generazione distribuita
3.6 Protezione mediante dispositivi limitatori di corrente di guasto
Per far fronte alla variazione del livello della corrente di guasto nel passaggio dal funzionamento connesso alla rete a quello in isola, è possibile ricorrere all’installazione di dispositivi esterni, adibiti a limitare od incrementare il valore della corrente.
Le soluzioni facenti riferimento a questa logica possono prevedere ad esempio l’impiego di elementi di stoccaggio dell’energia, disposti ai fini dell’aumento della corrente di guasto in modo da preservare la tradizionale operatività dell’originario sistema di protezione. In [53] è proposto l’utilizzo di una sorgente di corrente di guasto (Fault Current Source, FCS) per reti prevalentemente dominate dalla presenza di generazione interfacciata mediante inverter, o nelle quali si ha comunque bassa corrente di corto a causa della lunghezza della linea. Tale dispositivo entra in funzione esclusivamente a fronte di un guasto al fine di mantenere inalterato il valore della tensione, iniettando corrente nella rete in modo da permettere l’intervento dei fusibili o degli interruttori presenti. L’autore specifica che un FCS deve composto da 4 sotto-sistemi: un elemento di accumulo, in convertitore elettronico di potenza, un circuito di comando ed un modulo di carica. L’elemento di accumulo è predisposto a fornire l’energia necessaria all’incremento della corrente, e può essere un volano, un supercondensatore, una batteria, o comunque un dispositivo in grado di fornire una scarica rapida. Il convertitore serve dunque ad interfacciare l’accumulo con la rete, ovvero gestire il rilascio controllato di energia mediante il controllo di tensione e frequenza. Benché venga brevemente descritto un prototipo, la pubblicazione non comprende alcun tipo di simulazione.
In [54] vengono trattati gli aspetti teorici riguardo il dimensionamento di un sistema simile a quello precedentemente descritto, testandolo su una specifica microgrid. Il documento però non tratta degli aspetti legati alle protezioni.
Un altro approccio atto a livellare la corrente di guasto è quello in cui si prevede l’installazione di appositi dispositivi tra la microgrid e la rete principale, allo scopo di limitare il contributo di quest’ultima a suddetta corrente. Ad esempio in [55] viene impiegato il limitatore di corrente di guasto (Fault Current Limiter, FCL), insieme a relay direzionali di sovracorrente, per garantire adeguata protezione della microgrid sia in isola che connessa alla rete. Tale FCL è di tipo induttivo, connesso tra la rete e la microgrid, e dimensionato in modo ottimale in modo da garantire il coordinamento con le altre protezioni. Si pone infatti il problema di adeguare i parametri dei relay (con caratteristica tempo-inverso) all’inserimento del limitatore di corrente, in quanto la sua
65 impedenza (induttiva) influisce sulla matrice delle ammettenze e quindi sul valore della corrente di guasto, e di conseguenza anche sulle soglie d’intervento delle protezioni. Inoltre è importante notare che, a causa del valore potenzialmente elevato dell’impedenza del FCL, questo deve essere disattivato in condizioni di normale funzionamento5, pena elevate cadute di tensione. Il problema è dunque di
tipo vincolato non lineare, e la sua soluzione viene ottimizzata mediante algoritmo genetico6. Nel
documento tale approccio viene testato sia per rete radiale che magliata, ma per brevità si riporta esclusivamente il primo caso. La microgrid sulla quale vengono effettuate le simulazioni è dunque in media tensione, equipaggiata con quattro generatori sincroni direttamente connessi. Ad ogni posizione del guasto sono associati due relay per la protezione primaria, a ciascuno dei quali a sono a loro volta associati due relay di back up.
Vengono effettuate simulazioni esclusivamente per guasti trifase in più punti della linea, sia per funzionamento in isola che connesso alla rete, evidenziando un adeguato funzionamento delle protezioni. Tale metodo risulta però efficiente esclusivamente per le configurazioni della rete presa in considerazione, ovvero una volta ottimizzate le soglie dei relay queste non possono essere modificate, e nemmeno i generatori possono essere disconnessi e/o ricollegati. Inoltre potrebbe rilevarsi inadeguato in presenza di generatori con inverter, a causa del loro scarso contributo alla corrente di guasto.
5Si parla di FCL attivi
6Tecnica di ottimizzazione euristica, impiegata solitamente per problemi di ordine dimensionale elevato ed altamente non lineari.
66 Sempre al fine di mantenere inalterato il sistema di protezione originario, in [56] Khederzadeh propone l’utilizzo di un compensatore statico inserito al PCC per limitare la corrente in modo analogo ad un FCL. Tale dispositivo è costituito da più inverter monofase a bassa potenza connessi ai conduttori della linea aerea [57], in modo da controllare dinamicamente l’impedenza della linea. Operando come compensatore capacitivo può diminuire l’impedenza di linea aumentando il flusso di potenza; viceversa, funzionando come compensatore induttivo, aumenta l’impedenza di linea limitando così la corrente di guasto nella microgrid. L’approccio mira dunque a mantenere il coordinamento tra relay e fusibili presenti, sia nel funzionamento in isola che connesso alla rete, senza dover rivedere le soglie di intervento o disconnettere i generatori. Differentemente dal caso precedente, nella microgrid presentata in [56] (fig. 3.20) sono presenti non solo generatori sincroni, ma anche quelli dotati di inverter; tuttavia, non vengono effettuate simulazioni per confermarne il funzionamento.
67 Nel 2013 è stato poi proposto l’impiego di un controllore della corrente di guasto a superconduttore (Superconducting Fault Current Contoller, SFCC) [58], in grado di aggiustare la corrente di guasto in diverse condizioni di funzionamento della microgrid, senza la necessità di un sistema di monitoraggio dedicato. Tale dispositivo è costituito da tre moduli, ciascuno dei quali svolge il proprio ruolo nel limitare la corrente. Il primo modulo consiste in un superconduttore ad elevata temperatura (High Temperature Superconductor, HTS), utilizzato per il rilevamento e la commutazione, ed un interruttore rapido, costituito da una bobina, un interruttore sottovuoto ad un contattore (SC in fig.3.21). In questo modo si punta a limitare la lunghezza del superconduttore e quindi arginare il costo. Il secondo modulo è adibito alla limitazione ed al controllo della corrente, mediante rettificatore controllato a mezzo ponte, costituito da due diodi e due tiristori. Inoltre è presente una resistore al fine di limitare la corrente (Current Limiting Resistor, CLR) ad uno specifico livello, in modo da poter usare i tiristori per controllare tale corrente. Il terzo modulo serve a far sì che il SFCC non intervenga per correnti inferiori ad una certa soglia, in modo da non compromettere l’intervento dei relay di sovracorrente, come ad esempio nel funzionamento in isola o a fronte di guasto ad elevata impedenza.
La microgrid sulla quale vengono effettuate le simulazioni è in media tensione, e presenta esclusivamente generatori di tipo sincrono. Viene testata sia in isola che connessa alla rete, variando la configurazione mediante connessione/disconnessione della DGs, ma si prende in considerazione il solo guasto trifase.
68 In generale, l’impiego di dispositivi esterni presenta aspetti problematici legati ai costi, soprattutto in presenza di elementi di stoccaggio dell’energia. Inoltre, l’installazione di dispositivi limitatori di corrente è possibile solo fino ad un certo numero di generatori distribuiti connessi, oltre il quale può diventare difficile determinare il valore dell’impedenza del FCL.