Analisi e modellazione di sistemi di trasmissione VSC-HVDC e delle relative logiche di controllo

La produzione di energia da fonti rinnovabili è in forte incremento data la ricerca di una maggiore sostenibilità e un minor impatto ambientale, ma ciò rende più complessa la previsione dei flussi di potenza nelle reti di trasmissione a causa dell’aleatorietà di tali fonti. Queste problematiche sono acuite in quelle zone dove, a causa della conformazione geografica o comunque dell’attuale assetto della rete di trasmissione, la connessione e magliatura con il restante sistema elettrico è bassa, e quindi i flussi di potenza di import ed export da tale zona sono limitati. Di conseguenza anche la produzione da fonti rinnovabili non programmabili è vincolata sotto certi valori al fine di garantire e rispettare i limiti di affidabilità del sistema elettrico stesso. Lo sviluppo della rete attraverso collegamenti in alta tensione in corrente continua (HVDC) aumenta la magliatura con la restante rete di trasmissione, consentendo anche una più semplice connessione delle fonti rinnovabili non programmabili al sistema elettrico locale dato che esse producono tendenzialmente energia elettrica in corrente continua. L’obbiettivo della trattazione è di analizzare e sintetizzare un sistema VSC-HVDC con tre stazioni di conversione al fine di valutare una possibile applicazione reale per lo sviluppo della rete elettrica, prendendo come esempio il sistema elettrico della Sardegna, il quale presenta le problematiche appena discusse. In questa tesi sono quindi stati sviluppati e implementati in ambiente Simulink alcuni modelli di sistemi VSC-HVDC (voltage source converter high voltage direct current) con le relative logiche di controllo. Sono stati successivamente simulati al fine di validare la trattazione teorica e per verificarne le prestazioni. I modelli elaborati assumono complessità crescente: si passa infatti dal modello del singolo convertitore, a un sistema point-to-point (due converitori) ed infine a un modello multiterminale (MTDC: multi-terminal direct current) a tre terminali che simula il collegamento tra Sardegna e Sicilia. I convertitori studiati sfruttano la tecnologia VSC, e sono simulati in ambiente di programmazione Simulink tramite il modello ai valori medi, trascurando quindi i transitori di commutazione. Al fine di definire lo scambio di energia tra la rete in continua e la rete in alternata attraverso i convertitori, vengono sviluppate a livello teorico, e successivamente implementate, le logiche di controllo in due modalità differenti con l’obbiettivo di analizzarne pregi e difetti, e di capire quale sia ottimale per l’utilizzazione in un’installazione reale. Nel controllo in “modalità tensione” le potenze scambiate, attiva e reattiva, sono gestite variando l’angolo di fase e l’intensità delle tensioni ai terminali del convertitore lato corrente alternata. Nel controllo in “modalità corrente” le potenze sono controllate tramite le correnti lato alternata del convertitore VSC. Al fine di regolare la tensione della rete in corrente continua viene realizzato un controllo di tale grandezza variando lo scambio di potenza attiva di uno dei convertitori della rete HVDC in funzione dell’errore tra l‘effettivo livello di tensione e quello di riferimento. A causa di guasti sulla rete in corrente alternata lo scambio di potenza di uno dei convertitori potrebbe subire limitazioni. Si implementa quindi anche una prima versione di controllo con statismo tra potenza attiva e tensione in corrente continua al fine di realizzare una gestione automatica di redistribuzione dei flussi di potenza stessi in caso di limitazioni in uno dei nodi. Per un’implementazione più accurata si definiscono e progettano anche i dispositivi necessari al corretto funzionamento del convertitore VSC, ovvero filtri in continua, reattori di fase e trasformatori. Tutta la trattazione fa riferimento ad alcune specifiche che Terna S.p.A., l’operatore della rete di trasmissione italiana, ha richiesto per lo sviluppo dell’impianto. Ai fini della trattazione si modella la rete in alternata collegata a ogni convertitore come una rete prevalente caratterizzata dalla potenza di cortocircuito del nodo dove è stata ipotizzata, da Terna S.p.A., l’installazione dei convertitori stessi