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Stato dell’arte e confronto tecnico-economico delle tecnologie di acumolo elettrico. Sviluppo di un sistema con supercapacitori per applicazioni di power Quality: sperimentazione delle funzioni in ambiente di simulazione

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Stato dell’arte e confronto tecnico-economico delle tecnologie di acumolo elettrico. Sviluppo di un sistema con supercapacitori per applicazioni di power Quality: sperimentazione delle funzioni in ambiente di simulazione

Da tempo è in atto una trasformazione del sistema elettrico che dalla struttura strettamente centralizzata (centrali – rete di trasmissione – rete di distribuzione –utenza) sta evolvendo verso una struttura mista che vede la presenza di generazione distribuita (GD) a livelli intermedi e in prossimità dell’utenza. Contemporaneamente si stanno diffondendo in misura sempre maggiore sistemi di generazione a fonte rinnovabile e aleatoria (eolico e fotovoltaico per la maggior parte). La direttiva emanata dall’Unione Europea nel marzo del 2007, che impone ai paesi membri una forte riduzione del consumo energetico e delle emissioni e un incremento di generazione da fonti rinnovabili, ha favorito questa evoluzione. In questo scenario le tecnologie di accumulo di energia si trovano a svolgere una serie di funzioni strategiche: l’accumulo permette di disaccoppiare temporalmente la produzione e il consumo di energia elettrica, favorendo una maggiore penetrazione dei sistemi di generazione a fonte rinnovabile che, per la loro natura aleatoria, hanno curve di produzione non facilmente prevedibili e spesso non coincidenti con quelle del carico. Le reti elettrica nazionale ed europea nella loro attuale configurazione non potrebbero reggere un livello molto elevato di produzione da generatori di tipo aleatorio, se non apportando una profonda trasformazione che vede, tra le altre misure, anche l’integrazione di sistemi di accumulo che svolgano funzioni di riserva per compensare le variazioni impreviste della produzione e compensare le fluttuazioni rapide della potenza generata, garantendo la continuità e la qualità della fornitura. I sistemi di accumulo permettono uno sfruttamento ottimale delle risorse energetiche: dal punto di vista dell’utente, un sistema di accumulo di energia opportunamente programmato può effettuare automaticamente il peak shaving giornaliero, garantendogli un vantaggio economico grazie all’ottimizzazione delle tariffe. Dal punto di vista del fornitore di energia elettrica, l’utilizzo di sistemi di accumulo per effettuare il load levelling consente di migliorare lo sfruttamento delle risorse e di ritardare eventuali potenziamenti delle infrastrutture per la trasmissione e distribuzione dell’energia. Infine i sistemi di accumulo con le caratteristiche opportune, adeguatamente dimensionati e gestiti e interfacciati alla rete con le nuove tipologie di inverter sono sempre più spesso utilizzati in applicazioni di Power Quality, per migliorare la qualità della tensione di rete. Gli aspetti di Power Quality sono particolarmente importanti nel caso delle reti di GD, che è costituita da generatori, spesso a fonte rinnovabile e spesso interfacciati alla rete tramite convertitori elettronici: 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. Viste le numerose e variegate applicazioni dei sistemi di accumulo elettrico, nel presente documento sono presentate alcune tra le principali tecnologie di accumulo, sia elettrochimico (batterie), sia meccanico (volani) che elettrico (supercapacitori e SMES). Le diverse applicazioni richiedono sistemi di accumulo con prestazioni e caratteristiche specifiche. È utile pertanto individuare dei criteri e dei parametri di riferimento che permettano un confronto oggettivo tra le diverse tecnologie a disposizione e ne facilitino la scelta e il dimensionamento. La seconda parte del documento descrive un filtro attivo o Active power Quality Conditioner-APQC, realizzato integrando un convertitore elettronico e un sistema di accumulo costituito da una batteria di supercapacitori (40 moduli da 15 V – 58 F collegati in serie, per un totale di 600 V di tensione massima). Il sistema di controllo, realizzato con moduli compactRIO della National Instruments, è costituito da un processore Real Time e da circuiti hardware programmabili inclusi in un componente FPGA e implementa algoritmi di controllo sviluppati in ambiente LabVIEW. Il sistema è dimensionato in modo da alimentare un carico da 10 kW proteggendolo da interruzioni della tensione di alimentazione che possono andare dalla decina di ms di un buco di tensione fino ai 10 s di un’interruzione breve e filtrando le armoniche di tensione.

L’APQC inoltre ha la funzione di proteggere la rete dai disturbi indotti da un carico squilibrato, correggendo il fattore di potenza fino a renderlo unitario, filtrando il reattivo e le armoniche di corrente e svolgendo funzioni di peak shaving.

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