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Bignucolo, Fabio (2009) Il controllo delle reti attive di distribuzione. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

Within the energy landscape, both in the national and international context, a drastic revolution in the electrical power system management strategy is in progress. The ongoing trend leads to a gradual decentralization of energy production, which tends to be allocated close to the load in medium or small scale plants connected to Medium Voltage (MV) and Low Voltage (LV) distribution networks.
In this perspective, the Distributed Generation (DG) is one of the emerging technologies, presenting significant benefits in particular related to the ability to exploit locally available energy resources like renewables or cogeneration.
However, an increased penetration of DG plants in present distribution networks introduces some unavoidable implications in the way the networks are nowadays operated. The current connection and management methods, in fact, may induce heavy restrictions on the generable power or significant investments finalized to a complete modernization of the network.
Increasing the DG penetration level, distributors necessary need to adopt new techniques for an appropriate control and regulation of the distribution systems, in order to maximize the DG penetration and simultaneously ensure adequate standards in terms of reliability, safety and quality of supply. The distribution networks, initially thought and now performed for a purely passive use, will be gradually translated into intelligent (smart), reliable, sustainable and economic systems.
New operational strategies based on an active management of distribution networks are called to face and solve some structural problems induced by local generators, for example the voltage monitoring and regulation at each node both through set point references and price signals, the network and users controllability in normal, emergency and fault conditions and the protection effectiveness in presence of bidirectional power flow. In this context, new procedures and algorithms able to achieve these objectives, maximizing the system benefits introduced by DG plant connection and minimizing the problems resulting from the randomness of the active and passive users behavior, have been developed.
Since the achievement of a proper monitoring of the network operational state will probably be a distributor cost, innovative tools to ensure a greater level of accuracy in the estimation of parameters associated with different plants on the system are required. Two solutions are developed to be used in alternative or integrated way, basing on load modeling, discrete communications from remote generation units and on-line voltage measurements optimally allocated into the field.
At the same time, two strategies for the management of active distribution networks have been developed. The first, applicable in a short-term prospect, is based on a set point remote regulation activated on DGs in order to maximize their active power injections and at the same time to optimize the voltage regulation and the local compensation of reactive exchanges, aiming to achieve a global reduction of distribution losses. The latter, focused on a medium-long perspective, is based on a transparent computation of a price signal in a local active and reactive energy market, aimed to obtain a technical and economic optimization of the behaviors of active and passive price sensitive users. Island operation and economic evaluations of network reinforcement and regulation costs are obtainable implementing the developed tools.

Abstract (italiano)

All’interno del panorama energetico nazionale e internazionale è in corso un graduale mutamento della strategia di gestione del sistema elettrico. La tendenza avviata conduce ad una progressiva decentralizzazione della produzione, che tende ad essere allocata in impianti di taglia medio-piccola posti in prossimità dei carichi e allacciati alle reti di distribuzione in Media Tensione (MT) e Bassa Tensione (BT).
In questo contesto, la Generazione Distribuita (GD) è una delle realtà impiantistiche emergenti, in quanto prospetta notevoli vantaggi e possibilità, legati in particolare alla capacità di sfruttamento di risorse sparse sul territorio, sia di tipo rinnovabile che a fonte tradizionale (a limitato impatto ambientale), per lo più realizzate in assetto cogenerativo.
Tuttavia, l’aumento della penetrazione di GD nelle attuali reti di distribuzione introduce alcune inevitabili implicazioni nelle modalità di esercizio delle reti stesse. L’attuale criterio di allacciamento e gestione, infatti, comporterebbe necessariamente pesanti limitazioni alla potenza iniettabile oppure ingenti investimenti per un completo ammodernamento della rete.
Si rende dunque necessaria l’adozione di nuove tecniche di controllo e gestione della rete di distribuzione finalizzate a massimizzare la penetrazione di GD garantendo contestualmente standard adeguati in termini di affidabilità, sicurezza e qualità del servizio di connessione e di fornitura dell’energia elettrica. La rete di distribuzione, inizialmente pensata e attualmente esercita per un esercizio puramente passivo, dovrà quindi trasformarsi gradualmente in un sistema intelligente (smart), affidabile, sostenibile ed economico.
Le principali problematiche che si riscontrano nella realizzazione di una gestione attiva della rete di distribuzione in presenza di GD sono rappresentate dalla necessità di controllare la tensione ad ogni nodo, di verificare il funzionamento degli impianti di rete e di utenza, di adottare nuove modalità di protezione operanti anche in presenza di bidirezionalità nei flussi di potenza e nei contributi alle correnti di guasto e infine di monitorare gli impianti connessi al sistema di distribuzione, in particolar modo le unità GD. Per raggiungere tali obiettivi sono necessarie strategie di monitoraggio e gestione delle risorse distribuite, al fine di massimizzare i benefici al sistema introdotti dall’allacciamento di impianti GD e allo stesso tempo minimizzare le problematiche conseguenti alla aleatorietà del comportamento delle utenza attive e passive connesse.
Poiché il corretto monitoraggio delle condizioni operative della rete sarà probabilmente onere del distributore, tale soggetto dovrà adottare strumenti in grado di garantire un maggiore livello di accuratezza nella stima dei parametri fondamentali associati ai diversi impianti del sistema. Sono proposte due soluzioni, sviluppabili in modo alternativo o integrato, basate sull’utilizzo di tecniche di modellazione del carico, di comunicazioni discrete da parte delle unità di produzione e di misurazioni on-line ottimamente allocate provenienti dal campo. Al contempo, sono state sviluppate due strategie per la supervisione e la gestione delle reti: la prima, applicabile sul medio-breve periodo, si basa sull’invio di set-point agli impianti al fine di massimizzare la produzione iniettabile in rete e ottimizzare al contempo la regolazione della tensione e la compensazione locale degli scambi reattivi; la seconda, incentrata in un’ottica di medio-lungo periodo, basata sull’ottimizzazione del comportamento delle utenze attive e passive che vengono rese sensibili ad un segnale di prezzo nodale a mezzo di meccanismi di mercato locale, con la possibilità di esercire e auto sostenere in isola porzioni del sistema di distribuzione.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Caldon, Roberto
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 21 > Scuole per il 21simo ciclo > INGEGNERIA INDUSTRIALE > INGEGNERIA ELETTROTECNICA
Data di deposito della tesi:23 Gennaio 2009
Anno di Pubblicazione:31 Gennaio 2009
Parole chiave (italiano / inglese):generazione distribuita controllo tensione spot pricing
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/33 Sistemi elettrici per l'energia
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Codice ID:1387
Depositato il:23 Gen 2009
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Bibliografia

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