Il presente Rapporto descrive le attività di Ricerca di Sistema svolte nell’ambito dell’Area USI FINALI relativamente al Progetto 1 “Sistemi di Mini-Microgenerazione elettrica, sistemi Co-Trigenerativi e sistemi di accumulo”. La diffusione sempre più ampia di carichi non lineari e convertitori di potenza sulle reti di distribuzione può portare ad una serie di problemi di Power Quality (PQ). Questi sistemi infatti producono potenza reattiva e armoniche di corrente, che, oltre ad aumentare le perdite, possono provocare disturbi e interferenze nei sistemi di comunicazione situati nelle vicinanze. Inoltre nel caso di sistemi trifase, si possono avere anche squilibri ed eccessive correnti sul conduttore di neutro. Ulteriori problemi di PQ sono le sovratensioni, i flicker, le microinterruzioni e i buchi di tensione, che sono diventati sempre più stringenti con l’aumento del livello di automazione nelle lavorazioni industriali e la sempre maggior diffusione di carichi sensibili, quali macchine a controllo numerico, robot industriali ecc. Lo scenario è complicato dalla presenza di carichi rapidamente variabili (FVL – Fast Varying Load), ad esempio apparecchiature elettromedicali o sistemi di saldatura. In tal caso la compensazione verso la rete richiede lo scambio di potenza attiva con conseguente necessità di sistemi di accumulo. Gli aspetti di PQ sono particolarmente importanti nel caso delle reti di generazione distribuita (GD). La GD è infatti spesso costituita da sistemi di produzione a fonte rinnovabile (e quindi aleatoria) e i suoi generatori, in particolare in bassa tensione, sono generalmente interfacciati alla rete tramite convertitori elettronici. Inoltre nel caso di funzionamento in isola di una rete di GD, in assenza della rete prevalente di potenza infinita, le variazioni del carico e della potenza generata possono avere un ordine di grandezza paragonabile alla potenza totale in gioco ed essere causa di perturbazioni. Tra le soluzioni possibili per il miglioramento della PQ nelle reti di distribuzione i filtri attivi rappresentano una soluzione diffusamente trattata in letteratura per la compensazione di armoniche, potenza reattiva, corrente di neutro e sbilanciamento di carico associate con carichi non lineari e lineari. L’attività svolta sull’accumulo elettrico ha riguardato la caratterizzazione e lo sviluppo di un modello di supercapacitori e la definizione dell’architettura di un APQC (Active Power Quality Conditioner) costituito da un sistema di accumulo ed un convertitore elettronico che, opportunamente programmato, sia in grado di proteggere il carico da brevi interruzioni di rete e svolgere la funzione di filtro attivo. Il sistema di accumulo adatto per questo tipo di applicazione deve essere in grado di scambiare elevate potenze con tempi di risposta dell’ordine della frazione di secondo senza che questo comporti un rapido decadimento delle prestazioni. La scelta di impiegare come accumulo i supercapacitori è stata dettata dal fatto che questi componenti rispondono bene ai requisiti di sistema, e hanno il vantaggio di essere modulari, di non aver bisogno di manutenzione eccessiva e di avere una vita attesa molto elevata (fino al milione di cicli). Pur essendo già commercialmente disponibili i supercapacitori non sono ancora tecnologicamente maturi e sono oggetto di studio da parte di vari gruppi di ricerca nel mondo. Si possono prevedere quindi buoni margini di miglioramento sia tecnologico, ad esempio mediante l’utilizzo di materiali innovativi per gli elettrodi e per gli elettroliti, sia economico. L’attività di modellistica dei supercapacitori è stata condotta partendo dallo studio e dal confronto tra le varie tipologie di modelli matematici di supercapacitori, tratte dalla letteratura scientifica. Tra questi sono stati scelti due modelli, denominati modello parallelo e modello serie, in grado di caratterizzare nel modo migliore il comportamento dei supercapacitori in applicazioni caratterizzate rispettivamente da dinamiche “lente”, ovvero dell’ordine di grandezza del secondo, e “veloci”, dell’ordine delle frazioni di secondo. I due modelli sono stati caratterizzati mediante prove di laboratorio, che hanno portato all’identificazione dei parametri e sono stati successivamente implementati in un ambiente di simulazione. Si è giunti quindi alla definizione di un nuovo modello ibrido adatto alla rappresentazione di dinamiche lente e veloci e al contempo di facile caratterizzazione. Le prove per la determinazione dei parametri del modello sono state svolte su supercapacitori Maxwell modello BCAP0350, da 350 F di capacità e 2,5 V di tensione nominale.

Sono state analizzate diverse architetture di filtri attivi presenti nella letteratura scientifica, che sono servite come base per elaborare la specifica tecnica di un sistema per PQ con supercapacitori che si intende realizzare nel corso dell’attività di ricerca ed integrare poi nella test facility di GD.