica.

La configurazione dell’inverter AFE per il comando di un motore è la stessa già oggetto di

quanto discusso per la generazione di energia, con specifico riferimento alla fig. 9. Il

convertitore AFE è reversibile e quindi può funzionare sia per la generazione di energia che

per il controllo del carico. Calcoli accurati della rete con tutti i suoi carichi permette di

definire la topologia più adatta per l’inverter.

6 Interfaccia di potenza tra la micro rete e la rete esterna.

Nella più semplice implementazione il collegamento tra la micro rete e la rete esterna si

realizza in maniera diretta tramite appositi interruttori predisposti nelle cabine elettriche di

interconnessione. In alternativa può essere considerato anche una interconnessione mediante

convertitore statico. E’ il caso di una micro rete per la quale risulti troppo difficoltoso gestire

la frequenza di rete in sincronia con la frequenza della rete principale oppure si renda

necessaria una conversione di frequenza (per esempio, da 50 a 60 Hz o viceversa). In tal caso

si ricorre a convertitori statici che strutturalmente sono analoghi a quanto mostrato in fig. 9

che realizzano una connessione back-to-back. Anche in questo caso si possono fare

considerazioni similari a quelle espresse per la generazione distribuita e che per brevità non

vengono trattate.

7 Il controllo e supervisione della micro rete intelligente.

La micro rete intelligente è dotata di un proprio sistema di comando, di controllo e di

supervisione. [6], [7], [8]. Questo sistema è basato sulla tecnologia Artics Smart Energy e

provvede a diverse funzionalità, tra le quali:

� il controllo e la gestione dei flussi di energia.

Il sistema di controllo e di gestione ha lo scopo di realizzare la migliore prestazione possibile

dell’intero sistema mediante l’ottimizzazione sia della produzione di energia (interna o di

9

scambio con la rete esterna) sia dell’utilizzo della stessa da parte dei carichi sia dell’eventuale

accumulo in sistemi di immagazzinamento.

Questa funzionalità si basa su una serie fitta di informazioni provenienti dalle varie

apparecchiature e dai vari sensori di campo che servono da un lato a quantificare la capacità

di produzione di energia sia attuale che di breve periodo per ogni tipologia di fonte e dall’altro

a quantificare sia il consumo attuale che le previsioni di consumo per il breve periodo.

L’analisi di questi dati consente di definire la migliore strategia di produzione, il livello di

interscambio con la rete esterna (sia esso prelievo oppure cessione), l’eventuale necessità di

diminuire o di livellare nel tempo la potenza assorbita da alcuni carichi mediante logiche di

priorità e il livello di interscambio con i sistemi di accumulo.

Si persegue in tal

modo l’obiettivo di

sfruttare al

massimo il

contributo delle

fonti rinnovabili e

di controllare i

picchi di domanda

di energia. Le

funzioni principali

svolte dal sistema

di controllo sono

quindi:

- l’analisi dei livelli

di potenza attiva e

reattiva

complessivi, il

confronto con i

livelli ottimali oppure impostati e gli interventi necessari per sostenere questi livelli attesi.

- il metering per valutare la qualità della potenza ed il coordinamento dei sistemi di

compensazione

- il rilievo di eventuali disturbi con l’attivazione dei dispositivi di protezione interni, l’analisi

se tali disturbi siano di origine interna alla micro rete o meno, e la eventuale decisione se

mantenersi connessi alla rete oppure passare alla modalità in isola (quest’ultima attivata solo

se permessa dai regolamenti).

� la supervisione dell’intero impianto.

Il monitoraggio in tempo reale della micro rete è necessario per fornire al personale operativo

le informazioni sullo stato del sistema e sugli interventi che si rendessero necessari sia per

manutenzione che per risoluzione di ogni disservizio.

Il sistema di supervisione centrale deve essere in grado di garantire un adeguato throughput

nei confronti dei sistemi periferici collegati, da cui prelevare le informazioni locali sullo stato

di funzionamento e deposita eventuali comandi necessari al coordinamento delle funzioni. Le

principali azioni nei confronti della micro rete sono:

- avvio ed arresto dei sistemi di produzione locale di energia

- gestione dei sistemi di accumulo

- controllo e gestione dei sottosistemi utilizzatori

- gestione dei percorsi alternativi per il prelievo di energia da parte di un carico.

Non da ultimo, questi dati possono essere scambiati con altri sistemi esterni per un corretto

inserimento della micro rete in un sistema elettrico più ampio.

� la gestione delle condizioni di guasto esterno.

Figura 14-Schema di principio controllo e supervisione micro-rete.

10

La micro rete intelligente può essere progettata per avere una capacità di funzionamento

indipendente dalla presenza della rete esterna. Se la micro rete è dotata di un opportuno livello

di produzione interna unitamente ad una capacità di immagazzinamento, nel caso di mancanza

della rete esterna essa può funzionare in modalità “isola”.

La modalità in isola può essere particolarmente utile a fronte di interruzioni di breve periodo.

In tal caso i sistemi di immagazzinamento svolgono un ruolo essenziale nel sostenere la micro

rete. Il sistema di controllo deve quindi riconoscere quando una simile situazione sta per

manifestarsi e deve provvedere di conseguenza alla gestione dei flussi di energia in modo tale

da non superare le capacità di produzione interna, tenendo conto anche della capacità di

immagazzinamento.

8 Struttura del sistema di comando, controllo e supervisione.

Pur essendo la micro rete intelligente un sistema limitato in termini sia di potenza installata

che di zona geografica

sono molteplici le

apparecchiature che

vanno governate e la

mole di dati da

raccogliere ed

analizzare può

diventare enorme.

Il sistema di governo

della micro rete

intelligente si fonda su

una struttura

gerarchica dotata di

una struttura centrale

che dialoga con

molteplici sistemi di

controllo e

monitoraggio distribuiti

sul territorio. La figura

14 ne illustra la visione

di insieme.

La suddivisione logica

delle funzioni di

controllo locale è

definita dalla struttura

dei componenti della

rete e si possono così

individuare quattro

tipologie di

sottosistemi:

i generatori distribuiti, i

carichi, l’interfaccia

verso la rete elettrica

esterna ed i sistemi di

accumulo di energia.

Mentre i generatori ed i

Figura 15- Schema di principio controllo e supervisione per DG.

Figura 16- Schema di principio controllo e supervisione dei carichi.

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sistemi di accumulo sono di solito in numero limitato e come tali possono essere considerati

singolarmente, per i carichi la situazione è molto diversa essendo questi ultimi molto

frammentati. I carichi vengono quindi gestiti in gruppi determinati o dalla funzione svolta o

dal luogo di installazione fisica.

Ogni sottosistema è dotato di un proprio sistema di controllo e monitoraggio locale preposto

allo svolgimento delle funzioni di comando e di monitoraggio delle singole apparecchiature,

in grado di colloquiare col sistema centrale tramite una rete dati veloce e sicura. A sua volta

ogni sistema di controllo e monitoraggio locale viene collegato alle varie apparecchiature ed

ai sensori di campo per una raccolta dati capillare con reti di campo.

9 Controllo locale.

Il controllo locale è chiamato a svolgere a livello delle singole apparecchiature le funzioni di

comando partendo dalle richieste del sistema centrale, dedotte sulla più ampia scala dell’intera

micro rete.

Nel caso dei

generatori distribuiti

esso sarà chiamato in

primo luogo a

svolgere le

funzionalità già

richiamate nel par. 3 e

4. In aggiunta a

queste, per le sorgenti

rinnovabili, sono

previste le funzionalità

della ricerca del punto

di massima potenza e

della previsione di

produzione futura. La

previsione della produzione

è un parametro importante

stante l’incostanza e la

dipendenza da fattori fisici

della stessa. Con particolari

algoritmi è possibile

elaborare i dati da sensori

di campo e da dati storici al

fine di prevedere una

evoluzione nel breve

periodo.

Così facendo si ottiene di

sfruttare al massimo le

fonti rinnovabili e di dare

la corretta informazione al

sistema centrale per la gestione complessiva della produzione, dello scambio con la rete

esterna e dello scambio con i sistemi di accumulo. La rete di sensori connessi ai campi

fotovoltaici ed eolici serve alla raccolta dati per le funzioni sopracitata, secondo lo schema di

principio di fig. 15.

Figura 17- Architettura sistema di monitoraggio e controllo locale.

Figura 18- Rete dati per micro rete intelligente.

12

Nel caso dei carichi il sistema locale deve innanzi tutto gestirne la priorità. Con riferimento

alla fig. 16, il controllo locale dei carichi sulla base della consegna di energia stabilita dal

sistema centrale deve attuare una strategia per evitare picchi di domanda che potrebbero

essere in eccesso a quanto disponibile.

Il sistema locale deve raccogliere i dati storici sui consumi ed elaborarne una previsione della

loro evoluzione nel breve periodo. Tale informazione viene mandata al sistema centrale di

controllo della micro rete. Un’altra importante funzione svolta dal controllo locale consiste

nel fornire all’utente una serie di informazioni sui consumi, sulla disponibilità di energia, sui

costi dell’energia e sui parametri di efficienza energetica.

La fig. 17 mostra con maggior dettaglio la generica architettura dei sistemi di controllo e di

monitoraggio.

10 Le reti di comunicazione.

L’infrastruttura delle comunicazioni di una micro rete intelligente deve essere in grado di

gestire il flusso delle informazioni necessarie per un corretto funzionamento della micro rete

stessa, permettendo il collegamento dei vari livelli comunicativi, a partire dalle reti di campo

per l’acquisizione dei dati di funzionamento dei vari sistemi generatori/utilizzatori, fino allo

scambio delle informazioni prioritarie che vengono utilizzate dal sistema di controllo centrale

per la gestione complessiva della rete.

La fig. 18 mostra le principali strutture usate in funzione del tipo di connessione da realizzare.

L’architettura delle comunicazioni prevede quindi i seguenti aspetti fondamentali:

1. Sicurezza fisica dei dati

2. Privacy

3. Virtual Power Plants

4. Smart Metering

5. Networking per le reti locali (LAN) per la gestione dei parchi di generazione

distribuita e rinnovabile o per l’energy management di impianti utilizzatori industriali

o residenziali/commerciali

6. Infrastruttura delle comunicazioni per lo storage e la gestione dei veicoli elettrici

7. Monitoraggio e controllo in area estesa (WAN)

Le reti dati che collegano i vari sistemi tra loro rispondono ad esigenze di vario tipo e per

questo vengono generalmente utilizzati protocolli diversi con diverse tempistiche di

acquisizione.

Così ad esempio per le reti di collegamento dei sensori al sistema locale possono venire

utilizzati fieldbus basati su comunicazioni seriali (Modbus, CAN) o sui più evoluti bus basati

su Ethernet industriale (EtherCAT, ProfiNet), mentre salendo di livello la struttura delle

comunicazioni diventa quella tipica delle strutture IT, con collegamenti basati su rete Ethernet

e standard come IEC61850. Da ultimo, passando ancora su scala più ampia, il collegamento

tra le varie unità di controllo fa uso ancora di Ethernet, utilizzando pero gli standard tipici

dell’ambiente Internet (VPN e servizi Web).

11 Esempio applicativo

Un caso concreto di applicazione del progetto Zeus è mostrato nella fig. 19. Si tratta di una

applicazione in una zona remota non servita da linee elettriche, nella quale è prevista la

installazione di una stazione elettrica per produrre energia per l’azionamento di un sistema di

pompaggio. Allo scopo, la stazione elettrica è dotata di gruppi diesel-elettrici e di un sistema

fotovoltaico. I due sistemi possono funzionare sia da soli che in parallelo tra loro. La priorità

di produzione è assegnata al sistema fotovoltaico. Quando quest’ultimo viene meno durante le

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ore serali e notturne subentra il gruppo diesel. Per attuare un programma di questo tipo è

previsto un sistema di comando controllo e supervisione che presiede sia alla gestione della

stazione elettrica sia alla gestione dei carichi allo scopo di ottimizzare l’uso dell’energia e di

massimizzare la produzione per via fotovoltaica. Il sistema di controllo e di supervisione è

realizzato con la tecnologia Artics Smart Energy.

12 Conclusione.

Il progetto Zeus illustrato in questo articolo vuole essere una soluzione al problema

dell’efficienza energetica, del

risparmio energetico ed alla

integrazione delle sorgenti di energia

distribuita, in prevalenza di origine

rinnovabile, mediante un modello del

tipo “bottom-up”. Il progetto Zeus ha

alla sua base la micro rete intelligente

che costituisce la cella elementare del

modello proposto. Quest’ultima è

predisposta per servire una porzione

limitata di utenze o di territorio,

avendo la capacità di integrare su

piccola e media scala le sorgenti

distribuite di energia con le utenze

interconnesse. Essa utilizza una

tecnologia provata da anni in campo

industriale sia come apparecchiature

di potenza che di comando controllo e

supervisione.

La micro rete diviene quindi

“intelligente” grazie a moderne

tecniche di controllo e di supervisione

le quali consentono di superare le

problematiche introdotte negli ultimi

anni dal progressivo estendersi delle

sorgenti rinnovabili a carattere

aleatorio.

A questo risultato si aggiunge il

conseguimento dell’obbiettivo di

efficienza e di risparmio energetico, mediante l’uso controllato dei carichi con le più recenti

tecniche di regolazione.

Il modello di micro rete intelligente è flessibile in quanto è integrabile nei sistemi elettrici

esistenti senza particolari accorgimenti ed è anche adatto alla elettrificazione di zone dove

oggi non c’è disponibilità di energia elettrica senza dover ricorrere al trasporto su lunga

distanza mediante apposite linee.

13 Bibliografia.

[1] Marina G., Gatti E., 2004. Large Power PWM IGBT Converter for shaft alternator

systems. PESC 04, Aachen giugno 2004. Vol. 5 pagg: 3444-3450.

Figura 19- Micro rete intelligente per sistema remoto.

14

[2] Numeroli R., Gatti E., Torri G., Kranenburg R, 1995. Four quadrant, large power, igbt

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[3] AA. VV. Enel. 2007. DK5940 ed. 2.2

[4] Torri G., 2007. Power Quality ed immissione in rete di energia da fonte rinnovabile. 2²

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2007.

[5] Pagano R., Torri G., 2004. Variable Speed Drives and Energy Saving. Congresso Energy

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November/December 2008. pp 28 – 35.

[8] Magni P., 2009. L’ICT per l’efficienza energetica e il risparmio energetico. Mondo

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[9] Scaglia, Brocca, Torri. Un modello per lo sviluppo delle micro reti intelligenti. XI forum

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[10] Torri, Scaglia, Brocca. A model for the development of smart micro grids. Montreal,

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[11] Brocca, Rubega, Moretto, Torri. Inverter smart per l’evoluzione della generazione

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