Mantenimento dell’equilibrio tra produzione e utilizzazione in un

sistema a rete

• Per mantenere l’equilibrio tra la produzione e l’utilizzazione si possono adottare due principali obiettivi di gestione:

• - l’inseguimento della domanda

• - l’inseguimento della produzione

Mantenimento dell’equilibrio tra produzione e utilizzazione in un

sistema a rete

• Sistemi con possibilità di accumulo del prodotto

• Sistemi senza possibilità di accumulo del prodotto

Mantenimento dell’equilibrio tra produzione e utilizzazione in un

sistema a rete• La gestione, comunque, comporta la

disponibilità dell’informazione :

• - nei sistemi con accumulo può essere non in linea

• - nei sistemi senza accumulo deve essere in linea

IL CONTROLLO DELLA FREQUENZA E

DELLA GENERAZIONE DI POTENZA

ATTIVA

BEAR VALLEY

DUCK CITY

MOUSE CITY

Pu,1

Pg,2

Pu,2

Pg,1

Pg,1+ Pg,2= Pu,1+ Pu,2 +Pp

SE VI E’ UNA VARIAZIONE DI POTENZA ASSORBITA DA UN CARICO

• Non vi è più equilibrio tra coppia meccanica all’asse dei generatori sincroni e coppia elettromagnetica sviluppata;

• Per cui i rotori delle macchine sincrone accelerano o decelerano in funzione del decremento o incremento della potenza assorbita dai carichi.

UNA VARIAZIONE DI POTENZA ASSORBITA DA UN CARICO

PROVOCA QUINDI:

• Una variazione di velocità dei generatori e quindi una variazione di frequenza della rete da essi alimentata.

UNA VARIAZIONE DI POTENZA GENERATA PROVOCA QUINDI:

• Una variazione di velocità dei generatori e quindi una variazione di frequenza della rete da essi alimentata.

LE VARIAZIONI DI POTENZA POSSONO ESSERE:

• Lente, per effetto delle usuali variazioni del diagramma di carico nell’arco della giornata o per effetto della variazione della potenza dei generatori non controllati (ex generazione da fonti rinnovabili);

• Molto rapida (in tempi dell’ordine di qualche decina di millisecondi); ciò avviene quando si verifica un guasto nella rete o per distacco di un generatore o carico.

VARIAZIONE LENTA DI POTENZA ASSORBITA DAI CARICHI

• Dovrà essere compensata dall’intervento del sistema di regolazione della potenza meccanica col compito di riequilibrarla al fine di mantenere costante la velocità del rotore e quindi la frequenza.

VARIAZIONE RAPIDA DELLA POTENZA

• E’ in genere dovuta a guasti come si è già detto; in tal caso non vi è possibilità di intervento da parte del sistema di regolazione della potenza meccanica proprio per la rapidità della variazione di potenza.

VARIAZIONE RAPIDA DELLA POTENZA

• Il fenomeno è molto severo e può provocare la perdita del passo dei generatori sincroni con conseguente perdita della potenza da essi generata.

LA REGOLAZIONE

FREQUENZA - POTENZA ATTIVA

IN REGIME LENTAMENTE VARIABILE

IN REGIME LENTAMENTE VARIABILE

• La frequenza si può ritenere costante in tutto il sistema, costituendo, quindi, l’informazione sullo stato di equilibrio disponibile in ogni punto del sistema;

• Inoltre si può utilizzare per lo studio il modello “bus bar”, cioè un sistema costituito da una sbarra a frequenza costante cui vengono collegati generatori, carichi e l’equivalente delle perdite di rete.

MODELLO “BUS BAR”

generatori

carichi edequivalente delle perdite di rete

CARATTERISTICA FREQUENZA - POTENZADI UN CARICO

52

48

50

f (Hz)

P

valore nominaledel carico

LA POTENZA ASSORBITA CRESCE CON LA FREQUENZA PERCHE’:

• La potenza dei carichi resistivi (es. illuminazione) è indipendente dalla frequenza;

• La potenza dei carichi induttivi (sostanzialmente motori) cresce con la velocità e quindi con la frequenza (talvolta addirittura con il cubo della velocità).

SI SUPPONGA ORA CHE VI SIA UNA VARIAZIONE DI CARICO E CHE NON VI SIA

REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA

52

46

50

f (Hz)

P

C2 C1=Pg

54

48

OSSERVAZIONE

• Il sistema è “autoregolante” ossia trova al variare del carico nominale un nuovo punto di equilibrio anche in assenza di regolazione.

CARATTERISTICA FREQUENZA POTENZA SEMPLIFICATA DI UN

CARICO

fn

f

PCn

P = K fc

ENERGIA REGOLANTE DEL CARICO

• La costante Kc ha le dimensioni di una

energia e viene chiamata “energia

regolante del carico”. Essa definisce la

pendenza della caratteristica potenza

frequenza del carico.

OSSERVAZIONE

• Le variazioni di frequenza che si hanno quando il carico nominale cambia in assenza di altri tipi di regolazione, sono inaccettabili.

• E’ necessario quindi ricorrere ad una regolazione della potenza generata.

IL REGOLATORE DI FREQUENZA DEL GENERATORE

(regolazione primaria)

DEVE:

• Incrementare o decrementare la potenza meccanica quando diminuisce o aumenta la velocità del generatore.

STRUTTURA DEL REGOLATORE DI FREQUENZA

m

rif

contr. attuat. inerzia

C

Pg

rete

++

-

-

Condotta forzata

spina

Turbina (Pelton)

Regolatore di Watt

STRUTTURA GENERALE DEL REGOLATORE DI FREQUENZA

C

Pg

rete

++

-

-

f

frif =01/JsC(s)

P = - C(0) fg

In condizioni di regime vale:

LEGAME FREQUENZA-POTENZA IN CONDIZIONI DI REGIME

Pn P

f

f0 P = - C(0) fg

fn

ENERGIA REGOLANTE DEL GENERATORE

• La costante C(0) che chiameremo Kg

ha le dimensioni di una energia e viene chiamata “energia regolante del generatore” in assonanza a quanto già definito per un carico. Essa definisce la pendenza della caratteristica potenza frequenza del generatore.

STATISMO

• La pendenza della caratteristica frequenza potenza del generatore viene data anche attraverso lo “statismo” che:

• è la variazione relativa di frequenza tra il funzionamento a vuoto ed il funzionamento alla potenza nominale.

n

n

PP

ff

= s

ESEMPIO

Sistema “isolato” costituito da un generatore ed un carico

VARIAZIONE DI FREQUENZA DOVUTA AD UNA VARIAZIONE DI CARICO

P’g

P

f’

fn

f

C’n

Cn=Pg,n

Cn

Kcf

f

Kgf = Pg

C = K +K fn g c

ENERGIA REGOLANTE DELLA RETE

• La somma delle energie regolanti del carico “Kc” e del generatore “Kg” viene indicata con “Kr” e viene chiamata “energia regolante della rete” che può essere definita come la variazione di carico nominale dovuta alla variazione unitaria di frequenza della rete.

OSSERVAZIONE

• La variazione di frequenza risulta quindi inversamente proporzionale all’energia regolante della rete.

OSSERVAZIONE (continua.....)

• Per diminuire la variazione di frequenza dovuta ad una variazione di carico sarebbe quindi opportuno aumentare l’energia regolante della rete, e poichè l’energia regolante del carico non è modificabile, è necessario incrementare l’energia regolante del generatore.

• Ciò tuttavia può dar luogo a problemi di stabilità del sistema o almeno a risposte dinamiche inaccettabili.

CONSIDERIAMO ORA IL CASO DI UN SISTEMA CON PIU’ GENERATORI

OGNUNO DEI QUALI E’ DOTATO DI SOLA REGOLAZIONE PRIMARIA

BEAR VALLEY

DUCK CITY

MOUSE CITY

C1

Pg,2

C2

Pg,1

MODELLO “BUS BAR” DEL SISTEMA

Bear valley

Duck cityMouse city

Duck city

VARIAZIONE DI FREQUENZA DOVUTA AD UNA VARIAZIONE DI CARICO

f

Ptg

P

fn

P2gP1g

REGOLE PER IL CALCOLO DELLA VARIAZIONE DI FREQUENZA IN

CONDIZIONI DI REGIME

• L’energia regolante di un complesso di generatori è pari alla somma delle energie regolanti.

REGOLE PER IL CALCOLO DELLA VARIAZIONE DI FREQUENZA IN

CONDIZIONI DI REGIME

• Il calcolo della variazione di frequenza dovuta ad una variazione del carico complessivo si effettua sulla caratteristica frequenza-potenza complessiva.

REGOLE PER IL CALCOLO DELLA VARIAZIONE DI FREQUENZA IN

CONDIZIONI DI REGIME

• Mediante le caratteristiche dei singoli generatori si calcola la ripartizione del carico tra essi.

CALCOLO DELLA VARIAZIONE DI FREQUENZA DOVUTA AD UNA

VARIAZIONE DI CARICO

f

Ptgfn

f’

PCn’ Cn

CALCOLO DELLA RIPARTIZIONE DELLE POTENZE

f

P

fn

P2gP1g

f’

OSSERVAZIONE

• Qualora si desideri mantenere costante la frequenza anche dopo il disturbo, in un sistema dotato solo di regolazione primaria (ossia solo di regolatori locali), allora almeno un generatore deve avere energia regolante infinita.

CASO DI UN SISTEMA CON UN GENERATORE A ENERGIA REGOLANTE

INFINITAf

Ptg

P

fn

P2gP1gC’ C

C

OSSERVAZIONE (continua...)

• Nel caso in esame, una volta esaurita la dinamica del sistema, la frequenza non cambia e quindi rimane invariata la potenza dei generatori con energia regolante finita e tutta la variazione di carico viene assorbita dal generatore ad energia regolante “infinita”.

OSSERVAZIONE 2 (continua...)

• Se più di un generatore ha un regolatore con una energia regolante infinita, allora è ancora assicurata la costanza della frequenza a transitorio esaurito, ma non è definita la ripartizione del carico tra i generatori a energia regolante infinita; questa dipende dalla dinamica con cui agiscono i diversi regolatori. In generale i generatori con regolatori più veloci si accolleranno la maggior parte della variazione di carico.

OSSERVAZIONE (continua...)

• In un sistema di grandi dimensioni non è possibile affidare la regolazione della frequenza ad un unico generatore pur dotandolo di “energia regolante” infinita, sia perchè i suoi limiti in potenza non sarebbero in grado di fare fronte alle variazioni di carico sia per motivi di economicità del modo di generare la potenza richiesta.

• Si utilizza quindi un altro tipo di regolazione ..........

LA REGOLAZIONE SECONDARIA

ESEMPIO

Sistema “isolato” costituito da un generatore ed un carico

Effetto di una variazione di carico in presenza di un regolatore secondario

P

f

fn

f

P1

P2

REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA IN UN SISTEMA CON PIU’ GENERATORI DOTATI DI

“REGOLATORI LOCALI” AD ENERGIA REGOLANTE FINITA.

LA REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA NELLA RETE:

• è affidata ad un regolatore centrale che sulla base di una misura della frequenza di rete ripartisce la potenza da generare tra le diverse centrali secondo criteri predeterminati (ad esempio un criterio di ottimo economico).

IL REGOLATORE CENTRALE PROVVEDE:

• Alla ripartizione del carico tra i diversi generatori mediante segnali da inviare ai regolatori locali;

• all’aggiustamento della frequenza al valore nominale di esercizio mediante una azione integrale che incrementa (o decrementa) i segnali da inviare ai regolatori locali fino a che l’errore di frequenza non diventa nullo.

STRUTTURA DEL SISTEMA DI REGOLAZIONE DELLA POTENZA ATTIVA

controllore di rete centri regionali

centrali di generazione

segnale erroredi frequenza

LA REGOLAZIONE FREQUENZA POTENZA ATTIVA TRA PIU’ AREE DI GENERAZIONE E CARICO TRA LORO

INTERCONNESSE

duck country

mouse country cat country

LA REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA IN TUTTE LE AREE INTERCONNESSE PUO’ ESSERE EFFETTUATA ATTRAVERSO UN

UNICO REGOLATORE DI RETE AL MASSIMO LIVELLO GERARCHICO

mouse county duck county cat county

regolatore unicodi rete

segnale erroredi frequenza

A QUESTO TIPO DI SOLUZIONE SI OPPONGONO SPESSO RAGIONI CHE NON SONO DI ORDINE TECNICO MA

DI AUTONOMIA DELLE AZIENDE PRODUTTRICI DELLE SINGOLE AREE.

REGOLAZIONE FREQUENZA POTENZA ATTIVA TRA PIU’ AREE DI GENERAZIONE E

CARICO TRA LORO INTERCONNESSE

• Si preferisce procedere attraverso regolatori di area tra loro indipendenti ciascuno dei quali agisce con l’obiettivo di far sì che generazione e carico nella propria area siano in equilibrio, a meno di assorbimenti (o erogazioni) da (o verso) altre aree previsti da norme contrattuali.

RISULTA QUINDI INDISPENSABILE LA VALUTAZIONE IN CIASCUNA AREA

DELL’INCREMENTO O DECREMENTO DELLA POTENZA DA GENERARE PER

RIPORTARE IN EQUILIBRIO AL PROPRIO INTERNO POTENZA

GENERATA E CARICO

A TAL FINE E’ NECESSARIA:

• la conoscenza della potenza scambiata con le altre aree (Ps)

• una valutazione dell’ulteriore potenza necessaria ad equilibrare il carico dell’area interessata se la frequenza è diversa da quella nominale