Real-time applications for electric power generation and control

Il controllo dei sistemi elettrici di potenza ha per scopo la fornitura di energia agli utilizzatori (carichi) garantendo una adeguata qualità malgrado le continue variazioni di topologia, le variazioni nella generazione e le fluttuazioni dei carichi che avvengono nel sistema stesso. Questa tesi riguarda il problema della regolazione di uno tra i principali parametri che determina la qualità del servizio fornito: la tensione a cui l'energia viene fornita. Una eventuale definizione di adeguata qualità è fuori dagli scopi del lavoro. Molti dispositivi atti a regolare il valore della tensione in diverse parti del sistema sono stati sviluppati nel corso degli anni. In questa tesi vengono approfonditi alcuni aspetti dei dispositivi di regolazione della tensione che agiscono attraverso il controllo della potenza reattiva erogata dai generatori. La regolazione della tensione nei sistemi elettrici è tradizionalmente suddivisa almeno in regolazione primaria, che avviene agendo sulla tensione di eccitazione dei singoli generatori, e regolazione secondaria, con il controllo della potenza reattiva di intere centrali. Entrambe, in ultima analisi, vengono attuate variando la tensione di eccitazione dei generatori sincroni. In questo lavoro viene presentata una unica piattaforma hardware e software che ha permesso di implementare due dispositivi di controllo digitale: - un sistema di controllo dell'eccitazione per la regolazione primaria della tensione nei generatori sincroni; - un sistema di controllo della potenza reattiva per la regolazione secondaria della tensione nelle grandi centrali elettriche. Questo dispositivo è presente nel codice di rete italiano dal 2003 e viene chiamato SART (Sistema Automatico di Regolazione della Tensione). Questi regolatori di tensione sono nati storicamente come apparati analogici e sono poi stati implementati come sistemi digitali con varie tecnologie. In questa tesi si tratta dell'implementazione di tali sistemi come controlli digitali utilizzando microprocessori e software di elaborazione matematica di uso generale equipaggiati con sistemi operativi di uso generale ma con caratteristiche real-time. Una tecnica emergente per la prototipizzazione rapida di sistemi di controllo prevede l'utilizzo di strumenti di simulazione di alto livello in cui progettare e simulare il funzionamento dell'impianto e del controllo generando automaticamente il codice del controllo. In questa tesi è presentata e descritta l'applicazione della citata tecnica nell'ambito della produzione e regolazione dell'energia elettrica. I due sistemi di controllo oggetto di questa tesi sono progettati e simulati con un linguaggio di alto livello ed implementati con l'utilizzo di un sistema operativo Linux modificato (RTAI) per avere prestazioni real-time. In questo lavoro vengono anche presentati i dati sperimentali di alcune sessioni di collaudo dell'apparato SART. In fase finale è stata indagata la possibilità di utilizzare la piattaforma per sviluppare analoghi dispositivi di regolazione da applicare alla rete di distribuzione. La crescita della generazione di piccola e media taglia all'interno delle reti di distribuzione avvenuta nell'ultimo decennio ed ancora in corso, pone nuove problematiche per la regolazione di tensione. Viene quindi proposto un controllo della tensione per reti di distribuzione, in presenza di generazione distribuita, in cui dispositivi analoghi a quelli presentati per la rete di trasmissione possono trovare utile applicazione.