Cooperative control of distributed compensation systems in electric networks under non-sinusoidal operations

Negli ultimi decenni il crescente numero di carichi non lineari e tempo-varianti collegati alla rete di distribuzione elettrica ha condizionato l’andamento della tensione e la qualità dell’energia nelle reti di trasmissione e distribuzione. Per contro si è parallelamente registrata un’importante domanda di potenza elettrica di elevata qualità, sia per quanto riguarda l’affidabilità della fornitura, sia per quanto riguarda il soddisfacimento di specifici requisiti sulle forme d’onda, il che ha richiesto interventi normativi per limitare l’inquinamento armonico e lo sbilanciamento dovuto ai carichi e provvedimenti tecnici per ridurre la distorsione di tensione e l’asimmetria. Inoltre, a seguito delle politiche internazionali per lo sviluppo sostenibile, i dispositivi che sfruttano l’energia delle fonti rinnovabili si stanno rapidamente sviluppando e stanno divenendo sempre più diffusi nelle reti elettriche. Viene così a delinearsi uno scenario completamente nuovo nella generazione e gestione dell’energia, che si inserisce però in una struttura della rete di distribuzione che rimane sostanzialmente inalterata rispetto al passato. Il presente lavoro di tesi nasce proprio in questo contesto e sottolinea la necessità di una gestione coordinata dei vari generatori e compensatori distribuiti in una rete elettrica, di per sé affetta da distorsione e asimmetria e ricca di carichi reattivi, distorcenti e sbilanciati. L’obiettivo della ricerca è quello di fornire una base teorica e sviluppare criteri e algoritmi di controllo per la gestione cooperativa di un sistema distribuito di interfacce elettroniche e sistemi di compensazione, così da ottimizzare il funzionamento della rete in termini di power quality ed efficienza nell’impiego dell’energia. Ciò significa affrontare il problema della compensazione armonica, reattiva e dello sbilanciamento, non più a livello locale, come a tutt’oggi viene fatto, ma piuttosto a livello di sistema. Il primo obbiettivo è quello di sfruttare ciascun compensatore al massimo delle proprie possibilità, evitando inoltre l’insorgere di risonanze o interazioni indesiderate tra le varie unità. Viene dunque presentato un approccio alla compensazione innovativo e completo, che risulta applicabile alle reti reali (caratterizzate da sbilanciamento, distorsione e asimmetria) ed è sviluppato nell’ottica distribuita e cooperativa. In particolar modo sono presentati diversi algoritmi di controllo, sia locali che centralizzati (globali), applicabili ad ogni tipo di compensatore, dagli Static Var Compensator ai filtri attivi di potenza e alle interfacce elettroniche. La strategia di controllo è basata su grandezze conservative, che mantengono uno specifico significato fisico indipendentemente dal livello di tensione e dallo sfasamento, risultando così un efficace mezzo per la descrizione e il trasferimento delle informazioni attraverso la rete elettrica. Vengono dunque analizzate diverse tecniche di controllo, sottolineandone vantaggi e svantaggi, fino ad arrivare ad una strategia semplificata, di implementazione particolarmente elementare e applicabile sia a sistemi monofase che trifase. Tale approccio è analizzato nel dettaglio e infine esteso alla considerazione di sistemi sbilanciati o asimmetrici. I risultati di numerose indagini simulative illustrano man mano proprietà e funzionamento delle varie soluzioni proposte.