Modeling and management of active electric distribution networks

Nelle attuali reti elettriche di distribuzione, la struttura verticalmente integrata sta rapidamente cambiando a causa della crescente presenza di fonti di generazione connesse ai più bassi livelli di tensione. Queste unità, pur avendo dimensioni ridotte rispetto alle centrali tradizionali connesse alla rete di alta tensione, negli ultimi anni stanno diventando sempre più rilevanti a causa del loro elevato numero. Se da un lato la connessione di generatori distribuiti è incoraggiata dalla riduzione del loro costo e gli incentivi per politiche a sostegno delle energie rinnovabili, d'altra parte questo processo si ripercuote sulla stabilità e la sicurezza del sistema elettrico. Dal punto di vista della rete di trasmissione, la crescente percentuale di energia prodotta nelle reti di distribuzione rispetto ai quella proveniente dalle centrali elettriche tradizionali sta diventando una questione di importanza fondamentale nel risolvere problemi come la regolazione di frequenza. Per quanto riguarda il funzionamento del sistema di distribuzione, la presenza di risorse di generazione rinnovabile e intermittente (ad esempio fotovoltaico) e nuovi utenti in grado di accumulare energia (ad esempio veicoli elettrici connessi alla rete), comunemente indicati come Distributed Energy Resources (DER) è spesso causa di squilibri indesiderati di tensione e corrente e incremento delle perdite di rete. Per affrontare i suddetti problemi, diversi enti normativi nazionali e internazionali hanno aggiornato i requisiti tecnici per i generatori connessi alla rete di distribuzione, con l'obiettivo di favorire la loro integrazione nella regolazione di rete. Una quota rilevante di questi generatori connessa alla rete di distribuzione utilizza convertitori statici per interfacciarsi con il sistema elettrico: con le nuove norme, queste unità devono prevedere la possibilità di modificare il proprio funzionamento per contribuire alla regolazione di rete attraverso controlli basati su logica locale (ad esempio controllo di frequenza e tensione), sulla base di segnali inviati da remoto dal Distributore e rimanendo connessi in presenza di condizioni di guasto transitorie (fault-ride-through). Come appare evidente dalle decisioni prese sul piano normativo per aggiornare i codici di rete, l'integrazione dei DER avrà un ruolo predominante nella futura gestione delle reti elettriche, sia da un punto di vista della sicurezza che nel migliorare l'efficienza energetica. Per questo motivo, oltre all'aggiornamento dei requisiti di connessione per la partecipazione al supporto di rete, decisioni a livello regolatorio dovranno essere prese per favorire il passaggio alle cosiddette ``smart-grid''. Le suddette problematiche associate all'integrazione delle risorse distribuite nella gestione delle reti elettriche evidenziano l'importanza di rappresentare con elevato livello di dettaglio la rete di distribuzione, in modo da includere modelli di generatori distribuiti che possono partecipare alla regolazione. Avendo strumenti di simulazione adeguati, scenari di integrazione di queste risorse possono essere studiati, proponendo strategie per la loro gestione. Questa tesi affronta emntrambi i temi, trattando sia la rappresentazione della rete che la sua gestione. Questa tesi presenta una metodologia per la rappresentazione di reti di distribuzione e, in generale, di reti multi-conduttore, includendo sistemi asimmetrici anche in presenza di particolari configurazioni di messa a terra e di sezioni con diverso numero di conduttori. Dal punto di vista della gestione del sistema, in questa tesi viene proposta una strategia decentralizzata per la gestione di reti di media tensione con l'obiettivo di coinvolgere i DER nella regolazione di rete. Un controllo coordinato viene proposto anche per la gestione di DER connessi alla rete di bassa tensione, con il duplice obiettivo di limitare lo squilibrio di tensione e aggregare i contributi delle risorse distribuite per fornire servizi ancillari. I criteri di rappresentazione e gestione delle reti di distribuzione sono stati applicati ad alcuni casi studio per dimostrarne l'applicabilità in diversi sistemi elettrici.