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L’energia sotto forma elettrica – L’energia in forma elettrica in natura non
esiste (a parte qualche eccezione): è un vettore.
– L’energia elettrica non può essere immagazzinata in forma diretta (anche in questo caso a parte qualche eccezione: supercondensatori), ma solo in forma indiretta: elettrochimica (pile e accumulatori), potenziale idraulica, potenziale termica, ecc.
– L’energia elettrica deve quindi essere prodotta nello stesso istante in cui viene richiesta! E questo è un grosso problema.
– Domanda: perché l’energia elettrica ha avuto uno sviluppo così rilevante?
Perché l’energia elettrica
– Perché è semplice da usare e le sue applicazioni sono estremamente efficienti.
– Perché è possibile sfruttare fonti rinnovabili diffuse che altrimenti non sarebbero utilizzabili (impianti off-shore).
– Perché è possibile sfruttare l’energia nucleare.
– La quantità di energia consumata sotto forma elettrica negli usi finali rispetto alla quantità totale di energia nei Paesi industrialmente avanzati (penetrazione elettrica) è elevata.
Specifiche di base di un sistema elettrico per l’energia
– Dal punto di vista gestionale un grande sistema elettrico deve funzionare ‘ad inseguimento del carico’: il carico deve essere sempre soddisfatto.
– Dal punto di vista tecnico il sistema deve essere:
• trifase a tensione costante (valore efficace della
componente fondamentale);
• con tensione sinusoidale;
• con frequenza costante (rete sincrona a 50 Hz) ed uguale
in grandi aree territoriali (Europa Occidentale,
USA&Canada, Brasile, ecc.)
Caratteristiche di base
– Distanza tra centri di produzione e centri di carico.
– Impossibilità di trasferire potenza lungo un percorso assegnato.
– Necessità di trasportare potenza attiva e reattiva.
– Stretto coordinamento tra tutti i componenti.
La produzione in un sistema elettrico
– Produzione di energia elettrica nei grandi sistemi elettrici avviene tramite:
– grandi centrali (termoelettriche convenzionali, idrauliche di produzione, nucleotermoelettriche, geotermoelettriche, eoliche, ecc.)
– gruppi di potenza ridotta, generalmente associati a fonti rinnovabili e talvolta in cogenerazione (eolico, fotovoltaico, biomasse, ecc.)
Reti di trasporto e di distribuzione
– L’insieme delle linee aeree e in cavo sia in c.a. che
in c.c., dei trasformatori di potenza e di misura,
delle apparecchiature di interruzione e di manovra,
dei sistemi di protezione dei vari componenti, dei
sistemi di trasmissione delle informazioni sullo
stato del sistema, del centro nazionale e di quelli
regionali di monitoraggio e di controllo
costituisce
– le reti di trasporto e di distribuzione.
Il ruolo delle reti elettriche – Le reti di trasporto e di distribuzione sono previste per qualunque tipo
di prodotto; in assenza di tali reti non è possibile consegnare agli utenti finali nessun bene.
– Quasi tutti i beni materiali possono essere prodotti con un certo anticipo rispetto al momento in cui verranno utilizzati, in quanto possono essere immagazzinati e quindi la loro utilizzazione può subire un ritardo rispetto alla loro produzione, ritardo che è funzione della loro deperibilità.
– L’energia elettrica è un bene che deperisce istantaneamente nel momento in cui viene prodotto in quanto non è accumulabile in forma diretta.
– Le reti di trasporto e di distribuzione dell’energia elettrica rivestono quindi un ruolo fondamentale.
Regolazione, protezione e controllo
– Un sistema elettrico deve essere esercito:
– a frequenza costante
– a tensione costante
– Occorrerà quindi predisporre opportuni sistemi di
regolazione, ed in particolare:
– sistema di regolazione della frequenza
– sistema di regolazione della tensione
– Occorrerà inoltre predisporre opportuni sistemi di
protezione e controllo
– I sistemi di regolazione, protezione e controllo
devono:
– essere strettamente integrati
– essere fortemente coordinati
– avere velocità di risposta estremamente elevate
– avere sensibilità e precisioni molto elevate
– essere adeguatamente ridondanti
I sistemi di regolazione, protezione e controllo
– Le funzioni sviluppate da questi sistemi
riguardano essenzialmente
l’acquisizione e l’elaborazione dei dati
provenienti dai sistemi di misura
disposti nei nodi del sistema elettrico.
– Vengono quindi rilevati ed archiviati,
con diverse frequenze di
campionamento, dati di carico, potenze
prodotte, livelli di bacini idraulici,
flussi di potenza nelle linee, guasti,
stato degli interruttori, ecc.
I sistemi di regolazione e di controllo
La regolazione della frequenza
– In un sistema elettrico:
– il carico preleva liberamente energia (e potenza) in qualunque
istante
– l’energia non può in pratica essere immagazzinata sotto forma
elettrica
– Di conseguenza il sistema deve essere bilanciato e cioè la
produzione deve essere esattamente uguale al carico
richiesto in tempo reale (in pratica qualche secondo)
– Un mancato bilanciamento si trasforma in una variazione
della frequenza (il problema delle fonti rinnovabili non
programmabili)
– Il sistema di regolazione della frequenza è
strutturato su 3 livelli:
– regolazione primaria (locale e automatica)
– regolazione secondaria (centralizzata e automatica)
– regolazione terziaria (centralizzata e manuale)
– Devono essere naturalmente previsti opportuni
margini di potenza, disponibile in tempi certi, da
assegnare a ciascun livello.
Regolazione della frequenza
- E’ la capacità di ciascun gruppo di variare in maniera autonoma la potenza erogata al variare della frequenza di rete.
- Ha tempi di intervento brevi (da alcune centinaia di ms ad alcuni secondi), ha carattere locale e dipende dal tipo di gruppo.
- Al termine dell’intervento della regolazione primaria la frequenza del sistema è diversa rispetto a quella precedente alla perturbazione (errore a regime non nullo).
Regolazione primaria di frequenza
- E’ la capacità del sistema di variare la frequenza di rete
variando la potenza erogata da alcuni gruppi con
opportune caratteristiche (errore a regime nullo).
- La regolazione secondaria (“frequenza/potenza”) deve
quindi:
- riportare la frequenza al valore nominale, ricostituendo
così la riserva per la regolazione primaria;
- riportare gli scambi sulle interconnessioni ai valori
contrattuali.
Regolazione secondaria di frequenza
- E’ una qualsiasi variazione, tipicamente manuale,
della potenza erogata dai gruppi al fine di:
- garantire un’opportuna riserva di regolazione
secondaria (ricostituzione o adeguamento alle
variazioni di carico);
- ripartire in maniera ottimale sui vari gruppi,
sulla base di considerazioni economiche, le
variazioni di potenza intervenute.
Regolazione terziaria di frequenza
fase di
ricostituzione
della riservasecondaria
regolazione
primaria
0 30 s fino a 15 min
regolazione
secondaria
regolazione
terziaria
t
fase di
ottimizzazionedel parco
Le tempistiche della regolazione di frequenza
– Le azioni di controllo possono essere sia di tipo locale
che di tipo centralizzato. Secondo tale criterio la
regolazione delle tensioni e delle potenze reattive si
suddivide in tre livelli:
– Regolazione primaria di tensione
– Regolazione secondaria di tensione
– Regolazione terziaria di tensione
Sistema di regolazione di tensione
– La regolazione primaria di tensione è di tipo locale,
effettuata mediante i regolatori di tensione dei gruppi di
generazione, i variatori sotto carico dei trasformatori,
l'inserzione di dispositivi statici (condensatori,
induttanze, SVC, ecc..); tutti questi dispositivi sono
sensibili alla tensione a livello locale (ai morsetti di
macchina, sulle sbarre AT, MT, BT); tale regolazione
viene effettuata in maniera automatica.
Regolazione primaria di tensione
– La regolazione secondaria di tensione è di tipo
centralizzato ad aree, effettuata variando i riferimenti di
tensione dei regolatori al fine di mantenere il più costante
possibile il livello di tensione in alcuni nodi della rete di
particolare importanza (nodi pilota); tale operazione può
essere effettuata anche con altre funzioni obiettivo
(minimizzazione delle perdite in rete, minimizzazione
della potenza reattiva prodotta dai gruppi, ecc.); tale
regolazione viene effettuata in maniera automatica.
Regolazione secondaria di tensione
– La regolazione terziaria di tensione è di tipo
centralizzato, effettuata tramite elaborazione
(simulazione) con il compito di definire il profilo di
tensione di tutta la rete; tale profilo rappresenta il
riferimento per la regolazione secondaria; tale
regolazione viene effettuata fuori linea su base
previsionale.
Regolazione terziaria di tensione