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Power System

Referent: Silvestri Andrea

L’attività svolta dal gruppo Sistemi elettrici per l’energia è incentrata sui temi tipici che caratterizzano la filiera elettrica dalla produzione all’uso finale.

In particolare, le tematiche di ricerca possono essere suddivise in 3 macroaree:
• Sistema elettrico nazionale
• Distribuzione dell’energia elettrica
• Utilizzazione dell’energia elettrica

Sistema elettrico nazionale
Relativamente alla macroarea Sistema elettrico nazionale le competenze che caratterizzano il gruppo di ricerca riguardano la modelizzazione statica e dinamica dei sistemi elettrici di grande dimensione, lo studio dell’affidabilità e della sicurezza (security) sia nell’orizzonte temporale di lungo periodo (pianificazione del sistema elettrico), sia di breve termine (dispacciamento dei gruppi di generazione), il mercato elettrico e la sua interazione con i vincoli tecnici, e la regolazione di tensione e delle produzioni di potenza reattiva da parte dei gruppi di generazione.
In particolare, l’attività di ricerca è articolata su tre temi principali:
• Modelli di mercato,
• Metodi e tecnologie per lo sfruttamento della capacità di trasporto delle reti,
• Affidabilità, sicurezza e vulnerabilità del sistema elettrico.

Modelli di mercato
L’attività di ricerca ha consentito lo sviluppo di metodologie di studio e simulazione del mercato elettrico mediante l’applicazione della teoria dei giochi. Il modelli realizzati consentono di comprendere l’impatto sui prezzi e sulle strategie adottate dagli operatori che possono avere eventuali modifiche alla normativa che regola il mercato, all’assetto delle società di generazione, all’entrata in servizio di nuovi gruppi di generazione come pure alla modifica della struttura zonale e dei relativi transiti massimi. Sempre in questo contesto, sono stati sviluppati modelli per valutare l’influenza sui prezzi e quantità dei vincoli ambientali, come quelli derivanti dal protocollo di Kyoto e dai Piani Nazionali di Allocazione delle quote di CO2.

Metodi e tecnologie per lo sfruttamento della capacità di trasporto delle reti
Il gruppo di ricerca ha sviluppato sia strumenti di calcolo per lo studio dei flussi di potenza sulla rete di trasmissione, sia modelli della rete di trasmissione costantemente aggiornati in funzione dei Piani pubblicati da Terna. I modelli di rete si prestano per analisi di sicurezza, di power flow e di corto circuito. I campi applicativi sono inerenti allo studio della dispacciabilità degli impianti di produzione connessi alla RTN come pure allo studio dell’evoluzione della struttura zonale e del calcolo, anche con metodologie statistiche, dei relativi limiti di transito tra le zone.

Affidabilità, sicurezza e vulnerabilità del sistema elettrico
Il gruppo di ricerca ha sviluppato modelli per lo studio della sicurezza statica e dinamica del sistema elettrico. I campi di interesse riguardano sia la stabilità alle grandi e piccole perturbazioni, sia la regolazione gerarchica della tensione. Le metodologie realizzate consentono di comprendere le esigenze di regolazione di una rete elettrica o di una sua porzione. I campi applicativi sono inerenti lo studio dell’impatto della produzione da fonti aleatorie e tipicamente intermittenti (per esempio quella eolica) come pure per indagare le esigenze di risorse reattive, e più in generale dei servizi ancillari, in una particolare porzione della rete. Tali studi sono finalizzati alla valutazione delle prestazioni dei gruppi di generazione sul Mercato dei Servizi di Dispacciamento (MSD).

Distribuzione dell’energia elettrica
I campi di interesse in questo settore riguardano principalmente:
• Produzione di energia elettrica su reti in media e bassa tensione,
• Dispositivi di interfaccia per sistemi di generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili e di power quality,
• Sistemi innovativi di distribuzione dell'energia elettrica.

Produzione di energia elettrica su reti in media e bassa tensione
La Generazione Diffusa (GD) è destinata a provocare una profonda revisione nella struttura del sistema elettrico odierno, in particolare nelle reti di distribuzione in media e bassa tensione, concepite per connettere utenti di tipo “passivo” (consumatori di energia) e non di tipo “attivo” (produttori di energia, consumatori con una produzione propria, cosiddetti “prosumers”). Infatti, il panorama internazionale attuale vede una condivisa difficoltà a garantire la sicurezza e l’affidabilità delle fornitura di energia a prezzi accettabili. Risulta, inoltre, sempre più rilevante il problema dell’impatto ambientale dei processi industriali volti alla conversione di altre forme di energia (le cosiddetti energie primarie) in energia elettrica. In tale contesto, la tematica della GD sta assumendo una rilevanza e un interesse crescenti, per via dei benefici, in termini di maggior sfruttamento delle fonti rinnovabili, associabili a tale nuova forma di generazione elettrica. Tuttavia, la massiccia penetrazione della GD nel sistema elettrico, in particolare nelle reti di distribuzione in media e bassa tensione (le uniche ad esserne direttamente interessate), necessita un ripensamento delle modalità di gestione di tali reti, che devono passare da “passive” ad “attive”.
Il gruppo di ricerca è attivo nella valutazione dell’impatto della GD sul sistema elettrico analizzando gli interventi che, già a breve termine, dovrebbero essere attuati sulle reti di distribuzione per consentire una maggior penetrazione della GD. Le direzioni di ricerca, in particolare, sono indirizzate sia su un orizzonte a lungo termine, verso il paradigma comunemente definito “Smart Grid”, sia su un orizzonte più immediato dove si tratteggia la necessaria evoluzione delle attuali reti di distribuzione verso modelli intermedi di reti attive in grado di cogliere fin da subito le opportunità offerte dalla GD.
Fra i principali temi di ricerca si ricordano:
• Valutazione dei vincoli di rete associati all’immissione di potenza elettrica sul sistema di distribuzione,
• Problematiche di Power Quality indotte dalla GD,
• Collaborazione allo sviluppo della normativa (sia in ambito CEI-CENELEC, sia in ambito AEEG-ERGEG) atta a regolamentare e ad eliminare le barriere alla GD,
• Sistemi di telecontrollo e coordinamento della GD,
• Studio, verifica e concettualizzazione di nuove protezioni di rete atte a consentire una concreta penetrazione della GD.

Dispositivi di interfaccia per sistemi di generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili e di power quality
La generazione da fonte rinnovabile è uno dei principali responsabili dell’evoluzione del sistema elettrico; in particolare, le reti di distribuzione in bassa e media tensione si stanno trasformando da “passive” ad “attive” anche grazie agli incentivi predisposti dai vari enti responsabili.
Il gruppo di ricerca è attivo nello studio delle logiche di controllo di dispositivi elettronici di interfaccia dei sistemi di generazione di energia elettrica verso la rete, in particolare per i sistemi di produzione fotovoltaici.
Un ulteriore aspetto oggetto di studio è associato all’incremento del livello di qualità in presenza di generazione distribuita mediante l’impiego dell’elettronica di potenza. Sono indagate soluzioni innovative sviluppando, realizzando e sperimentando in campo dispositivi elettronici distribuiti che permettano di ottenere miglioramenti significativi del livello di qualità della rete elettrica di distribuzione. L’attività di ricerca si avvale del laboratorio sperimentate di Illuminotecnica e Power Quality.

Sistemi innovativi di distribuzione dell'energia elettrica
Nel settore della distribuzione dell'energia elettrica, il gruppo di ricerca è attivo anche sullo studio di tecnologie innovative, analizzando le prospettive di una distribuzione in corrente continua con GD anche in presenza di sistemi di accumulo. Vengono studiati i principali vantaggi e criticità nella diversa gestione del sistema, in particolar modo analizzando il convertitore ca/cc e i relativi sistemi di protezione. Le diverse attività in corso sono focalizzate sul controllo dell'intero sistema e sulla gestione dei transitori di passaggio da un funzionamento grid connected ad uno stand alone. L'analisi di nuove soluzioni impiantistiche ha quindi spinto allo studio delle strategie di controllo e dimensionamento dei componenti elettronici dei convertitori connessi a valle del sistema di generazione che possono anche svolgere la funzione di inseguimento MPPT, nel caso ad esempio di sistemi di generazione fotovoltaica.
Un problema molto sentito è inoltre quello relativo alla sicurezza elettrica (safety), per il quale vengono studiati i comportamenti dei diversi tipi di distribuzione TT, TN e IT in presenza di forme d'onda non canoniche che nascono ad esempio per effetto della commutazione dei convertitori di potenza (es. azionamenti, UPS, interfacce per la GD, ecc…).

Utilizzazione dell’energia elettrica
In questo settore, l’attività di ricerca è dedicata alla gestione dei carichi elettrici, intesa come studio e sperimentazione sul campo, attraverso analisi statistiche del consumo aggregato, di strategie per il controllo del carico al fine di migliorare il livello di sicurezza della rete elettrica di distribuzione, nonché la qualità della tensione di alimentazione delle utenze finali. Un ulteriore aspetto trattato è relativo alla razionalizzazione degli usi finali dell'energia e delle tecniche di risparmio energetico. Vengono analizzate in relazione al risparmio energetico le moderne tecnologie negli impianti di illuminazione, come i LED, produzione di calore e raffrescamento, nonché l'impiego di sistemi di accumulo innovativi, come i supercondensatori DLC che sono già stati catatterizzati con nuove procedure di identificazione dei parametri.
Attraverso lo svolgimento di campagne di misura per il monitoraggio dei diversi carichi elettrici in funzione del tipo di assorbimento, vengono proposte diverse soluzioni per il miglioramento della qualità dell'energia, realizzando prototipi di dispositivi elettronici innovativi di power quality e custom power. In particolare gli studi hanno lo scopo di definire prestazioni e taglie, realizzare l'apparecchio finale e valutarne i costi. In quest'ambito l'analisi di particolari usi finali dell'energia elettrica, come i sistemi magnetici di ancoraggio, le macchine radiologiche e i forni ad arco, rappresentano sicuramente un importante punto di partenza per l'esame delle caratteristiche della rete elettrica a cui viene collegato il carico, delle condizioni da rispettare per il suo allacciamento e delle modalità di rifasamento con particolare riferimento all’applicazione dei dispositivi statici (rifasamento rapido).
Un ulteriore aspetto riguarda i modelli di previsione di consumi e tariffe. In quest'ambito le politiche di agevolazione dell'uso di fonti rinnovabili impongono di comprendere se e quanto un impianto di produzione sia un investimento conveniente e quali possano essere i fattori che ne limitano la produttività. L'analisi economica sulla generazione fotovoltaica viene svolta anche in collaborazione con il Laboratorio Energia Ambiente di Piacenza (LEAP).

People:Address:
Dipartimento di Energia
Sezione di Ingegneria Elettrica
Grande Capannone
Via La Masa, 34
20156 Milano
Italy

Contact:
Sig.ra Rita Cesari
E-mail: rita.cesari@polimi.it
Tel: 02 2399 8506
Fax: 02 2399 8566