Analisi del funzionamento in parallelo di più sistemi di conversione di potenza in un ambiente di microrete

Introduzione

La rapida evoluzione delle microreti come fonti localizzate di elettricità, in particolare nel contesto della nuova industria energetica, ha reso necessaria la realizzazione di Sistemi di Conversione di Potenza (PCS) sofisticati. Questi sistemi sono fondamentali per garantire l’affidabilità, l’efficienza e la sicurezza dell’alimentazione elettrica all’interno degli ambienti delle microreti. Il PCS è responsabile della funzione cruciale di convertire l’energia elettrica da una forma all’altra e di gestire lo scambio di potenza tra la microrete e la rete elettrica principale. Questo articolo approfondisce l’analisi sperimentale della funzionalità del PCS, concentrandosi sul controllo dello switching on-grid e off-grid, sulla sincronizzazione con la rete e sulla gestione dei carichi non lineari e delle armoniche. Verrà inoltre esaminata l’operazione in parallelo di più unità PCS e la loro risposta collettiva a vari scenari operativi in un ambiente di microrete.

Controllo dello Switching On-grid e Off-grid

La capacità di passare tra modalità on-grid (connessa alla rete) e off-grid (isolata) è una funzione vitale dei Sistemi di Conversione di Potenza. Questa capacità garantisce che la microrete possa operare in modo indipendente quando necessario, ad esempio durante un guasto della rete principale, e possa altrimenti rimanere sincronizzata con la rete principale per le operazioni normali.

Switching Off-grid Attivo

Lo switching off-grid attivo comporta una transizione senza interruzioni dal collegamento alla rete principale all’operazione indipendente. Questo processo richiede che il PCS riconosca rapidamente un guasto della rete e passi alla modalità off-grid senza causare interruzioni significative al carico. La rilevazione rapida e accurata delle anomalie di rete si ottiene attraverso una combinazione di metodi di rilevamento della frequenza e dell’ampiezza. Per una transizione di successo, il tempo di commutazione deve essere minimo per ridurre l’impatto sulla qualità della potenza e prevenire interruzioni ai carichi connessi. Il processo di transizione è illustrato nella Figura 1, che mostra le forme d’onda della tensione di fase e della corrente durante l’evento di switching in modalità attiva.

Switching Off-grid Passivo

In contrasto con lo switching attivo, lo switching off-grid passivo è avviato dalla rilevazione di fluttuazioni di tensione sostenute nel punto di connessione alla rete. Se la tensione scende o sale oltre una soglia predeterminata per diversi punti di campionamento consecutivi, ciò indica una disconnessione o un guasto della rete principale. Il PCS passa quindi automaticamente alla modalità off-grid e invia un segnale per isolare l’interruttore della rete principale, attuando così l’operazione off-grid passiva. La Figura 2 presenta un diagramma delle forme d’onda che mostra la transizione dalla modalità connessa alla rete alla modalità off-grid passiva.

Controllo di Switching Sincrono connesso alla rete

Il ritorno alla modalità connessa alla rete da uno stato off-grid richiede una sincronizzazione precisa per garantire che la tensione, la frequenza e la fase della microrete siano allineate a quelle della rete principale. Questo è essenziale per prevenire forti sovracorrenti che potrebbero danneggiare il PCS e le altre apparecchiature connesse. Esistono due metodi principali per ottenere la sincronizzazione:

Sincronizzazione Passiva: Questo metodo utilizza dispositivi di protezione per facilitare la connessione alla rete. Il PCS passa da una modalità di controllo tensione/frequenza a una modalità di controllo a potenza costante durante la commutazione. Il controllo di inseguimento con loop ad aggancio di fase (PLL) viene impiegato per allineare la tensione di uscita del PCS con la tensione della rete prima della riconnessione. La sincronizzazione tramite dispositivo di protezione è rappresentata nella Figura 3, che illustra la forma d’onda dello switching da off-grid a connesso alla rete.

Sincronizzazione Automatica: Questo metodo non si basa su un dispositivo di protezione esterno per la sincronizzazione. Invece, il PCS determina autonomamente il punto di sincronizzazione monitorando la tensione lato rete. Al ricevimento di un comando di sincronizzazione dal sistema di controllo, il PCS avvia l’inseguimento di fase. Una volta raggiunta la sincronizzazione, il PCS emette un comando per chiudere l’interruttore di connessione alla rete, completando così il processo di sincronizzazione automatica. La Figura 4 dettaglia il processo di controllo della sincronizzazione automatica.

Operazione Off-grid con Carichi Non Lineari e Mitigazione delle Armoniche

In modalità off-grid, il PCS deve spesso gestire carichi non lineari elevati, che possono causare significative distorsioni di tensione. La modalità di controllo V/f è comunemente utilizzata quando il PCS funge da fonte primaria di energia per la microrete. Tuttavia, senza adeguate misure di controllo, ciò può portare a tensioni e correnti di uscita distorte, specialmente quando si utilizzano apparecchiature elettriche a base di raddrizzatori senza controllo delle armoniche. Le Figure 4 e 5 confrontano le forme d’onda della tensione di uscita di un PCS che opera con un carico non lineare senza e con metodi di soppressione delle armoniche, rispettivamente.

Switching Off-grid dei Carichi e Controllo Black Start

Il PCS deve anche gestire i carichi dinamici che si verificano durante lo switching di elementi induttivi come i reattori. La forma d’onda del carico durante queste transizioni è mostrata nella Figura 7. Inoltre, il PCS svolge un ruolo critico durante le condizioni di black start, quando la microrete deve essere riavviata senza supporto dalla rete principale. La Figura 10 illustra il processo di shedding del carico necessario per un black start di successo, mostrando le forme d’onda della tensione di uscita DC e della tensione di uscita del PCS.

Operazione Parallela Multi-macchina

Il coordinamento di più unità PCS che operano in parallelo è imprescindibile per la stabilità e l’affidabilità della microrete. La Figura 11 mostra l’operazione parallela di due unità PCS da 50 kW e una da 100 kW sotto condizioni di carico variabili. La figura illustra come la condivisione della potenza e la stabilizzazione della tensione siano gestite quando un PCS viene disconnesso e poi riconnesso. Inoltre, la Figura 12 dimostra la stabilità del sistema parallelo quando vengono introdotti carichi resistivi e motori, evidenziando l’impatto minimo sulle fluttuazioni di corrente e tensione.

Conclusione

L’operazione parallela di più Sistemi di Conversione di Potenza all’interno di un ambiente di microrete presenta varie sfide che richiedono strategie di controllo complete sia per le operazioni on-grid che off-grid. Transizioni fluide ed efficienti tra queste modalità sono fondamentali per mantenere l’integrità dell’alimentazione e minimizzare le interruzioni. La gestione efficace dei carichi non lineari, la mitigazione delle armoniche e la sincronizzazione delle unità PCS sono compiti cruciali che richiedono tecnologie avanzate e algoritmi di controllo. L’analisi sperimentale di questi sistemi, come discusso in questo articolo, fornisce preziose intuizioni sulle complessità della gestione delle microreti e sul ruolo critico del PCS nel panorama in evoluzione della nuova industria energetica.