Islanding and stability of low voltage distribution grids with renewable energy sources

L’impiego di fonti di energia rinnovabile sta portando ad un aumento della quantità di generazione integrata connessa alle reti di distribuzione di media e bassa tensione. Questa penetrazione sta aprendo nuove sfide per migliorare il funzionamento della rete elettrica, ma anche alcuni rischi e problemi perché queste parti di rete non erano inizialmente state progettate per ospitare generazione. Tali sorgenti energetiche sono solitamente interfacciate da convertitori elettronici di potenza, ad esempio inverter, che risultano essere unità estremamente flessibili in termini di funzionalità e controllo. Ad esempio, gli inverter hanno grande autonomia sul controllo delle correnti e tensioni d’uscita, sia in fase che in ampiezza. Quindi, una corretta ed appropriata progettazione dei loro regolatori può migliorare l’efficienza della distribuzione e l’affidabilità della rete. La generazione distribuita può inoltre migliorare la qualità della tensione fornita ai carichi all’interno della rete elettrica. Ad esempio, parti di rete possono essere mantenute in funzionamento intenzionalmente come reti autonome anche quando la connessione alla rete principale viene a mancare. In questo modo, l’affidabilità della rete può aumentare, ottenendo sempre continuità di servizio di fornitura dell’energia elettrica. Tuttavia, in funzionamento autonomo o ad isola la tensione deve essere controllata dagli inverter al fine di alimentare correttamente tutti i carichi, dal momento che il controllo solitamente effettuato dal gestore di rete viene a mancare, e la potenza richiesta dai carichi deve anche essere suddivisa adeguatamente tra le risorse energetiche distribuite. Dall’altro lato, l’aumento della generazione distribuita può portare anche ad avere dei rischi aggiuntivi in alcuni casi, se non viene gestito correttamente. Ad esempio, il funzionamento ad isola può manifestarsi anche involontariamente e senza essere previsto a causa della generazione locale che può mantenere in funzione parti di rete elettrica. In questo caso, il funzionamento ad isola è un problema per la rete elettrica perché può danneggiare le apparecchiature elettriche o creare pericoli per la sicurezza dei lavoratori. La probabilità di funzionamento involontario ad isola è aumentata di recente a causa di nuove normative introdotte per i generatori le quali, in particolare, impongono gamme di funzionamento più ampie per frequenza e tensione e impongono il supporto alla regolazione della frequenza e della tensione con caratteristiche droop di tipo P/f e Q/V ai singoli generatori. Ogni inverter può essere dotato di protezioni contro il modo di funzionamento involontario ad isola, tuttavia tali protezioni potrebbero in alcuni casi non riuscire a riconoscere la transizione dal modo di funzionamento in parallelo alla rete principale a quello ad isola. Questo potrebbe impedire la disconnessione degli inverter e portare al modo di funzionamento ad isola non controllata. In questo scenario complesso, alcuni contributi di questa Tesi sono legati al funzionamento ad isola di parti di rete elettrica. In primo luogo, il rischio di formazione dell’isola involontaria è studiato considerando l’effetto delle nuove normative introdotte per la connessione delle risorse energetiche distribuite ed in particolare delle fonti fotovoltaiche. Si mostrerà che tale rischio è potenzialmente in aumento e alcuni suggerimenti potranno essere ricavati per cercare di contenere il fenomeno di isola non intenzionale. Un’altra parte della Tesi affronta il modo di funzionamento in isola intenzionale. Un controllore locale per inverter per risorse energetiche distribuite è presentato per gestire una parte di rete durante il funzionamento in parallelo al gestore principale, durante il funzionamento autonomo (o ad isola) e anche durante la transizione: durante il funzionamento in parallelo alla rete, il regolatore insegue riferimenti di potenza attiva e reattiva e, nella modalità ad isola sfrutta le proprietà del controllo droop al fine di suddividere il carico tra le risorse energetiche distribuite e per regolare la tensione. La peculiarità di questo regolatore è che non necessita di identificare la particolare modalità di funzionamento e quindi la transizione dal modo di funzionamento in parallelo alla rete principale a quello autonomo può avvenire senza comunicazione all’interno della rete elettrica, né tra gli inverter né con il sezionatore che connette la rete al gestore principale. Nello scenario fin qui descritto, un altro aspetto importante è quello legato alla stabilità del sistema, più o meno esteso: le interazioni tra sistemi di conversione dell’energia sempre più basati su convertitori elettronici di potenza possono infatti peggiorare la qualità dell’alimentazione e la stabilità della rete. Questi fenomeni possono essere affrontati analizzando le impedenze di sorgente e carico in corrispondenza della sezione di interazione tra due sottosistemi. Per questo, esistono approcci efficaci per quanto riguarda le reti in corrente continua ed alternata di tipo trifase per analizzare il sistema sorgente-carico. Alcuni lavori si sono concentrati anche sui sistemi a corrente alternata monofase, il cui studio è generalmente più complesso a causa delle loro caratteristiche di tempo-varianza. Un altro contributo di questa Tesi è la descrizione di un’estensione per lo studio di stabilità di sistemi di alimentazione in corrente alternata monofase, assieme alla sua validazione sperimentale. Questo metodo si basa sull’applicazione dei fasori dinamici per determinare le impedenze di sorgente e di carico di tipo bidimensionale e affronta la stabilità con il criterio generalizzato di Nyquist, precedentemente impiegato per lo studio di sistemi trifase in corrente alternata bilanciati. La stabilità della rete di distribuzione può essere studiata anche concentrandosi sulle interazioni di alto livello dovute alla sua moltitudine di dispositivi, come generatori e carichi, e questo può essere fatto considerando modelli approssimati e generali che possono descrivere diverse tipologie di dispositivo. L’ultimo contributo di questo lavoro è lo studio di stabilità di sistema e lo studio dinamico di grandi reti di distribuzione, con grande penetrazione di generazione distribuita. Modelli semplificati per i singoli dispositivi sono collegati insieme in grandi modelli di piccolo segnale, con un approccio scalabile e automatizzabile per l’analisi dinamica, che può affrontare lo studio di una rete con un numero generico di nodi, senza richiedere sforzi aggiuntivi da parte dell’utente. In particolare, tale attività è stata svolta nel corso di un periodo di ricerca presso l’Istituto Automation of Complex Power Systems di RWTH Aachen University (Germania). I risultati di questa Tesi sono supportati da studi analitici, tramite simulazione al calcolatore e con validazioni di tipo sperimentale. Inoltre, sono stati utilizzati strumenti quali l’hardware-in-the-loop e la simulazione in tempo reale al fine di implementare alcuni concetti e poterli validare.