Studies on the impact of the ITER Pulsed Power Supply System on the Pulsed Power Electrical Network

L’esperimento ITER sarà costruito a Cadarache (Francia) e il suo obiettivo principale sarà quello di dimostrare la fattibilità tecnologica di produzione di grandi quantità d’energia attraverso la fusione in un plasma di deuterio e trizio In un reattore a fusione, il plasma (un gas ionizzato di deuterio e trizio) deve essere riscaldato fino a temperature di milioni di gradi Celsius al fine di sostenere la reazione di fusione. Non vi sono materiali in grado di resistere a tali temperature, per cui il plasma è tenuto lontano dalle pareti della camera da vuoto del reattore per mezzo di opportuni campi magnetici, prodotto dalle correnti nelle bobine superconduttrici, che interagiscono con gli ioni del plasma. Oltre al riscaldamento ohmico, altri due sistemi di riscaldamento sono previsti nel progetto di ITER, basati sulle onde elettromagnetiche a radiofrequenza e iniezione di neutri. Due iniettori di fasci di neutri (Neutral Beam Injectors NBIs) saranno utilizzati per scaldare il plasma; ciascuno è composto da un sistema di griglie che formano cinque stadi di accelerazione da 200 kV ciascuno, che accelerano gli ioni negativi di deuterio o idrogeno, che vengono poi neutralizzati e iniettati nel plasma di ITER. L'alta energia (1 MeV) e la potenza del fascio (16,7 MW) rendono questo progetto molto complesso, vicino alla stato dell'arte dei componenti. Il sistema di conversione ac/dc necessario per alimentare le bobine superconduttrici del sistema di magneti e dei sistemi ausiliari (come i NBIs) può consumare complessivamente una potenza attiva e reattiva rispettivamente fino a 500 MW e 900 Mvar. Negli ultimi anni molti studi sono stati effettuati sul sistema di alimentazione ITER e sul suo impatto sulla rete elettrica (chiamata Pulsed Power Electrica Networ PPEN). Diverse tecniche sono state considerate per migliorare il fattore di potenza dei sistemi di conversione ac/dc a tiristori di ITER. Per quanto riguarda la riduzione dell’assorbimento sono state studiate tecniche quali il controllo sequenziale ed asimmetrico, con bypass interno o con freewheeling esterno. Per quanto riguarda invece la compensazione, l’attuale progetto di riferimento è basato sulla tecnologia Static Var Compensator (SVC) con potenza nominale di 750 Mvar, composto da Thyristor Controlled Reactor (TCR) + Filtri per le armonche di corrente (che hanno la funzione di fornire potenza reattiva). Tuttavia, gli studi sono ancora in corso con l'obiettivo di ulteriori miglioramenti. Questa tesi di dottorato studia due aspetti legati all'impatto sulla rete PPEN del sistema di alimentazione di ITER, con un approccio diverso rispetto a quelli già effettuati. Il primo riguarda lo studio della stabilità della rete elettrica PPEN e principalmente si propone di studiare i fenomeni di interazione tra i sistemi di conversione ac/dc e di compensazione della reattiva, dovuti in particolare all’elevato consumo di potenza durante gli scenari di funzionamento di ITER. Non è un compito facile: il sistema di alimenatzione di ITER è molto complesso, le simulazioni numeriche del suo funzionamento attraverso programmi in grado di riprodurre i profili istantanei di tensione e corrente richiede tempi di calcolo molto lunghi e soprattutto non forniscono alcuna sensibilità riguardo la stabilità del sistema. Ho quindi applicato un approccio analitico e, considerando i metodi sviluppati per le applicazioni HVDC che però non possono essere direttamente applicati al caso ITER, ho sviluppato specifici modelli analitici. Il primo modello è il “Quasi-Static Model”, che ha lo scopo di valutare l’adeguatezza della rete elettrica del sistema di alimentazione di ITER attraverso un’analisi di sensibilità. Ho ricavato le equazioni del modello dalle equazioni ai flussi di potenza in funzione di alcuni parametri rilevanti per l’analisi di sensibilità. Con questo modello ho potuto calcolare alcuni indici come il rapporto critico cortocircuito (Critical Short Circuit Ratio) e il fattore di sensibilità di tensione (Voltage Sensitivity Factor). Nessuna condizione criticha è stata trovata. Il secondo è un modello dinamico (chiamato Dynamic Model), ed è basato sulla formulazione alle variabili di stato e si propone di indagare la stabilità dinamica di tutto il sistema, tra cui anche il sistema di controllo. Tuttavia il sistema di conversione ac/dc e i TCR sono componenti non lineari e discreti, e sono difficili da modellare; considerando i metodi descritti in bibliografia, ho approssimato i fenomeni discreti con funzioni di trasferimento continue, e ho eseguito la linearizzazione attorno ad un punto di equilibrio, utilizzando così l’approccio ai piccoli segnali. Ho adottato un approccio modulare, sviluppando cioè un modello dinamico per ogni sottosistema (i filtri delle armoniche di corrente, i TCR e il sistema di conversione ac/dc). Poi ho costruito modelli numerici dei sottosistemi, con un programma (PSIM) in grado di riprodurre le forme d'onda istantanee per la validazione dei modelli dinamici (implementato con il programma Matlab Simulink, state space tool) attraverso il confronto dei risultati nel dominio della frequenza e del tempo. Infine ho costruito il modello dinamico di tutto il sistema e validato con il modello equivalente in PSIM. Dai risultati delle analisi in frequenza, il modello dinamico è accurato per frequenze inferiori a 50 Hz, ma può essere utilizzato per ottenere qualche informazione circa la stabilità del sistema anche per frequenze fino a 100 Hz. Alcune condizioni di funzionamento instabili sono state individuate e sono dovute alla risonanza tra i filtri e la griglia. Questo modello può essere facilmente implementato con maggiori dettagli per l'intero sistema di alimentazione ITER e può essere uno strumento molto utile e veloce per aiutare la progettazione del sistema di alimentazione e impostare i parametri del sistema di controllo. Come secondo argomento della mia tesi di dottorato, ho studiato la fattibilità tecnologica di utilizzare una tecnologia più avanzata basata su un approccio di rettificazione attiva (Active Front End AFE) per la progettazione del principale sistema di conversione ac/dc (chiamato Acceleration Grid Power Supply AGPS) del sistema di alimentazione del NBI (56 MW , 88 MVAr) per migliorare il suo impatto in sulla rete PPEN in termini di minimizzazione della potenza reattiva e delle armoniche di corrente. In questa parte della tesi, dopo una breve descrizione del progetto di riferimento dell’AGPS basato sulla tecnologia a tiristori, ho descritto il progetto concettuale del sistema di rettificazione dell’AGPS basato sulla soluzione alternativa AFE che ho sviluppato; la sua fattibilità ed i vantaggi e gli svantaggi rispetto alla soluzione tiristori sono stati valutati e discussi. I risultati ottenuti dalle analisi mostrano che la soluzione AFE è fattibile e migliora significativamente l'impatto della AGPS sulla rete PPEN di ITER rispetto a quella a tiristori. Inoltre sono state proposte e discusse alcune modifiche di alcuni parametri del progetto di riferimento per consentire la piena conformità con i requisiti delle specifiche tecniche con l'implementazione della soluzione AFE. Questa tesi è organizzata come segue. Nel capitolo 1, una breve introduzione descrive la ricerca sulla fusione. Il sistema di alimentazione di ITER è descritto nel capitolo 2. La prima parte della tesi di dottorato relativa allo sviluppo dei modelli analitici inizia nel capitolo 3, con la descrizione dello schema equivalente semplificato del sistema di alimentazione ITER. I modelli quasi-statico e dinamico sono descritti rispettivamente nei capitoli 4 e 5, e nel capitolo 6 sono presenti le conclusioni relative a questa parte. La seconda parte della tesi di dottorato relativa allo studio di una soluzione di rettifficazione attiva applicata al sistema d’alimentazione dell griglie (AGPS) dell’iniettore di fasci di neutri inizia nel capitolo 7, che descrive il progetto di riferimento della AGPS basato sulla soluzione tiristori. Poi sono descritte diverse soluzioni AFE e dei sistemi di controllo trovati in bibliografia, e la loro applicazione alla AGPS è discussa nel capitolo 8. Nel capitolo 9 il progetto concettuale della AGPS basato sull’approccio AFE è descritto in dettaglio. Nel capitolo 10 la soluzioni AFE e tiristori sono confrontati in termini di impatto sulla rete PPEN (potenza reattiva e armoniche di corrente)