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Modello dinamico ottimizzato del pompaggio idroelettrico ibrido con batterie e flywheel

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Modello dinamico ottimizzato del pompaggio idroelettrico ibrido con batterie e flywheel

Software per simulare e ottimizzare l’ibridazione di un impianto idroelettrico di pompaggio con batterie e volani (flywheel). L’ibridazione è volta a migliorare la capacità dell’impianto di fornire servizi di regolazione della frequenza di rete (primaria e secondaria), ottenendo allo stesso tempo effetti benefici, quale una maggiore flessibilità nel funzionamento e minore fatica meccanica, per l’impianto stesso.

Pompaggio Ibrido

Modello dinamico di impianto idroelettrico di pompaggio ibrido

È stato innanzitutto modellato il comportamento dinamico dei principali elementi costituenti un impianto idroelettrico di pompaggio (Pumped Storage Hydro Power, PSHP): gli invasi superiore e inferiore, la condotta forzata, una pompa-turbina reversibile a giri variabili, un generatore elettrico di tipo Doubly Fed Induction Generator (DFIG). Sono state inoltre considerate due tecnologie di accumulo dell’energia: un sistema di accumulo elettrochimico con batterie agli ioni di litio (Battery Energy Storage System, BESS) e un sistema di accumulo mediante volani (Flywheel Energy Storage System, FESS). È quindi possibile simulare le configurazioni ibride PSHP/BESS, PSHP/FESS, PSHP/BESS/FESS.

Sono state implementate due strategie di controllo per la partecipazione alla regolazione di frequenza, denominate Hydro Recharge (HR) e Frequency Split (FS). La strategia HR si basa sul presupposto che il compito di fornire la regolazione di frequenza vada alle tecnologie ibridanti (BESS/FESS), al fine di esentare da tale sforzo il PSHP, ossia al fine di mantenere costante la generazione (il prelievo, rispettivamente) di potenza da parte della turbina (della pompa). Il PSHP deve tuttavia variare il proprio scambio di potenza con la rete all’occorrere di due condizioni: i) lo squilibrio di potenza attiva nel sistema, e quindi la richiesta di variazione di potenza per le regolazioni, è sufficientemente intenso da non poter essere compensato per intero da BESS e FESS, oppure ii) lo stato di carica (State Of Charge, SOC) del BESS/FESS raggiunge un valore di soglia che attiva la carica/scarica del dispositivo da parte del PSHP/BESS rispettivamente. Nell’ibridazione con BESS e FESS, dunque, al PSHP spetta il controllo del SOC del BESS e del FESS. La strategia FS, invece, presuppone che tutto l’impianto ibrido, quindi anche il PSHP, oltre al BESS e/o al FESS, partecipi alla regolazione. Il controllo del SOC è gestito allo stesso modo della HR. Quest’ultima prevede anche che, nel caso di configurazione HBF, tramite un filtro passa-basso, le componenti più rapide delle richieste di variazione di potenza per regolazione sia gestite dal FESS, quelle più lente dal BESS; inoltre, un altro filtro passa-basso rallenta l’intervento del controllo del SOC da parte del PSHP. Similmente, nella strategia FS, la suddivisione dell’onere di regolazione tra le varie tecnologie viene definita in base alle componenti, nella variazione di potenza complessiva richiesta, più rapide e più lente, mediante l’impiego di filtri passa-basso.

Per valutare lo stress a cui vengono sottoposti PSHP e BESS nel fornire la regolazione, sono valutati, per il PSHP, la distanza percorsa dalle palette distributrici e il numero di movimenti del distributore, mentre per il BESS i cicli di carica/scarica effettuati.

I dati di default usati per la simulazione si riferiscono al caso studio dell’impianto potenziale di pompaggio marino vicino alla località di Foxi Murdegu (NU) e della sua ibridazione con batterie e volani, con in ingresso valori storici di frequenza di rete (per poter effettuare la regolazione primaria) e del cosiddetto segnale di livello (che pilota la regolazione secondaria).

È stato anche sviluppato un modello dinamico semplificato (equivalente mono-sbarra) del sistema elettrico sardo, nel quale è stato inserito il modello dell’impianto di Foxi Murdegu, al fine di valutarne l’impatto sulla frequenza di rete all’occorrere di eventi di forte intensità, come la perdita di un impianto di generazione o di uno dei poli del cavo sottomarino SA.PE.I. di collegamento Sardegna-Penisola.

Il modello dell’impianto ibrido, insieme alle relative funzioni di controllo, è stato implementato in ambiente MATLAB/Simulink® ed è stato tradotto in un eseguibile, qui reso disponibile. Esso include anche il modello della rete sarda, permettendo dunque di simulare l’impianto sia in modalità stand-alone sia assumendolo inserito nella rete.

Ottimizzazione del funzionamento e della configurazione di un impianto di pompaggio ibrido

Si è sviluppata una procedura di ottimizzazione, a due livelli, finalizzata a definire una configurazione ottimizzata – in termini di potenze e di parametri di controllo – dell’impianto ibrido considerato, che consente di massimizzare il ritorno economico dell’impianto ibrido stesso, a partire da un insieme prescelto di combinazioni candidate di taglie di batterie e volani. Nel primo livello (più interno), per una data combinazione candidata di taglie, si determinano, tramite un algoritmo Particle Swarm Optimization (PSO) modificato, i parametri di controllo che ottimizzano i flussi di potenza scambiati dall’impianto ibrido; nel secondo livello (esterno, eseguito a valle del primo), si seleziona, nell’insieme di combinazioni candidate, quella migliore dal punto di vista tecno-economico, intesa come quella che ottimizza il Valore Attuale Netto (VAN).

L’intera procedura è stata implementata in ambiente MATLAB® ed è stata tradotta in un eseguibile, qui reso disponibile.

I dati di default usati riguardano ancora il caso studio dell’impianto potenziale di Foxi Murdegu. Con riferimento ad un orizzonte temporale annuale si sono considerati transitori sintetici di frequenza e di segnale di livello a cui dover far fronte e a cui è stata associata una data probabilità di accadimento; i prezzi per la remunerazione degli scambi di energia per i servizi sono stati derivati da dati storici pubblici (sito GME).

 

REQUISITI SOFTWARE

Entrambi gli eseguibili sono disponibili per Microsoft Windows 10 e GNU/Linux. Richiedono che sul dispositivo sia installato “MATLAB Runtime”, versione 9.12 (R2022a) o superiore [3].

 

CONDIZIONI D’USO DEL SOFTWARE

Il software e liberamente utilizzabile a condizione che venga chiaramente e visibilmente citata la società titolare in ogni pubblicazione, relazione e simili mezzi di divulgazione a mezzo stampa e tramite mezzi informatici.

 

MANUALE UTENTE DELL’ APPLICAZIONE

Link per leggere il manuale d’uso dell’applicazione

 

FILE SCARICABILI

  • Software eseguibile (exe, Simulazione.sh) per la simulazione di un impianto di pompaggio con o senza ibridazione e con o senza integrazione in rete, in versioni Microsoft Windows 10 e GNU/Linux
  • Software eseguibile (exe, Ottimizzazione.sh) per l’ottimizzazione dell’ibridazione dell’impianto, in versioni Microsoft Windows 10 e GNU/Linux
  • Manuale d’uso dei due software

 

Riferimenti

[1] J. Alterach, S. Canevese, A. Gatti, M. Rapizza, G. Stella, R. Calisti, G. Cavazzini e S. Casarin, «Sviluppo di un modello numerico dinamico di pompaggio idroelettrico ibrido e impostazione metodologica per la localizzazione degli impianti,» Ricerca di Sistema, RSE, Prot. 20010322, Milano, 2020.
[2] J. Alterach, S. Canevese, A. Gatti, M. Rapizza, G. Cavazzini e S. Casarin, «Modello dinamico ottimizzato del pompaggio ibrido,» Ricerca di Sistema, RSE, Prot. 21012476, Milano, 2021.
[3] MATLAB, «MATLAB Runtime,» [Online]. Available: https://it.mathworks.com/products/compiler/matlab-runtime.html.

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