Attività di monitoraggio delle reti: risultati di un caso studio

La microrete della sede di Macchiareddu di Sardegna Ricerche

REPUBBLICA ITALIANA

Carla Sanna

Cagliari 13 febbraio 2015

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Sistemi energetici integrati e innovativi:

analisi delle micro reti intelligenti e studio della loro configurazione per una applicazione rivolta alla gestione integrata dell’energia

Progettazione di una microrete:

2) Fase di studio dello stato attuale

1) Identificazione della sede

Sede della Piattaforma Energie Rinnovabili

3) Predisposizione e adeguamento dell’esistente alle necessità della microrete

Cosa abbiamo fatto?

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Caratteristiche della fornitura elettrica di Macchiareddu

Caratteristiche della fornitura: Tensione di fornitura : 380V – bassa tensione Potenza disponibile: 250kW

RETE

CPV

PV

Carichi

Carichi

La quasi totalità dei carichi presenti nella sede di Macchiareddu sono di tipo

NON LINEARE

• PCs • Stampanti • Fotocopiatrici • Fax • Illuminazione a neon • Strumentazione elettronica ( oscilloscopi,

generatori di funzioni, carichi elettronici) • Simulatori solari • Etc…

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Carichi lineari vs carichi NON lineari

L’ente fornitore di energia elettrica è tenuto a garantire determinati standard per quanto riguarda la tensione di fornitura. [CEI EN 50160: “Caratteristiche della tensione fornita dalle reti pubbliche di distribuzione dell’energia elettrica”]

La qualità della fornitura elettrica non dipende solo dalle caratteristiche offerte dal fornitore ma anche dal tipo di utente

I carichi lineari assorbono corrente perfettamente sinusoidale con la stessa frequenza della tensione di alimentazione. La corrente potrebbe essere sfasata rispetto alla tensione ( es: le normali lampadine, le stufe a resistenza, frigoriferi, motori a induzione, carichi resistivi, etc )

I carichi NON lineari assorbono corrente distorta che è periodica con frequenza a 50Hz ma è costituita da più armoniche (es: PCs, fax, lampade a fluorescenza, apparecchiature dotate di un circuito elettronico)

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Carichi non lineari

Una corrente periodica distorta può essere scomposta in più componenti aventi frequenze multiple della fondamentale e ampiezze via via decrescenti (analisi di Fourier)

Correnti distorte Armoniche

Fondamentale (50Hz) = 50A

5° armonica (250Hz) = 17 A

6° armonica (300Hz) = 12 A

11° armonica (350Hz) = 7 A

+ +

+

=

Corrente distorta, 50 A, 50Hz

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Carichi non lineari

Come si quantifica il contenuto armonico di un segnale periodico?

Correnti distorte Armoniche

Fondamentale (50Hz) = 50A

5° armonica (250Hz) = 17 A

6° armonica (300Hz) = 12 A

11° armonica (550Hz) = 7 A

Corrente distorta, 50 A, 50Hz

Per quantificare il grado di distorsione si utilizza il THD Total Harmonic Distortion

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Le armoniche possono causare diversi problemi: • sovraccarico della rete di distribuzione • deformazione della tensione di alimentazione con conseguente malfunzionamento degli apparecchi elettronici più sensibili • surriscaldamento e riduzione della vita utile di cavi e trasformatori • sovraccarico del conduttore di neutro dovuto alla somma delle correnti di terza armonica create dai carichi monofase • disturbi alla linee di comunicazione (telefono) • malfunzionamento dei sistemi di protezioni • Etc…

Danni causati dalle armoniche

L’impatto delle armoniche può essere gravoso da un punto di vista economico: • l’usura precoce porta ad una vita utile inferiore dell’impianto • il sovraccarico della rete si traduce in contratti più gravosi e perdite supplementari, a meno di un

sovradimensionamento • la deformazione della corrente può causare interventi intempestivi degli organi di protezione e

l’arresto delle linee di produzione con conseguenti perdite I costi derivanti dall’usura del materiale, dalle perdite energetiche e di produttività possono ridurre notevolmente la competitività delle aziende

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Campagna di monitoraggio

RETE

CPV

PV

Carichi

PV Impianto fotovoltaico tradizionale di tecnologia mista monocristallino e amorfo da 18.70kW

CPV Impianto fotovoltaico a elevata concentrazione con celle a tripla giunzione e lenti di fresnel da 6.2kW

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Strumentazione usata:

WT3000 power analyzer

Campagna di monitoraggio

RETE

CPV

PV

Carichi

Punto di misura

Precisione 0.02% del valore letto Bandwith : 0.1Hz ÷ 1MHz e segnali DC

Grandezze misurate: Tensioni e correnti sulle tre fasi e il neutro ( U1,U2,U3-I1,I2,I3,I4) Analisi dell’evoluzione dei THD in diverse condizioni di carico e di generazione di energia elettrica

• Giornata feriale • Giornata lavorativa tipica

Impatto degli impianti FV

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Giornata festiva: pochi carichi non lineari

RETE

PV

Carichi

Punto di misura

Analisi effettuata in una giornata festiva con e senza impianto

FV da 18.70kW

HCPV

RETE

PV

Carichi

HCPV

Punto di misura

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Al di fuori delle ore «solari» i

THD sulle tre fasi sono compresi tra 15% e 35%

RETE

PV

Carichi

Punto di misura HCPV

Giornata festiva: evoluzione della potenza attiva e dei THD delle correnti in presenza di FV (18.70kW)

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Giornata festiva: evoluzione della potenza attiva e dei THD delle correnti in presenza di FV (18.70kW)

Zona di transizione Regione fortemente distorta dovuta alle fasi di accensione e di stand-by dell’impianto. La distorsione maggiore si ha quando la potenza assorbita è intorno allo zero.

RETE

PV

Carichi

Punto di misura HCPV

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Pmedia= 2,25kW

I tassi di distorsione scendono al di sotto del 10% quando la potenza generata

supera più del doppio quella media assorbita

RETE

PV

Carichi

Punto di misura HCPV

Giornata festiva: evoluzione della potenza attiva e dei THD delle correnti in presenza di FV (18.70kW)

REPUBBLICA ITALIANA

RETE

HCPV

PV

Carichi

Punto di misura

Giornata lavorativa Evoluzione della potenza attiva totale ( 3 fasi)

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Giornata lavorativa in presenza del solo CPV (6.2kW)

Al di fuori delle ore «solari» i THDs sulle tre fasi sono

compresi tra 10% e 50% circa

RETE

HCPV

PV

Carichi

Punto di misura

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Giornata lavorativa in presenza del solo CPV

La zona di transizione non è più riconoscibile e si confonde con la zona centrale in cui i THDs

aumentano

RETE

HCPV

PV

Carichi

Punto di misura

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Giornata lavorativa in presenza di entrambi del solo FV

RETE

HCPV

PV

Carichi

Punto di misura

Al di fuori delle ore «solari» i THDs sulle tre

fasi non superano il 25÷30%

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Giornata lavorativa in presenza di entrambi del solo FV

RETE

HCPV

PV

Carichi

Punto di misura

Nelle ore «solari» la zona di transizione non

è più riconoscibile e si confonde con la zona centrale in cui i THD

aumentano

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Giornata lavorativa in presenza di entrambi gli impianti FV (18.70kW + 6.2kW)

Al di fuori delle ore «solari» i THDs sulle tre fasi sono compresi

tra 15% e 45% circa

RETE

HCPV

PV

Carichi

Punto di misura

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RETE

HCPV

PV

Carichi

Punto di misura

Zona di transizione Regione fortemente distorta dovuta alle fasi di accensione e di stand-by degli impianti

Giornata lavorativa in presenza di entrambi gli impianti FV (18.70kW + 6.2kW)

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I THD sulle tre fasi si riducono notevolmente durante le ore di produzione da fonte solare

RETE

HCPV

PV

Carichi

Punto di misura

Giornata lavorativa in presenza di entrambi gli impianti FV (18.70kW + 6.2kW)

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Confronto tra Forme d’onda e THD

(WD) Giornata lavorativa tipica

senza impianti FV

(WD+ HCPV +FV) Giornata lavorativa tipica con

entrambi gli impianti fotovoltaici in funzione

(WD+FV) Giornata lavorativa tipica con

solo l’impianto FV tradizionale in funzione

(WD+ HCPV) Giornata lavorativa tipica con

solo l’impianto a concentrazione in funzione

I1 I2 I3

WD 26.8 22.4 34.7

WD+CPV 28.9 79.2 100

WD+FV 30.4 33.05 25.13

WD+CPV+FV 14.6 9.1 20.6

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Confronto tra le evoluzioni dei tassi di distorsione armonica delle correnti sulla fase 1 nelle diverse situazioni

RETE

HCPV

PV

Carichi

Punto di misura

Assorbimento medio

sulla fase 1 durante una giornata

lavorativa

~ 3kW

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Relazione tra potenza attiva e evoluzione del THD sulle corrente

WD+PV Giornata lavorativa tipo in presenza del solo fotovoltaico

tradizionale- fase 1

Al di fuori delle ore di funzionamento dell’impianto

tradizionale la potenza e il THD sono stabili

Durante le ore solari il profilo del THD riflette

l’andamento della potenza e raggiunge valori massimi quando la potenza attiva è attorno

allo zero

RETE

PV

Carichi

Punto di misura

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Relazione tra potenza attiva e evoluzione del THD sulle corrente WD+HCPV

Giornata lavorativa tipo in presenza del solo fotovoltaico a concentrazione- fase 1

Al di fuori delle ore di funzionamento dell’impianto a concentrazione potenza e THD

sono stabili

Zona di transizione

Durante le ore solari il THD rispecchia l’andamento della potenza e raggiunge valori massimi quando la potenza attiva è attorno allo zero

RETE

HCPV

PV

Carichi

Punto di misura

REPUBBLICA ITALIANA

Relazione tra potenza attiva e evoluzione del THD sulle corrente WD+PV+HCPV

Giornata lavorativa tipo in presenza del solo fotovoltaico tradizionale - fase 1

I THD scendono a valori intorno al 10% quando

la quando la potenza generata supera del

doppio quella assorbita

~ 3kW potenza istantanea media sulla fase 1 durante una giornata

lavorativa

Zona di transizione

RETE

HCPV

PV

Carichi

Punto di misura

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Conclusione e prospettive

• Analisi e monitoraggio della qualità della rete • Influenza degli impianti fotovoltaici sull’evoluzione dei tassi di distorsione armonica

• Attenzione al bilanciamento!!!!!

• Predisposizione di sistemi di compensazione delle armoniche • Installazione di una unità UPS

• Studio dell’influenza dell’UPS • Sviluppo di una microgrid su banco prova

RETE

Batteria CPV PV Carichi

Unità di gestione e controllo della microgrid

Al fine di mitigare gli effetti della non linearità dei carichi e di rendere la rete più stabile È stata acquistata un’unità UPS.

RETE

Batteria CPV PV

Carichi

UPS

Unità di gestione e controllo della microgrid

Al fine di mitigare gli effetti della non linearità dei carichi e di rendere la rete più stabile È stata acquistata un’unità UPS.

Batteria

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Carla Sanna Piattaforma Energie Rinnovabili

Laboratorio di energetica elettrica Tel. +39-070 9243-2707

sanna@sardegnaricerche.it

Grazie per l’attenzione

Sardegna Ricerche – ZI Macchiareddu, VI Strada Ovest – 09010 Uta (CA)

www.sardegnaricerche.it