Il rapporto CESI A3-042350 “ Indagine sulle tecnologie di trasmissione dell’energia elettrica in corrente continua mediante convertitori a tensione impressa” è stato elaborato nell’ambito del Progetto RETE21, sottoprogetto NOVARET, workpackage 1, milestone n.1.6, della RICERCA di SISTEMA 2003 / 2005. La liberalizzazione del mercato elettrico e la relativa maggiore complessità di gestione dei flussi di potenza, i maggiori impedimenti alla costruzione di nuovi impianti di trasmissione, l’incremento dei consumi elettrici, in particolare di quelli estivi causati da condizioni climatiche che non sembrano più essere eccezionali e che hanno determinato il raggiungimento di punte di carico superiori a quelle invernali, hanno evidenziato l’esigenza non più prorogabile di incrementare la capacità di trasporto della rete elettrica italiana. Le opzioni disponibili, oltre che nel potenziamento delle linee esistenti e nell’impiego della generazione distribuita, sono individuabili nella costruzione di nuove linee, su cui è concentrata l’attenzione del presente lavoro. Ragioni di impatto ambientale ed ingombro, di riduzione di vincoli costruttivi e tempi realizzativi, di qualità del servizio spingono verso l’uso del cavo sotterraneo in alternativa alla linea aerea; d’altro canto la necessità di limitare la potenza di corto circuito della rete locale in conseguenza all’introduzione di nuovi cavi, oltre a quella di controllare adeguatamente i flussi di potenza attiva e reattiva in una rete in c.a. ad elevato indice di magliatura impone la valutazione di tecnologie alternative ed innovative quali la trasmissione in corrente continua mediante convertitori a tensione impressa. La tecnologia di trasmissione dell’energia in corrente continua con convertitori a tensione impressa (VSC, cioè Voltage Source Converter) è abbastanza recente; nel 1997 è stato costruito il primo impianto sperimentale (Hellsjön in Svezia da 3 MW) mentre nel 2000 si è arrivati alla messa in servizio di impianti commerciali che, grazie al rapido sviluppo tecnologico, hanno portato a nuovi impianti, con strutture di stazione modificate (in particolare per quanto riguarda il convertitore), entrati in servizio solo nel 2002. Nel presente lavoro sono state dapprima analizzate le caratteristiche tecniche salienti della suddetta nuova tecnologia, e poi si è evidenziato il contesto di impiego (gli impianti realizzati, gli scopi, l’interfacciamento con i sistemi rete in cui sono stati inseriti). Le principali parti innovative che caratterizzano questa tecnologia di trasmissione dell’energia riguardano sia la stazione di conversione, con l’adozione appunto di convertitori a tensione impressa, che la parte di distribuzione e trasmissione, con l’impiego di cavi c.c. con isolamento estruso tipo XLPE.

L’utilizzo dei VSC, già ampiamente diffuso nel campo degli azionamenti a velocità variabile, ha trovato spazio dapprima nel settore della distribuzione e recentemente anche in quello della trasmissione dell’energia elettrica, arrivando a potenze massime per singolo convertitore pari a circa 330 MW con tensioni c.c. pari a ±150 kV. Le valvole del ponte di conversione dei VSC sono generalmente dispositivi a semiconduttore del tipo GTO (gate turn-off thyristor) e soprattutto IGBT (insulated gate bipolar transistor) che consentono di “autolimitare” le correnti in presenza di un corto circuito a valle del ponte di conversione, non richiedono la presenza di circuiti di snubber semplificando il lay-out del ponte di conversione e che, a detta dei maggiori costruttori, sono quelli che attualmente presentano maggiori potenzialità di sviluppo. Tra le caratteristiche più interessanti del convertitore VSC si possono annoverare: la sua indipendenza dalla presenza della tensione alternata di rete (è auto-commutato) e quindi la possibilità di essere connesso ad una rete c.a. anche passiva oltre che di frequenza qualsiasi; la possibilità di controllare in maniera indipendente la potenza attiva e quella reattiva; il ridotto dimensionamento dei filtri c.a; la possibilità di partecipare alla regolazione della tensione c.a. di rete. Per contro gli svantaggi della tecnologia VSC comporta: costi di investimento per stazioni di conversione ancora abbastanza elevati rispetto ai tradizionali impianti HVDC con ponti a tiristori; perdite di stazione piuttosto elevate che tuttavia, con l’adozione di strutture di ponte più complesse (più livelli) unitamente all’introduzione di nuove tipologie di semiconduttori che garantiscano delle perdite di commutazione e conduzione inferiori a quelle degli attuali IGBT, dovrebbero poter essere ridotte. Per quanto riguarda i cavi in c.c. di connessione tra le stazioni di conversione, il buon livello di affidabilità riscontrato sui cavi con isolamento in polietilene reticolato (XLPE) per reti in c.a. fino a 400 kV ha portato a considerare l’utilizzo dello stesso isolante anche per collegamenti in c.c. dove sono tradizionalmente utilizzati isolanti in carta impregnata di miscela o ad olio fluido. Problematiche inaspettate connesse a scariche nel cavo anche in corrispondenza di tensioni modeste, hanno condotto all’individuazione della generazione di cariche elettriche (‘cariche spaziali’ CS) nell’isolante e di conseguenza alla ricerca di opportuni additivi da aggiungere al polietilene in modo da minimizzare la generazione della carica spaziale senza modificarne le principali caratteristiche dielettriche. Diverse sperimentazioni hanno portato alla conclusione che il materiale c.c.-XLPE deve avere una elevata resistività di volume e bassa tendenza all’accumulo di CS. Con queste caratteristiche un cavo estruso per c.c. è fattibile anche se molti meccanismi devono ancora essere chiariti.