Simulazione del comportamento dinamico delle reti elettriche d’energia, con particolare riferimento alla stabilità della tensione

La ricerca verte sull’analisi critica dei modelli dei carichi per gli studi di stabilità della tensione. In particolare, l’attività riguarda i limiti d’applicabilità dei cosiddetti modelli di carico 'generici’ non lineari – descritti da due equazioni differenziali indipendenti del primo ordine, che riproducono rispettivamente il recupero di potenza attiva e quello di potenza reattiva in seguito ad un abbassamento del valore della tensione alle sbarre di carico – proposti in letteratura per l’impiego in codici di simulazione dinamica dei sistemi di potenza. La ricerca, condotta in collaborazione con Il Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Padova, ha dapprima evidenziato che i modelli 'generici' non lineari presi in considerazione, seppur atti a riprodurre la variazione della tensione al nodo di carico, non sono in grado di riprodurre l'instabilità della tensione a breve termine che è caratteristica dei sistemi a struttura longitudinale. Tale limitazione dei modelli ‘generici’ considerati, dovuta essenzialmente al disaccoppiamento delle equazioni che li descrivono, che prevedono un recupero indipendente di potenza attiva e reattiva [1,2], riduce la possibilità di un loro utilizzo per gli studi mediante simulazioni dinamiche della stabilità transitoria della tensione. In [3] è mostrato che un miglioramento può essere ottenuto mediante una più accurata riproduzione della caratteristica Q-V del carico (potenza reattiva assorbita e tensione d’alimentazione), mediante funzioni di tipo polinomiale. Dei modelli ‘generici’ di motori asincroni è stata effettuata un’ulteriore analisi includendoli, in seguito a sviluppo di software ‘ad hoc’, nella simulazione di sistemi di potenza complessi, aventi cioè struttura magliata (non più longitudinale) e caratterizzati da un più ampio numero di generatori, trasformatori e carichi. In tali sistemi l'instabilità è il risultato dell’interazione fra la dinamica veloce dei carichi (come è quella dei motori asincroni) con quella, più lenta, dei trasformatori dotati di variatori di rapporto sotto carico, e quella dovuta alla presenza di limitatori di corrente d’eccitazione in certi generatori. In [3,4], si è verificato che i modelli ‘generici’ consentono di riprodurre soddisfacentemente il comportamento del sistema solo quando vicini a nodi nei quali le variazioni di tensioni rimangono limitate per la presenza di trasformatori a rapporto variabile; l'azione del variatore rende infatti minime le differenze fra i diversi modelli di carico. Viceversa, in altri nodi di rete si rendono necessari modelli più fedeli. Pertanto la scelta del modello di carico più opportuno dipende non solo dalle caratteristiche del carico stesso (ad esempio dalla percentuale costituita da motori asincroni), ma anche dal particolare nodo della rete cui è connesso. In [4] è stato proposto un metodo per l’identificazione dei parametri dei summenzionati modelli 'generici' nel caso essi siano utilizzati per rappresentare l’intero carico aggregato visto dalle sbarre della rete di trasmissione, e quindi comprensivo di trasformatori con rapporto variabile sotto carico. Le simulazioni sono state eseguite impiegando il codice di calcolo “Legocad” dell’ENEL, la cui libreria dei moduli elettrici è stata ampliata implementando diversi modelli di carico e degli altri componenti necessari allo studio. La ricerca prevede la esecuzione di una serie di prove sperimentali presso una sottostazione della società Terna del Gruppo ENEL.
 

Modelli e codici di calcolo per la risoluzione di problemi di ottimizzazione tipici del mercato concorrenziale dell'energia elettrica

La ricerca riguarda lo sviluppo di un metodo per la risoluzione del problema dello "unit commitment" (UC) in un mercato libero dell'energia elettrica che consente di analizzare il ruolo di possibili offerte di riduzione di carico da parte degli acquirenti. A tale scopo è stato sviluppato un modello, tradotto in un codice di calcolo, per la risoluzione del problema applicando il rilassamento lagrangiano al vincolo di soddisfacimento del carico. Il modello ed i risultati ottenuti mediante l'applicazione del metodo a casi test sono stati pubblicati in un capitolo del volume "The next generation of unit commitment models" [5]. L'attività di ricerca prevede l’approfondimento degli algoritmi d'ottimizzazione, applicati al problema dello UC. In collaborazione con il Dipartimento d'informatica dell'Università di Pisa, grazie ad un finanziamento CNR Agenzia 2000, è stato effettuato uno studio volto a migliorare l'efficienza delle procedure basate sul rilassamento lagrangiano, oggi largamente impiegato, mediante l'utilizzo di un algoritmo "a fascio di informazioni" per la soluzione del problema duale non differenziabile, in sostituzione del più usuale metodo del subgradiente. Alcuni risultati ottenuti con l'algoritmo, applicato al caso di sistemi di produzione con numerose centrali, sono pubblicati in [7]. In [6] i risultati ottenuti per diverse tipologie di problema di UC mediante la procedura di rilassamento lagrangiano sono confrontati, in collaborazione con i ricercatori del Dipartimento di Elettronica Informatica e Sistemistica dell'Università di Bologna, con quelli ottenuti mediante un algoritmo basato sulla tecnica euristica nota in letteratura con il nome di "Tabu Search". Il confronto mostra che entrambi gli approcci consentono di risolvere il problema in modo giudicato soddisfacente. Inoltre, le diverse caratteristiche dei due approcci hanno motivato l'avvio di una attività di studio che è tesa all'implementazione di un approccio ibrido che consenta di ri-solvere i nuovi problemi di ottimizzazione tipici dei mercati competitivi dell'energia elettrica. In [8] il codice di calcolo di UC messo a punto è stato utilizzato come strumento di ausilio per la formulazione di offerte di produzione in mercato elettrico competitivo. Si è considerato sia il caso di società prive di potere di mercato sia il caso di una società che, grazie alla propria capacità produttiva rispetto a quella complessiva del sistema, è in grado, con le proprie offerte, di influenzare il prezzo di mercato dell'energia elettrica.
 

Gestione del servizio di riaccensione del sistema dopo black-out in un regime di liberalizzazione del mercato dell'energia elettrica

Lo studio delle possibilità di riaccensione dopo black-out delle centrali termoelettriche riveste un particolare interesse in vista di una modifica del "piano di riaccensione" del sistema elettrico a seguito della trasformazione del mercato dell'energia elettrica in un mercato competitivo. Quest'aspetto è l'oggetto di programma di collaborazione fra ricercatori appartenenti a tre Università italiane (Bologna, Genova e Pisa), nell'ambito di un progetto nazionale di ricerca MURST 40% su "La gestione dei servizi ausiliari di sistema in un regime di liberalizzazione del mercato dell'energia elettrica". I primi risultati di tale collaborazione sono stati riassunti nelle pubblicazioni [9,10].
 

Effetti dell’impulso elettromagnetico di origine nucleare (NEMP) sulle reti di trasmissione

La ricerca, svolta di una collaborazione internazionale tra l’Università di Bologna (Dipartimento di Ingegneria elettrica) ed il Politecnico federale di Losanna (Laboratoire de Reseaux d’énergie électrique). Essa ha come scopo la valutazione degli effetti elettromagnetici che una espolsione nucleare in alta quota ha sui sistemi elettrici di trasmissione dell’energia. Essa riguarda sia la caratterizzazione della sorgente di interferenza NEMP [11,12,14], sia lo sviluppo di modelli per descrivere l'accoppiamento campo-conduttore al fine di determinare le sovratensioni e sovracorrenti indotte nelle linee di trasmissione dell’energia elettrica. I modelli sviluppati si basano sulla teoria delle linee di trasmissione [15, 16]. Parte dell’attività è dedicata alla validazione sperimentale dei modelli proposti: essa viene svolta, tramite simulatori NEMP e modelli di rete in scala ridotta, in collaborazione con il Politecnico Federale di Losanna [17-19]. L’argomento è stato trattato anche in una tesi di dottorato [20]. I modelli proposti sono stati sviluppati sia nel dominio del tempo, sia in quello della frequenza, ed una discussione sui vantaggi derivanti dall’adozione di uno o dell’altro approccio, è riportata in [21].