Black Start

Black Start

4.1 D

B

L'annullamento della tensione di tutta la rete, o di una estesa parte di essa, costituisce l'evento più grave che possa colpire l'esercizio di un sistema elettrico.

Questa condizione fa seguito, in generale, ad una separazione di rete e ad un degrado della frequenza dovuto ad una aumento del fabbisogno elettrico, rispetto alla produzione, che non è stata mitigata dal piano di difesa del sistema elettrico e, in particolare, dall’alleggerimento automatico del carico.

Durante un rapido transitorio lo stato di black out comporta generalmente:

 l'apertura di interruttori di linee di trasmissione e auto-trasformatori di interconnessione per intervento delle relative protezioni;

 l'uscita dal parallelo dei generatori;

 la disalimentazione della rete elettrica ad ogni livello di tensione di vaste aree geografiche.

In tale situazione, le unità a cui sono affidati il controllo e la conduzione del sistema elettrico devono porre in atto una serie di provvedimenti, rigorosamente coordinati fra loro, al fine di riprendere il normale servizio elettrico in modo rapido e ragionevolmente sicuro.

Queste operazioni devono partire da impianti, detti di “prima riaccensione”, i quali devono avere la capacità di avviarsi autonomamente e rapidamente.

L’insieme delle operazioni di ripristino dell’alimentazione viene denominato Black Start.

4.2 B

S

I moderni sistemi di potenza sono progettati per avere un elevato grado di affidabilità. Il funzionamento del sistema è strettamente monitorato per mantenere sicuri i margini operativi. Tuttavia, nonostante questi sforzi, interruzioni del sistema di alimentazione avvengono. La maggior parte delle interruzioni coinvolge solo una porzione del sistema di alimentazione, e, questa porzione, può essere ripristinata con l'assistenza di reti elettriche vicine. In questo caso il ripristino dell’alimentazione è abbastanza semplice. Le linee principali di alta tensione vengono rialimentate dalle linee ad alta tensione vicine, per poi rialimentare le reti con tensione più bassa fino ad arrivare ai diversi carichi, in questo modo l’alimentazione ritorna

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online. Questo è un esempio di rialimentazione top-down, cioè viene prima rialimentata la rete di trasmissione ad alta tensione, che alimenterà poi le reti a tensione più bassa.

Tuttavia in caso di black out molto estesi, può non esserci la possibilità di approvvigionarsi da una rete vicina. In questi casi il ripristino deve partire da unità generatrici preselezionate che devono avere la capacità di auto avviarsi. Questi impianti, generalmente chiamati unità di Black Start, vengono utilizzate come nucleo per l’avvio del processo di ripristino. Questo processo può essere considerato di tipo bottom-up, infatti prende avvio da piccole unità generatrici disposte lungo la rete di distribuzione per poi far risalire i flussi di potenza per rienergizzare le direttrici principali. Per velocizzare questo processo possono essere utilizzate più unità indipendenti che alimenteranno parti di rete separate, chiamate isole, per poi essere sincronizzate nuovamente per ripristinare il sistema di alimentazione originale.

Le unità di Black Start sono impianti che non necessitano alimentazione esterna per l’avvio. Generalmente si dividono in quattro categorie:

 Unità idroelettriche: questi impianti sono progettati per l’applicazione di Black Start e hanno una caratteristica di risposta veloce.

 Generatori diesel: necessitano solamente dell’alimentazione di una batteria per l’avviamento e possono partire molto velocemente. Sono di piccola taglia e sono per lo più utilizzati per l’avviamento di generatori di taglia maggiore. Generalmente non possono essere utilizzati per energizzare elementi del sistema di trasmissione.  Generatori turbogas: necessitano di una batteria per l’avviamento o un di un piccolo

motore diesel. Spesso l’avvio può avvenire in remoto. Possono rialimentare i carichi molto velocemente.

 Storage: ogni tipologia di Storage può essere utilizzata per l’applicazione di Black Start, in quanto, come visto precedentemente, ha come sua natura la rapidità di risposta e la possibilità di erogare potenza senza bisogno di alimentazione esterne. Nel progetto si utilizzerà una batteria al Litio per svolgere questa applicazione. In caso di totale fuori uso del sistema, la rialimentazione deve partire dalle unità di Black Start, ripristinando l’alimentazione ai carichi attraverso gli elementi presenti tra di loro, cioè trasformatori e linee. Nel nostro caso la batteria utilizzerà l’applicazione di Black Start per l’alimentazione di una parte della rete, nell’intorno dello Storage, funzionando in isola, in attesa del completo ripristino dell’alimentazione della rete. Come abbiamo anticipato, quindi, l’unità deve essere in grado, sequenzialmente, di rienergizzare trasformatori e linee e quindi alimentare i carichi.

Le principali preoccupazioni che vengono sollecitate sono il controllo della tensione e della frequenza. Entrambe devono essere mantenute in un intorno dei valori nominali per evitare danni alle apparecchiature e per garantire la continuità del processo di Black Start. Qualsiasi guasto agli elementi del sistema può ostacolare gravemente la riuscita dell’applicazione, costringendo anche all’arresto dell’operazione.

Questi tipi di controllo sono facilmente implementabili nel controllo del nostro Storage, in quanto l’inverter a controllo vettoriale lo facilita notevolmente.

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4.3 C

I

Un passo fondamentale nella procedura di Black Start è la rienergizzazione dei trasformatori elevatori e dei trasformatori di cabina MT/BT. Infatti si possono avere gravi problemi dovuti alle correnti di inrush. Queste correnti hanno grande ampiezza,sono fortemente non sinusoidali e possono durare per diversi minuti. Vi è il rischio di scatto degli apparecchi di protezione al passaggio di queste correnti, causando la perdita dell’unita di Black Start. In aggiunta, possono verificarsi sovratensioni di risonanza dovute all’impedenza non lineare dei trasformatori e alle capacità delle linee o dei cavi, sommati al basso smorzamento del sistema.

Un metodo per energizzare i trasformatori e evitare queste correnti dannose è eseguire il cosiddetto “soft start” dello stesso trasformatore, cioè alimentare il trasformatore a vuoto in modo graduale per poi richiuderlo sulla rete. L’aumento graduale evita le correnti di inrush ma lo svantaggio è che la procedura devia dalla normalità incidendo anche sul sistema di protezione.

4.3.1 Origine delle correnti di Inrush

Il principio di funzionamento di un trasformatore è governato dalle leggi di Faraday e di Ampère. La legge di Faraday afferma che la tensione indotta è pari alla derivata del flusso concatenato, o, inversamente, che il flusso concatenato è uguale all’integrale della tensione applicata. La legge di Ampère relaziona il flusso concatenato da una bobina alla corrente che la attraversa.

Durante il normale funzionamento, le correnti e le tensioni del trasformatore, come pure il flusso all’interno nel nucleo ferromagnetico, variano sinusoidalmente. Quando il trasformatore non è caricato, cioè uno dei terminali è aperto, lo sfasamento tra tensione da un lato, e il flusso e la corrente dall’altro, è di circa 90 gradi.

Assumiamo ora che il trasformatore è inattivo e viene applicata una tensione. Quando la presenza di magnetismo residuo è trascurato e la connessione avviene all’istante in cui il flusso sarebbe uguale a zero durante il normale funzionamento, cioè al massimo della tensione, questo non da luogo ad alcuna eccezionale corrente o flusso. Il flusso è l’integrale della tensione applicata ed è esattamente uguale a quello che sarebbe se non era stato il primo periodo della tensione applicata.

Tuttavia, quando il trasformatore viene connesso quando la tensione è uguale a zero, il flusso raggiunge due volte la sua normale ampiezza quando si integra la tensione. Se il trasformatore è già stato connesso, l’integrazione inizierebbe dal massimo negativo del flusso e finirebbe al massimo positivo. Tuttavia, poiché questo è il primo periodo della tensione, l’integrazione inizia da flusso uguale a zero e raggiunge il doppio del valore massimo che si verifica durante il normale funzionamento.

Date queste elevate densità di flusso, il nucleo ferromagnetico finirà nella zona di saturazione della caratteristica (Figura 4.3.1).

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Figura 4.3.1 Caratteristica flusso/corrente

Pertanto, il trasformatore comincerà a mostrare un comportamento non lineare. Come risultato, la corrente non è più approssimativamente proporzionale al flusso. Di conseguenza, molta più corrente è necessaria per aumentare il flusso, e questa può raggiungere più di due volte il suo massimo. Questa elevata corrente è chiamata corrente di inrush.

Come detto in precedenza, le correnti si inrush possono portare a effetti indesiderati, quali lo scatto dei dispositivi di protezione e sovratensioni risonanti.

La presenza di magnetismo residuo può aumentare questo effetto, che porta a correnti di inrush ancora più elevate.

Nelle simulazione valuteremo la presenza di questo tipo di sovracorrenti sapendo anche che, data la loro origine dalla saturazione, avranno un comportamento simile a quello presentato nella Figura 4.3.2.

Figura 4.3.2 Correnti di inrush

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4.4 R

Nel progetto presentato l’applicazione di Black Start alimenterà, come già presentato, l’isola nell’intorno dell’accumulo elettrochimico in caso di blackout. Quando la restante rete elettrica sarà completamente rialimentata, è necessaria la riconnessione alla rete dell’isola in modo da avere una fornitura elettrica continua da essa. Questa richiusura ci è facilitata grazie al controllo di tensione presente sul nostro Storage di tipo “V”. Ciò significa che è possibile modificare modulo e fase del nostro vettore tensione facilmente tramite l’inverter a controllo vettoriale in modo da eseguire il parallelo alla rete quando avremo la minor caduta di tensione possibile sull’interruttore del parallelo. Alla richiusura di questo interruttore dovremo poi passare da un controllo in isola di tipo “V” a un controllo grid-connetted di tipo “PQ”. Questa situazione non è ancora però stata implementata sullo Storage del “Progetto Isernia” di Carpinone.

4.5 B

[8] Guida tecnica GRTN N° DRRTX03001, “Piano di riaccensione del sistema elettrico nazionale”, Terna, 2003

[9] J.W. Feltes, Carlos Grande-Moran, “Black Start Studies for System Restoration”, IEEE, 2008

[10] C.P.J. Jansen, J.G. Slootweg, R.A.C.T. de Groot, “Calculation of Transformer Inrush Currents occurring during the Energizing of the Public Grid after a major Black Out”, IEEE,