Le complessità del carico di commutazione off-grid e del controllo del black start

Introduzione agli Esperimenti sulle Funzioni Importanti dei PCS

I Sistemi di Conversione di Potenza (PCS) svolgono un ruolo cruciale nell'industria delle nuove energie, specialmente in scenari in cui l'integrazione di fonti di energia rinnovabile è sempre più diffusa. Sono fondamentali nella gestione della transizione tra funzionamento connesso alla rete e funzionamento isolato, garantendo che l'approvvigionamento energetico rimanga costante e affidabile, anche durante disturbi della rete. Questo articolo approfondirà le sfumature del controllo di commutazione on-grid e off-grid, la gestione dei carichi non lineari, l'eliminazione delle armoniche e il controllo di black start.

Controllo di Commutazione On-Grid e Off-Grid

Commutazione Attiva Off-Grid

La commutazione attiva off-grid è una funzione critica dei PCS moderni che consente una transizione senza interruzioni dalla modalità connessa alla rete a quella isolata. In caso di guasto della rete, il sistema di accumulo energetico all’interno del PCS deve identificare rapidamente il guasto e passare alla modalità off-grid. Il tempo di commutazione è un fattore vitale, poiché deve essere sufficientemente breve per minimizzare qualsiasi interruzione nell’alimentazione e nel carico all’interno del sistema elettrico.

Per ottenere una transizione fluida e senza impatti, viene impiegata una combinazione di metodi di rilevamento della frequenza e dell’ampiezza. Questi metodi permettono una rilevazione completa e rapida dei guasti della rete elettrica. Il processo di transizione è spesso illustrato da forme d’onda che mostrano la tensione di fase e la corrente prima e dopo la commutazione, come rappresentato nella Figura 1.

Commutazione Passiva Off-Grid

Al contrario, la commutazione passiva off-grid prevede una strategia di controllo che consente una transizione senza interventi attivi. Il PCS, mentre è in stato connesso alla rete, monitora costantemente la tensione nel punto di connessione alla rete (Vm). Se la tensione in questo punto scende o sale oltre una soglia predeterminata per N campionamenti consecutivi, si deduce che la rete principale si è disconnessa dal microrete o si è verificato un guasto. Al rilevamento, il PCS passa automaticamente alla modalità di controllo off-grid e aziona il contatto di apertura per isolare l’interruttore della rete principale, realizzando così la commutazione passiva off-grid. La forma d’onda di questo processo è rappresentata nella Figura 2.

Controllo di Commutazione Sincrona On-Grid

Sincronizzazione Passiva

La sincronizzazione passiva per la commutazione on-grid utilizza un dispositivo di protezione per gestire la connessione. Il convertitore di accumulo energetico deve passare dalla modalità off-grid a quella connessa alla rete, passando da un controllo di tensione/frequenza a un controllo a potenza costante. Prima della riconnessione, il convertitore deve sincronizzare la tensione di uscita con quella della rete in termini di ampiezza, frequenza e fase tramite un controllo di inseguimento con loop a blocco di fase (PLL). Se la sincronizzazione non viene raggiunta, una grande differenza di tensione al momento della riconnessione potrebbe causare correnti di spunto eccessive, mettendo a rischio la sicurezza del convertitore. Questo processo di commutazione è mostrato nella Figura 3.

Sincronizzazione Automatica

Il controllo di sincronizzazione automatica on-grid elimina la necessità di un dispositivo di protezione di sincronizzazione separato. Invece, il PCS determina autonomamente il punto di sincronizzazione. Quando riceve un comando di sincronizzazione dal sistema di monitoraggio, il PCS avvia l’inseguimento della fase di rete. Una volta raggiunto l’allineamento di fase, viene emesso il comando di chiusura on-grid e l’interruttore di circuito corrispondente viene chiuso, completando così la sincronizzazione automatica con la rete, come illustrato nella Figura 4.

Funzionamento Off-Grid con Carico Non Lineare e Eliminazione delle Armoniche

Quando il PCS opera in modalità off-grid con un carico non lineare significativo e funge da fonte principale di energia per un microrete, un semplice controllo V/f può causare una distorsione significativa della tensione di uscita, come mostrato nella Figura 5. Senza il controllo delle apparecchiature elettriche del raddrizzatore, la forma d’onda di tensione e corrente in uscita dal PCS può diventare fortemente distorta, rendendo necessario l’uso di metodi di soppressione delle armoniche per mantenere la qualità dell’energia, come dimostrato nella Figura 6.

Carico di Commutazione Off-Grid

I carichi di commutazione, come i reattori, possono presentare sfide durante il funzionamento off-grid. La Figura 7 mostra la forma d’onda del carico di un reattore di commutazione in condizioni off-grid, evidenziando la necessità di una gestione attenta di tali carichi per garantire un funzionamento stabile.

Controllo Black Start Off-Grid

Il controllo black start è un processo che consente a un sistema elettrico di riprendersi da un arresto totale o parziale senza fare affidamento sulla rete di trasmissione elettrica esterna. In scenari off-grid, il PCS svolge un ruolo critico nelle operazioni di black start. La Figura 10 illustra il processo di scollegamento del carico, con un motore da 7,5 kW e una resistenza da 20 kW che vengono disconnessi per facilitare il recupero del sistema elettrico.

Test in Parallelo Multi-Macchina

Testare il funzionamento parallelo di più unità PCS è essenziale per valutare la loro risposta collettiva ai cambiamenti di carico e la loro capacità di condividere i carichi in modo efficiente. La Figura 11 mostra uno scenario in cui due unità PCS da 50 kW e una da 100 kW operano in parallelo con un carico RLC regolabile da 36 kW. La distribuzione della potenza e le condizioni operative sono monitorate per garantire prestazioni stabili quando le unità vengono scollegate e ricollegate.

La Figura 11 mostra le forme d’onda di corrente e tensione per le stazioni A, B e C mentre un PCS viene scollegato e poi reintegrato nell’operazione parallela, evidenziando le capacità di bilanciamento adattativo del carico del sistema.

La Figura 12 rappresenta una situazione in cui tre unità PCS funzionano in parallelo con un carico resistivo e viene introdotto un carico motore. La corrente di impatto è minima e la fluttuazione di tensione è bassa, dimostrando che le unità PCS possono raggiungere un equilibrio di potenza e un funzionamento fluido anche di fronte a carichi d’impatto.

Conclusione

La capacità di passare senza soluzione di continuità tra funzionamento on-grid e off-grid è fondamentale per l’affidabilità e l’efficienza dei sistemi elettrici moderni, in particolare quelli che incorporano fonti di energia rinnovabile. La tecnologia PCS si è evoluta per gestire queste transizioni con un impatto minimo sull’alimentazione e sul carico. Le capacità di black start e la gestione dei carichi non lineari sono anch’esse parte integrante della stabilità delle operazioni off-grid. Attraverso una progettazione e test accurati, come i test paralleli multi-macchina, i PCS possono fornire soluzioni robuste per l’industria delle nuove energie, garantendo che l’energia rimanga stabile e affidabile, indipendentemente dalle sfide presentate dal panorama energetico in continua evoluzione.