Mezzi di produzione della potenza reattiva

( ) dove:

 è il livello medio del prezzo all’ingrosso dell’energia elettrica relativo al periodo compreso tra il quarto trimestre dell’anno n-2 ed il terzo trimestre dell’anno n-1;

 è la stima della variazione percentuale delle perdite di rete;

 sono le perdite di rete standard.

4. I valori delle componenti tariffarie per ciascuno dei due scaglioni individuato nella Tabella 2.3 è calcolato mediando i valori assunti da p ed e negli intervalli rilevanti.

2.4.4. Mezzi di produzione della potenza reattiva

I principali mezzi per la produzione di potenza reattiva sono:

• alternatori sincroni;

• compensatori sincroni;

• compensatori statici;

• convertitori di interfaccia della Generazione Distribuita;

• batterie di condensatori statici.

I primi tre mezzi per la produzione di potenza reattiva sono raramente utilizzati nelle reti a media e bassa tensione per cui saranno solo accennati qui di seguito.

Alternatori sincroni

Gli alternatori sincroni sono le principali macchine elettriche utilizzate per la generazione di energia elettrica. Il loro scopo è quello di fornire potenza elettrica alle utenze finali attraverso i sistemi di trasmissione e di distribuzione.

Agendo sull’eccitazione dell’alternatore è possibile variare il valore della tensione generata e quindi regolare le iniezioni di potenza reattiva in rete, allo scopo di migliorare i profili di tensione del sistema e ridurre le perdite per effetto joule lungo le linee.

Compensatori sincroni

Sono motori sincroni funzionanti a vuoto, posti in sincronismo con la rete ed aventi la sola funzione di assorbire la potenza reattiva in esubero (funzionamento in sottoeccitazione) oppure di fornire quella mancante (funzionamento in sovreccitazione).

Questi dispositivi sono principalmente utilizzati in determinati nodi della rete di trasmissione e subtrasmissione per la regolazione della tensione e dei flussi di potenza reattiva. Nelle reti di distribuzione non risulta economicamente conveniente l’uso di compensatori sincroni visti i loro alti costi di installazione e manutenzione.

Compensatori statici

Il notevole sviluppo dell’elettronica di potenza, sta favorendo la sostituzione dei compensatori sincroni con dei sistemi statici per il controllo della potenza reattiva quali

ad esempio, i TSC (thyristor switched capacitors) e i TCR (thyristor controlled reactors), una versione elettronica dei sistemi di compensazione dell’energia reattiva basati su componenti elettromeccanici nei quali, però, l’inserzione dei vari condensatori non avviene attraverso l’apertura e la chiusura di opportuni contattori, ma attraverso il controllo fornito da coppie di tiristori in antiparallelo (vedi Fig. 2.11).

I TSC consentono un controllo a gradini della potenza reattiva erogata dai gruppi di condensatori, mentre, con i TCR, si può controllare con continuità la potenza reattiva assorbita dalle induttanze.

Accoppiando un TSC ed un TCR è possibile una regolazione modulata con continuità di potenza reattiva prodotta/assorbita.

Anche in questo caso, dal punto di vista applicativo questi dispositivi sono impiegati soprattutto su reti ad alta e altissima tensione.

Fig. 2.11 Schemi dei compensatori statici TCR e TSC Convertitori di interfaccia della Generazione Distribuita

Le reti di distribuzione rappresentano la realtà maggiormente soggetta ai mutamenti richiesti dalla presenza della generazione distribuita (GD). La GD, infatti, introduce un nuovo modo di concepire le reti di distribuzione, che non possono considerarsi più reti passive bensì reti attive dove particolare valenza ha il problema della fornitura di servizi, complementari alla semplice fornitura dell’energia elettrica, che sono denominati servizi ancillari (regolazione della tensione, riserva, compensazione dei disturbi della qualità del servizio, ecc.).

D’altra parte, la possibilità di impiegare la GD non solo per la produzione dell’energia da vendere, ma anche per svolgere funzioni ausiliarie quali quelle citate in precedenza, accresce sicuramente la valenza strategica della GD stessa e, inoltre, può contribuire a ridurre, in alcuni casi in maniera significativa, i tempi di ritorno dei capitali investiti.

Tali possibilità sono oggi più facili da attuare, in quanto alcuni sistemi di GD sono caratterizzati dalla presenza di convertitori statici per l’interfacciamento con la rete di distribuzione. Ad esempio, i sistemi con fuel cell, quelli con pannelli fotovoltaici o con microturbine ed, in alcuni casi, gli impianti eolici, si avvalgono, come interfaccia con la rete di distribuzione, di sistemi di conversione con convertitori controllati con tecnica PWM. I convertitori statici, come ben noto, grazie alla presenza del sistema di controllo, sono in grado di garantire lo svolgimento di diversi servizi aggiuntivi alla semplice produzione dell’energia. Ad esempio, con essi è possibile facilmente iniettare potenza

reattiva nel nodo di connessione dell’impianto regolandone la tensione. Tali funzioni, inoltre, possono essere svolte con dinamiche estremamente spinte grazie alla elevata velocità di risposta delle interfacce elettroniche.

Batterie di condensatori

Come noto, il condensatore è un bipolo passivo costituito da due superfici conduttrici, dette armature, fra le quali è interposto un materiale dielettrico. Il sistema che si ottiene viene impregnato per impedire la penetrazione di umidità o bolle d’aria che potrebbero dare luogo a scariche elettriche. I condensatori di ultima generazione sono del tipo a secco e subiscono un trattamento specifico che ne migliora le caratteristiche elettriche. I condensatori a secco non presentano il rischio di inquinamento per l’eventuale perdita della sostanza impregnante.

In base alla geometria delle armature metalliche, si possono avere:

• condensatori piani;

• condensatori cilindrici;

• condensatori sferici.

Le principali grandezze che caratterizzano un condensatore sono:

• la capacità nominale Cn: il valore della capacità ottenuto dai valori nominali della potenza, della tensione e della frequenza del condensatore;

• la potenza nominale Q_n: la potenza reattiva per la quale il condensatore é stato progettato;

• la tensione nominale Vn: il valore efficace della tensione alternata per la quale il condensatore é stato progettato;

• la frequenza nominale fn: la frequenza per la quale il condensatore è stato progettato.

Applicando una tensione alternata fra le armature, il condensatore è sottoposto a cicli di carica e scarica, durante i quali immagazzina energia reattiva (carica del condensatore) e la inietta nel circuito al quale è collegato (scarica del condensatore).

In condizioni nominali, tale energia è data dalla relazione:

dove:

• C è la capacità del condensatore;

• V è la tensione applicata ai capi del condensatore.

Vista la sua capacità di immagazzinare ed erogare energia, il condensatore è utilizzato come elemento base per la realizzazione delle batterie di rifasamento (a tutti i livelli di tensione) e dei dispositivi statici di regolazione della potenza reattiva.

In particolare i condensatori di rifasamento utilizzati in bassa tensione sono costituiti da elementi monofase realizzati in film di polipropilene metallizzato e possono essere di tipo auto-rigenerabili. Nei condensatori di questo tipo la parte di dielettrico danneggiata da una scarica è in grado di rigenerarsi; infatti al presentarsi di tali situazioni la parte del film di polipropilene interessata dalla scarica evapora per l’effetto termico causato dalla scarica stessa, ripristinando in questo modo la parte danneggiata.

In un’installazione trifase, possono essere connessi in due modalità: connessione a stella e connessione a triangolo. In Fig. 2.13 sono mostrate le due tipologie di connessione. Nella connessione a stella ai singoli condensatori è applicata la tensione stellata e la potenza reattiva complessiva è:

dove:

 C è la capacità del condensatore;

 è il modulo della tensione stellata applicata ai capi dei condensatori;

 è il modulo della tensione concatenata.

Nella connessione a triangolo ai singoli condensatori è applicata la tensione concatenata e la potenza reattiva complessiva è:

Dalle ultime due relazioni, risulta che, a parità di tensione concatenata e di potenza reattiva assorbita, un condensatore per collegamento a stella deve avere una capacità tripla di uno per collegamento a triangolo; d'altra parte, un condensatore per una configurazione a triangolo deve essere dimensionato per una tensione nominale √ volte più grande di uno a stella. In bassa tensione si hanno installazioni sia mono-fase che trifase, usualmente a triangolo. In media tensione le installazioni sono a triangolo o a stella per sistemi fino a 10 kV, a stella per tensioni superiori dal momento che diventa più stringente il vincolo sull’isolamento.

(a) (b)

Fig. 2.12 Connessioni a stella e a triangolo di un sistema di rifasamento trifase