Come funziona il Sistema Elettrico

Paolo Pelacchi

L’energia sotto forma elettrica – L’energia in forma elettrica in natura non

esiste (a parte qualche eccezione): è un vettore.

– L’energia elettrica non può essere immagazzinata in forma diretta (anche in questo caso a parte qualche eccezione: supercondensatori), ma solo in forma indiretta: elettrochimica (pile e accumulatori), potenziale idraulica, potenziale termica, ecc.

– L’energia elettrica deve quindi essere prodotta nello stesso istante in cui viene richiesta! E questo è un grosso problema.

– Domanda: perché l’energia elettrica ha avuto uno sviluppo così rilevante?

Perché l’energia elettrica

– Perché è semplice da usare e le sue applicazioni sono estremamente efficienti.

– Perché è possibile sfruttare fonti rinnovabili diffuse che altrimenti non sarebbero utilizzabili (impianti off-shore).

– Perché è possibile sfruttare l’energia nucleare.

– La quantità di energia consumata sotto forma elettrica negli usi finali rispetto alla quantità totale di energia nei Paesi industrialmente avanzati (penetrazione elettrica) è elevata.

Applicazioni dell’energia elettrica

Specifiche di base di un sistema elettrico per l’energia

– Dal punto di vista gestionale un grande sistema elettrico deve funzionare ‘ad inseguimento del carico’: il carico deve essere sempre soddisfatto.

– Dal punto di vista tecnico il sistema deve essere:

• trifase a tensione costante (valore efficace della

componente fondamentale);

• con tensione sinusoidale;

• con frequenza costante (rete sincrona a 50 Hz) ed uguale

in grandi aree territoriali (Europa Occidentale,

USA&Canada, Brasile, ecc.)

Carico: andamento stagionale

Carico: andamento giornaliero

(18/06/02: Italia-Corea)

Caratteristiche di base

– Distanza tra centri di produzione e centri di carico.

– Impossibilità di trasferire potenza lungo un percorso assegnato.

– Necessità di trasportare potenza attiva e reattiva.

– Stretto coordinamento tra tutti i componenti.

La produzione in un sistema elettrico

– Produzione di energia elettrica nei grandi sistemi elettrici avviene tramite:

– grandi centrali (termoelettriche convenzionali, idrauliche di produzione, nucleotermoelettriche, geotermoelettriche, eoliche, ecc.)

– gruppi di potenza ridotta, generalmente associati a fonti rinnovabili e talvolta in cogenerazione (eolico, fotovoltaico, biomasse, ecc.)

Linee aeree

Trasformatori di potenza e apparecchi di manovra

Reti di trasporto e di distribuzione

– L’insieme delle linee aeree e in cavo sia in c.a. che

in c.c., dei trasformatori di potenza e di misura,

delle apparecchiature di interruzione e di manovra,

dei sistemi di protezione dei vari componenti, dei

sistemi di trasmissione delle informazioni sullo

stato del sistema, del centro nazionale e di quelli

regionali di monitoraggio e di controllo

costituisce

– le reti di trasporto e di distribuzione.

Il ruolo delle reti elettriche – Le reti di trasporto e di distribuzione sono previste per qualunque tipo

di prodotto; in assenza di tali reti non è possibile consegnare agli utenti finali nessun bene.

– Quasi tutti i beni materiali possono essere prodotti con un certo anticipo rispetto al momento in cui verranno utilizzati, in quanto possono essere immagazzinati e quindi la loro utilizzazione può subire un ritardo rispetto alla loro produzione, ritardo che è funzione della loro deperibilità.

– L’energia elettrica è un bene che deperisce istantaneamente nel momento in cui viene prodotto in quanto non è accumulabile in forma diretta.

– Le reti di trasporto e di distribuzione dell’energia elettrica rivestono quindi un ruolo fondamentale.

Il coordinamento della produzione in un sistema elettrico per l’energia

Regolazione, protezione e controllo

– Un sistema elettrico deve essere esercito:

– a frequenza costante

– a tensione costante

– Occorrerà quindi predisporre opportuni sistemi di

regolazione, ed in particolare:

– sistema di regolazione della frequenza

– sistema di regolazione della tensione

– Occorrerà inoltre predisporre opportuni sistemi di

protezione e controllo

– I sistemi di regolazione, protezione e controllo

devono:

– essere strettamente integrati

– essere fortemente coordinati

– avere velocità di risposta estremamente elevate

– avere sensibilità e precisioni molto elevate

– essere adeguatamente ridondanti

I sistemi di regolazione, protezione e controllo

– Le funzioni sviluppate da questi sistemi

riguardano essenzialmente

l’acquisizione e l’elaborazione dei dati

provenienti dai sistemi di misura

disposti nei nodi del sistema elettrico.

– Vengono quindi rilevati ed archiviati,

con diverse frequenze di

campionamento, dati di carico, potenze

prodotte, livelli di bacini idraulici,

flussi di potenza nelle linee, guasti,

stato degli interruttori, ecc.

I sistemi di regolazione e di controllo

La regolazione della frequenza

– In un sistema elettrico:

– il carico preleva liberamente energia (e potenza) in qualunque

istante

– l’energia non può in pratica essere immagazzinata sotto forma

elettrica

– Di conseguenza il sistema deve essere bilanciato e cioè la

produzione deve essere esattamente uguale al carico

richiesto in tempo reale (in pratica qualche secondo)

– Un mancato bilanciamento si trasforma in una variazione

della frequenza (il problema delle fonti rinnovabili non

programmabili)

Sbilanciamenti: estreme conseguenze

– Il sistema di regolazione della frequenza è

strutturato su 3 livelli:

– regolazione primaria (locale e automatica)

– regolazione secondaria (centralizzata e automatica)

– regolazione terziaria (centralizzata e manuale)

– Devono essere naturalmente previsti opportuni

margini di potenza, disponibile in tempi certi, da

assegnare a ciascun livello.

Regolazione della frequenza

- E’ la capacità di ciascun gruppo di variare in maniera autonoma la potenza erogata al variare della frequenza di rete.

- Ha tempi di intervento brevi (da alcune centinaia di ms ad alcuni secondi), ha carattere locale e dipende dal tipo di gruppo.

- Al termine dell’intervento della regolazione primaria la frequenza del sistema è diversa rispetto a quella precedente alla perturbazione (errore a regime non nullo).

Regolazione primaria di frequenza

- E’ la capacità del sistema di variare la frequenza di rete

variando la potenza erogata da alcuni gruppi con

opportune caratteristiche (errore a regime nullo).

- La regolazione secondaria (“frequenza/potenza”) deve

quindi:

- riportare la frequenza al valore nominale, ricostituendo

così la riserva per la regolazione primaria;

- riportare gli scambi sulle interconnessioni ai valori

contrattuali.

Regolazione secondaria di frequenza

- E’ una qualsiasi variazione, tipicamente manuale,

della potenza erogata dai gruppi al fine di:

- garantire un’opportuna riserva di regolazione

secondaria (ricostituzione o adeguamento alle

variazioni di carico);

- ripartire in maniera ottimale sui vari gruppi,

sulla base di considerazioni economiche, le

variazioni di potenza intervenute.

Regolazione terziaria di frequenza

fase di

ricostituzione

della riservasecondaria

regolazione

primaria

0 30 s fino a 15 min

regolazione

secondaria

regolazione

terziaria

t

fase di

ottimizzazionedel parco

Le tempistiche della regolazione di frequenza

– Le azioni di controllo possono essere sia di tipo locale

che di tipo centralizzato. Secondo tale criterio la

regolazione delle tensioni e delle potenze reattive si

suddivide in tre livelli:

– Regolazione primaria di tensione

– Regolazione secondaria di tensione

– Regolazione terziaria di tensione

Sistema di regolazione di tensione

– La regolazione primaria di tensione è di tipo locale,

effettuata mediante i regolatori di tensione dei gruppi di

generazione, i variatori sotto carico dei trasformatori,

l'inserzione di dispositivi statici (condensatori,

induttanze, SVC, ecc..); tutti questi dispositivi sono

sensibili alla tensione a livello locale (ai morsetti di

macchina, sulle sbarre AT, MT, BT); tale regolazione

viene effettuata in maniera automatica.

Regolazione primaria di tensione

– La regolazione secondaria di tensione è di tipo

centralizzato ad aree, effettuata variando i riferimenti di

tensione dei regolatori al fine di mantenere il più costante

possibile il livello di tensione in alcuni nodi della rete di

particolare importanza (nodi pilota); tale operazione può

essere effettuata anche con altre funzioni obiettivo

(minimizzazione delle perdite in rete, minimizzazione

della potenza reattiva prodotta dai gruppi, ecc.); tale

regolazione viene effettuata in maniera automatica.

Regolazione secondaria di tensione

– La regolazione terziaria di tensione è di tipo

centralizzato, effettuata tramite elaborazione

(simulazione) con il compito di definire il profilo di

tensione di tutta la rete; tale profilo rappresenta il

riferimento per la regolazione secondaria; tale

regolazione viene effettuata fuori linea su base

previsionale.

Regolazione terziaria di tensione