Il lavoro di ricerca descritto in questa relazione ha per oggetto lo studio di tecniche innovative di controllo delle centrali termoelettriche a carbone. L’attività è stata svolta in collaborazione con il Dipartimento di Elettronica e Informazione del Politecnico di Milano nell’ambito di un contratto di ricerca dal titolo “Sperimentazione di algoritmi di controllo predittivi multivariabili su impianti a ciclo combinato – Metodologie per la flessibilizzazione degli impianti di produzione a carbone”. Gli impianti termoelettrici a carbone continueranno a ricoprire una parte significativa del fabbisogno energetico nazionale e la messa a punto accurata dei loro sistemi di regolazione è di primario interesse, in quanto può consentire il loro impiego per una efficace regolazione primaria e secondaria della frequenza. L’obiettivo di questo lavoro è quindi quello di proporre soluzioni di controllo innovative, volte a migliorare la risposta di tali impianti nelle diverse condizioni di funzionamento, e che garantiscano prestazioni adeguate anche in seguito ad ampie e rapide richieste di variazioni di carico. L’aspetto principale che porta a concentrare l’attenzione sul controllo di queste centrali è il fatto che i tipici schemi di regolazione basati sull’utilizzo di controllori PI/PID (proporzionale, integrale, derivativo) progettati mantenendo una visione dell’impianto divisa in sistemi SISO (Single Input Single Output), risulta dare buone prestazioni in seguito a lente e piccole variazioni della richiesta di carico elettrico, mentre risulta meno efficace se queste sono rapide e di notevole entità. In questi casi si possono verificare oscillazioni delle variabili termiche di maggior interesse, con possibile perdita del modo di regolazione coordinato. Questo evento comporta l’esclusione della regolazione primaria (frequiency-bias) e secondaria di frequenza con penalizzazioni sia per la rete elettrica che per l’impianto stesso. E’ noto infatti che la borsa dell’energia prevede che gli impianti chiamati alla produzione debbano rispettare i livelli di energia al quarto d’ora e la semibanda di partecipazione alla regolazione secondaria concordati e che gli scostamenti (soprattutto quelli con segno negativo) vengano sanzionati economicamente. L’approccio di tipo SISO non tiene esplicitamente conto dell’accoppiamento dei vari sottosistemi dell’impianto e delle interazioni tra le principali variabili termodinamiche del processo, fenomeni che certamente non possono essere trascurati nel progetto dei regolatori. Nello specifico, l’attività svolta ha riguardato lo studio del sistema di regolazione di una centrale termoelettrica a carbone da 660 MW con caldaia ipercritica ad attraversamento forzato e si è basata sull’utilizzo di un simulatore Alterlego [1],[2] precedentemente sviluppato da CESI. Il simulatore è risultato

uno strumento estremamente utile sia nella fase preliminare di studio dei vari processi dell’impianto, sia nella fase di progetto del controllo e di sintesi dei regolatori. Infatti il simulatore permette, in modo relativamente semplice, l’introduzione e la modifica dei parametri dei controllori degli schemi di regolazione già esistenti e consente anche il suo interfacciamento con programmi esterni per mezzo dei quali verificare le prestazioni di schemi di regolazione alternativi. Questa seconda possibilità è stata ampiamente utilizzata per valutare le prestazioni di tecniche innovative di controllo multivariabile. Il lavoro è stato diviso in due fasi: la prima è stata dedicata allo studio preliminare dell’impianto e della regolazione preesistente. Questa è costituita dal classico schema di regolazione coordinata ed è basata su una logica di controllo riferita ai due sistemi SISO, regolati da due regolatori PI, costituenti gli anelli di regolazione di temperatura e pressione del vapore in ingresso alla turbina. In questa fase sono state analizzate diverse tecniche e procedure di taratura dei parametri dei regolatori, e si è valutata l’opportunità di inserire nei regolatori un’azione derivativa per migliorare le prestazioni del sistema in seguito a variazioni di carico di ampiezza elevata. In particolare, come si vedrà in seguito, la messa a punto dei due regolatori è finalizzata a mantenere la variazione di pressione vapore in un range massimo di ± 8 bar e quella di temperatura il range di circa ± 20 °C, a fronte di variazioni massime di carico pari al 6% (40 MW) della potenza nominale, con gradiente di variazione di 2÷4% MW/min. L’imposizione di questi limiti ha lo scopo di evitare blocchi termici in caldaia per alte temperature del vapore ed esclusione del modo coordinato per ampie escursioni di pressione. In quest’ultimo caso si ha automaticamente la commutazione al modo turbina segue che dà priorità alla regolazione di pressione del vapore a discapito della regolazione di carico. Questa modalità di funzionamento risulta inaccettabile per la programmazione dei carichi, in quanto non consente più di fornire l’energia prevista dal piano vincolante di produzione. La seconda fase del lavoro è stata invece dedicata al progetto di un controllore multivariabile. A questo scopo sono stati sperimentate diverse tecniche di controllo avanzato, a partire dall’algoritmo MPC (Model Predictive Control) [3],[4],[5],[6],[7],[8] largamente impiegato in ambito industriale perché consente di tenere in conto in modo opportuno dei vincoli sulle variabili di attuazione e sulle variabili controllate. Sono inoltre stati considerati i metodi H 2 e H ∞ [9], due recenti metodologie che si basano su criteri intuitivi per la scelta dei parametri di progetto. La parte informatica del lavoro è stata svolta in ambiente LINUX, per quanto riguarda il simulatore di Alterlego, e in ambiente MATLAB e SIMULINK, per l’analisi e la sintesi del sistema di regolazione.