Ampère Evolution: calcolo reti con generazione distribuita e fonti FER
Ampère Evolution è il nuovo traguardo raggiunto dai software di calcolo di reti elettriche di Electro Graphics. Il software fornisce gli strumenti necessari per studiare impianti alimentati da fonti rinnovabili di grande estensione.
Per tali situazioni, è fondamentale lo studio degli effetti degli elementi di rete detti longitudinali e trasversali nel calcolo del Load Flow e delle Curve di capability; sono inoltre sviluppati i modelli di rete per generatori eolici e i sistemi di compensazione automatica della potenza reattiva.
Ampère Evolution si avvale inoltre di un nuovo strumento per la realizzazione guidata di un impianto fotovoltaico, che consente la scelta automatica e controllata dei moduli fotovoltaici, la correlazione con gli inverter e la definizione dei cavi di collegamento del campo fotovoltaico.
La nuova linea del software si prefigge inoltre, per il futuro, di seguire e gestire le evoluzioni tecniche delle reti elettriche alimentate con fonti di energia rinnovabili, sistemi di accumulo in media e alta tensione, impianti di ricarica veicoli elettrici EV, considerando le specifiche tecniche di allaccio definite dai comitati tecnici nazionali e dagli enti di fornitura.
La linea dei software di calcolo di rete elettrica Ampère, si arricchisce quindi di un nuovo elemento che amplia notevolmente le possibilità di progettazione delle reti, estendendo il campo alle situazioni di generazione distribuita con utilizzo di fonti FER, in ottica smart grid.
I software Electro Graphics si confermano, come sempre, uno strumento in continua evoluzione per accompagnare il progettista nelle aree più innovative della sua attività.
Allaccio di impianti eolici e fotovoltaici
La gestione di impianti eolici e fotovoltaici necessita di rispettare determinati requisiti imposti dall’ente di fornitura (ad esempio Terna in Italia) relativamente alle potenze attive e reattive disponibili nel punto di allaccio.
In particolare, la potenza reattiva in sovra-eccitazione può variare secondo una curva dal valore di 35% Pnd fino ad un valore minimo di 20% Pnd in corrispondenza di un valore di potenza attiva pari alla Pnd. Ossia, come riportato in figura, si deve garantire una banda sicura di potenza reattiva al variare della potenza attiva fornita alla rete.
Con la sola regolazione dei punti di lavoro dei generatori o degli inverter può risultare impossibile garantire il 20% di Pnd, a meno di non essere costretti ad aumentare la potenza nominale stessa, soluzione non conveniente.
E’ possibile utilizzare dei sistemi di rifasamento automatici per bilanciare l’eccesso di potenza capacitiva a basso carico o per fornire potenza capacitiva ad alto carico, quando le linee assorbono potenza induttiva a causa delle elevate correnti in gioco.
Tale utilizzo, però, deve sottostare a specifiche regole, ed il software Ampère Evolution recepisce quanto definito negli Allegati A.17 e A.68 di Terna, che riportiamo di seguito.
“All’interno delle aree a campitura rossa e grigia indicate in figura sono escluse regolazioni a gradini attraverso inserzioni/distacchi di elementi statici di compensazione ad eccezione dei due casi descritti di seguito.
• Al di sopra di una soglia di potenza attiva concordata fra Terna e l’Utente a livello di Regolamento di Esercizio (PdistaccoRS) può essere prevista la disconnessione delle reattanze shunt di compensazione della rete MT di impianto (se presenti) recuperando aree di regolazione di reattivo.
• In caso di presenza di banchi di condensatori (se richiesti da Terna) questi devono essere inseriti al di sopra di una soglia di potenza attiva (Pinserzione BC) e al di sotto di una certa tensione (Vinserzione BC) concordate fra Terna e l’Utente a livello di Regolamento di Esercizio in modo da compensare parzialmente le perdite induttive residue come indicato dall’ area campite in azzurro in figura.
Si richiede che tramite tale compensazione sia garantito per valori di potenza attiva Pnd un valore di potenza reattiva capacitiva prodotta del 35% Pnd , con una precisione minima del ±2% Pnd a Vn.”
Con quanto definito, il software Ampère Evolution dà la possibilità di definire utenze di tipo Banco di Condensatori e utenze di tipo Reattore Shunt con un valore fisso di inserzione o di distacco rispetto alla potenza attiva misurata nel punto di allaccio.
Vediamo di seguito un caso applicativo: nella figura che segue è rappresentato un progetto predisposto con tre elementi di compensazione reattiva, un Reattore Shunt e due Banchi di Condensatori.
La potenza erogata in fornitura è di circa 2.030 kW, e di conseguenza il progetto sta lavorando con il Reattore Shunt spento, in quanto la Potenza di distacco a 700 kW è già stata superata.
Il primo Banco di Condensatori è attivo, avendo una Potenza di inserzione di 1.800 kW.
Il secondo Banco di Condensatori è ancora spento, e sarà attivato se la potenza attiva in fornitura supererà la soglia di 2.400 kW.
Per semplicità le tre utenze mettono in gioco potenze reattive Q di 100 kVAR, fornendo i gradini necessari per contenere la potenza reattiva entro i limiti del 20% e 35% come richiesto dall’ente di fornitura.
Banchi di Condensatori
I Banchi di Condensatori sono gestiti dal software Ampère Evolution come una variante delle utenze capacitive. In particolare, per rispondere alle prescrizioni degli allegati descritti in precedenza, i Banchi di Condensatori possiedono una Potenza attiva di inserzione, la quale comanda la chiusura della protezione del banco al superamento di tale soglia ed il distacco se la potenza attiva assorbita a livello di fornitura torna ad un valore inferiore.
Tali capacità, inoltre, non possono avere una regolazione a gradini, pertanto sono un unico banco a potenza reattiva fissa. Il progettista può creare più utenze simili con valori di potenza reattiva e potenze di inserzione diversi, ma indipendenti tra loro.
Nel caso reale si procederà come segue.
1. Aprire o creare una utenza di tipo Capacitivo.
2. Richiamare la finestra di dialogo Proprietà dell’utenza tramite il pulsante [...] a fianco della Capacità.
3. Selezionare Banco Condensatori Capability nella lista a discesa Tipo.
Nelle componenti elettriche definire la taglia dei condensatori, e parallelamente quanti microfarad sono necessari alla tensione nominale di lavoro.
Quindi impostare la Potenza di inserzione BC, valore che viene confrontato con la potenza attiva erogata dalla fornitura. Il software simula la presenza di un contatore di potenza posizionato nel punto di consegna (la fornitura cui è elettricamente collegato il banco di condensatori), la cui logica di funzionamento attiva o disattiva l’utenza. Per disattivare il banco di condensatori, inserire un valore elevato (maggiore della massima potenza erogabile): questa è l’unica via per congelare l’utenza e disattivarla completamente.
Tra i dati settabili vi è anche la Isteresi potenza BC, il cui effetto si ha solo a livello grafico nella rappresentazione della Curva di capability.
Nota. Utenze di tipo Banco di Condensatori sono evidenziate in magliatura tramite il simbolo Curva di capability, che aiuta ad identificarne la particolare funzionalità. Va sottolineato anche, che tali utenze possono essere attivate o disattivate solo dal software, il progettista deve imporre una soglia elevata per non far mai collegare i condensatori alla rete. Inoltre, ricordiamo che deve essere attiva la modalità di lavoro che considera gli elementi di rete, chiave per attivare tutte le funzionalità avanzate dedicate allo studio di impianti eolici e fotovoltaici fornite da Ampère Evolution (vedi scheda Elementi di rete della finestra Proprietà).
Reattori Shunt
I Reattori Shunt sono gestiti dal software Ampère Evolution come una variante delle utenze induttive. In particolare, per rispondere alle prescrizioni degli allegati descritti in precedenza, possiedono una Potenza attiva di distacco, la quale comanda l’apertura della protezione del reattore al superamento di tale soglia e l’inserimento se la potenza attiva assorbita a livello di fornitura torna ad un valore inferiore.
Tali induttanze, inoltre, non possono avere una regolazione a gradini, pertanto sono un unico reattore shunt a potenza reattiva fissa. Il progettista può creare più utenze simili con valori di potenza reattiva e potenze di inserzione diversi, ma indipendenti tra loro.
Nel caso reale si procederà come segue.
1. Aprire o creare una utenza di tipo Reattore Shunt.
2. Richiamare la finestra di dialogo Proprietà dell’utenza tramite il pulsante [...] a fianco della Induttanza.
3. Selezionare Reattore Shunt Capability nella lista a discesa Tipo.
Nelle componenti elettriche definire la taglia del reattore, e parallelamente quanti millihenry sono necessari alla tensione nominale di lavoro.
Quindi impostare la Potenza di distacco RS, valore che viene confrontato con la potenza attiva erogata dalla fornitura.
Il software simula la presenza di un contatore di potenza posizionato nel punto di consegna (la fornitura a cui è elettricamente collegato il reattore shunt), la cui logica di funzionamento attiva o disattiva l’utenza.
Per disattivare il reattore shunt, inserire un valore pari a zero; questa è l’unica via per ‘congelare’ l’utenza e disattivarla completamente. Tra i dati vi è anche la Isteresi potenza RS, il cui effetto si ha solo a livello grafico nella rappresentazione della Curva di capability.
Nota. Utenze di tipo Reattore Shunt sono evidenziate in magliatura tramite il simbolo Curva di capability, che aiuta ad identificarne la particolare funzionalità. Va sottolineato che tali utenze possono essere attivate o disattivate solo dal software; il progettista deve imporre una soglia pari a zero per non far mai collegare i reattori alla rete. Inoltre, ricordiamo che deve essere attiva la modalità di lavoro che considera gli elementi di rete, chiave per attivare tutte le funzionalità avanzate dedicate allo studio di impianti eolici e fotovoltaici fornite da Ampère Evolution (vedi scheda Elementi di rete della finestra Proprietà).
Generatori eolici
Il software permette la creazione di tre tipologie di generatori eolici aventi come modello elettrico le definizioni riportate nella norma CEI EN 60909-0.
I modelli permettono il calcolo delle correnti di cortocircuito di generatori asincroni, asincroni con alimentazione doubly fed, ed infine generatori full size converter.
Per i generatori doubly fed i valori di corrente si riferiscono ai morsetti a monte del trasformatore, in quanto generatore e trasformatore vengono considerati come una unica unità. Allo stesso modo, per il generatore full size converter, i valori vanno intesi a monte del convertitore. I generatori doubly fed e full size converter permettono la regolazione della potenza reattiva e il sostegno alle correnti di guasto come spesso richiesto dalle regole di connessione alla rete elettrica. I fattori di correzione KT non sono applicati ai generatori eolici.
Eolico asincrono
L’impedenza ZG del generatore asincrono è calcolata con la formula:
dove
• UrG è la tensione nominale del generatore;
• SrG è la potenza apparente del generatore;
• ILR/IrG è il rapporto della correte a rotore bloccato rispetto la corrente nominale del generatore;
Il software permette di assegnare RG in funzione di XG, e se tale informazione non è nota si applica RG/XG = 0,1.
Eolico doubly fed
L’impedenza totale alla sequenza diretta ZWD di una stazione con generatore eolico asincrono con alimentazione doubly fed è calcolata con la formula:
dove
• UrTHV è la tensione nominale al primario del trasformatore;
• kWD è il fattore per il calcolo della corrente di picco, fornito dal costruttore e riferito al lato primario dell’unità;
• iWDmax è il massimo valore della corrente di cortocircuito trifase;
Se kWD non è noto, si può utilizzare il valore kWD = 1.7.
Il software permette di assegnare RWD in funzione di XWD, e se tale informazione non è nota si applica RWD/XWD = 0,1.
Eolico full size converter
L’impedenza dipende dal tipo di convertitore, e per il software si suppone sia la stessa utilizzata per i sistemi di accumulo. Quindi la formula è:
Il sostegno alla corrente di guasto deve essere abilitato tra i parametri del generatore nella finestra di dialogo Proprietà dell’utenza.
Composizione impianto fotovoltaico
Ampère Evolution mette a disposizione la procedura guidata Impianto fotovoltaico dalla scheda Strumenti della barra dei comandi per la realizzazione di un impianto fotovoltaico, definendo la composizione del campo di moduli fotovoltaici, gli inverter e i cavi di collegamento. Per avviare l’utilità composizione impianto fotovoltaico occorre scegliere una utenza distribuzione alla quale collegare l’impianto.
L’interfaccia è composta da tre pagine da compilare in sequenza:
• Componenti: definizione della potenza da installare, scelta del modulo fotovoltaico e ricerca automatica degli inverter utilizzabili;
• Verifiche: riporta l’esito delle verifiche di coerenza elettrica sulla configurazione di impianto impostata;
• Cavi: definizione dei cavi e delle tratte di connessione del campo fotovoltaico.
Per i dettagli rimandiamo alla guida di riferimento di Ampère al capitolo “Reti con impianti fotovoltaici”.
Nota. Il compositore non esegue calcoli di producibilità.
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