Advanced Control of Power Converters for Efficient Use of Distributed Energy Resources in Future Smart Microgrids

Questo lavoro ha l’obiettivo di analizzare alcuni aspetti del nuovo scenario delle Smart Grid, dove la vasta introduzione di generazione distribuita e di tecniche innovative di gestione dell’energia sta forzando una profonda revisione dell’attuale rete di distribuzione. Nonostante i temi affrontati abbiano validità generale, l’analisi presentata si concentra sulle microreti in bassa tensione. Questo perché la bassa tensione, a maggior ragione se limitata a una specifica area identificata da una microrete, è l’architettura più flessibile ed aperta all’introduzione di soluzioni innovative. Recentemente, la rete di distribuzione ha visto l’introduzione di un gran numero di generatori distribuiti, introduzione finora basata su una rigida struttura gerarchica all’interno della rete, dove i gestori mantengono il completo controllo sull’installazione e sulla gestione degli impianti. Questo è legato soprattutto a ragioni storiche: la rete di distribuzione si basa su un paradigma di controllo centralizzato, dove i flussi di potenza sono unidirezionali. La generazione avviene in un numero limitato di centrali e la potenza viene distribuita ai carichi, in un’architettura rigida e totalmente controllata. Lo scenario emergente delle Smart Grid propone invece una generazione fortemente decentralizzata, basata su un gran numero di sorgenti di energia distribuite, anche di potenza medio bassa. Allo stesso tempo, il settore dell’ICT (Information and Communication Technology) è in continua crescita. La combinazione di generazione distribuita e ICT ha la potenzialità di cambiare completamente il sistema di distribuzione dell’energia, sia da un punto di vista architetturale che del ruolo delle parti nel mercato dell’energia. Da una prospettiva architetturale, la generazione distribuita potrebbe evolvere verso una soluzione ibrida tra sorgenti rinnovabili quali fotovoltaico, eolico, celle a combustibile ed idroelettrico e fonti tradizionali a combustione, quali turbine a gas e generatori diesel, queste ultime in grado di garantire continuità di alimentazione ai carichi più sensibili in qualsiasi condizione. Inoltre, un accumulo energetico (Energy Storage, ES) può essere usato per introdurre un grado di libertà aggiuntivo nella gestione dell’energia: batterie o flywheels possono assorbire la generazione in eccesso, per fornire energia durante i picchi di carico. Accumuli energetici di ridotta capacità, 10 10 quali i supercondensatori, possono invece aumentare la qualità della potenza fornita ai carichi, essendo in grado di rispondere velocemente a transitori della microrete, quali variazioni di frequenza e buchi di tensione. Queste unità di generazione ed accumulo devono essere interfacciate alla rete attraverso un convertitore di potenza, equipaggiato con un controllore digitale in grado di misurare e controllare variabili locali per il corretto funzionamento del convertitore stesso, ma anche in grado di comunicare in modo bidirezionale con altri controllori, ad esempio attraverso PLC (Power Line Communication). La struttura di conversione risultante è stata definita in questo lavoro “Energy Gateway”, (EG), e rappresenta l’elemento portante delle future Smart microgrids nella visione proposta da questo lavoro. Per limitare la complessità del sistema, l’analisi proposta è focalizzata sulle microreti: una microrete è connessa alla rete di distribuzione tradizionale a bassa tensione, e presenta al suo interno un certo numero di generatori distribuiti, tutti equipaggiati con EG. Nell’approccio proposto, il controllo della microrete è distribuito, senza la presenza di un controllore centrale che gestisce tutte le sorgenti di energia. Il comportamento interno della microrete può così essere gestito da interazioni tra le diverse sorgenti, allo scopo di mostrare al punto di connessione con la rete tradizionale un certo comportamento equivalente desiderato, oppure per ottimizzare il funzionamento della microrete secondo parametri prestabiliti. Entrando nel dettaglio, l’ottimizzazione considerata in questo lavoro è la minimizzazione delle perdite di distribuzione all’interno della microrete, ed è ottenuta controllando opportunamente i riferimenti di potenza attiva e reattiva dei convertitori con un approccio distribuito. In particolare, il normale sovradimensionamento dei convertitori permette di iniettare nella microrete potenza reattiva distribuita, che viene fornita ai carichi localmente. In questo modo si riduce l’assorbimento dalla rete di distribuzione principale, così riducendo perdite e cadute di tensione. Anche l’iniezione di potenza attiva può essere parzialmente controllata, a seconda della disponibilità di energia accumulata negli EG o di sorgenti di energia totalmente controllabili (i.e. gas turbines, diesel generators, fuel cells). Questo lavoro propone diverse soluzioni per minimizzare le perdite di distribuzione di una microrete: Energy Gateways con riferimenti di potenza controllati usando come informazioni solo variabili misurate localmente, senza nessuna comunicazione, oppure soluzioni distribuite dove gli Energy Gateways comunicano e ognuno di essi esegue una minimizzazione locale delle perdite, basandosi solo su informazioni ricevute dai generatori vicini. Iterando l’ottimizzazione locale, la microrete converge al minimo globale delle perdite di distribuzione. L’ottimizzazione è analizzata considerando i vincoli imposti dai limiti di dimensionamento dei convertitori degli Energy Gateways. L’analisi è stata sviluppata prima analiticamente e successivamente in simulazione, sviluppando un codice Matlab per definire la microrete e testare le diverse soluzioni di ottimizzazione distribuita. Abstract 11 11 In parallelo alla minimizzazione delle perdite è stato sviluppato anche un secondo argomento, che rappresenta un altro aspetto del paradigma delle Smart Grid. Durante il periodo all’estero speso presso il PEMC (Power Electronics Machines and Control) group all’università di Nottingham, è stata studiata la combinazione tra uno STATCOM con accumulo energetico e un generatore sincrono mosso da un motore diesel, allo scopo di minimizzare la variazione di frequenza del generatore, che si verifica durante variazioni a gradino del carico. L’applicazione è importante sia come adattamento di impianti di generazione esistenti, che potrebbero trovarsi in situazioni di criticità in una rete in cui si verificano frequenti variazioni di carico, e sia come tecnica con cui garantire stabilità in frequenza in una microrete alimentata da un singolo generatore diesel di backup in mancanza della rete principale. Questo secondo caso è stato investigato nel dettaglio, in quanto più orientato alle microreti: ogni microrete deve prevedere un backup energetico per garantire il funzionamento in isola, e il generatore diesel è una delle possibili soluzioni. In questo lavoro è stata proposta una tecnica di controllo innovativa, capace di superare transitori di carico con variazione trascurabile della frequenza generata. L’obiettivo è stato raggiunto grazie ad un’iniezione di potenza attiva attraverso lo STATCOM durante il transitorio di carico. Da un punto di vista qualitativo, lo STATCOM e il suo accumulo energetico sopperiscono al maggior o minor carico nell’intervallo di tempo necessario al motore diesel per aggiornare la sua potenza di uscita. La tecnica è stata prima testata in simulazione e successivamente validata su un prototipo sperimentale che ha ricreato una microrete elementare con generatore sincrono e STATCOM da 10kVA e carichi resistivi, confermando l’efficacia della soluzione proposta.