La compensazione del reattivo nelle linee in cavo AT per le connessioni delle fonti rinnovabili - F. Palone, M. Rebolini
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La compensazione del reattivo nelle linee in
cavo AT per le connessioni delle fonti
rinnovabili
F. Palone, M. Rebolini
Firenze, 12 Aprile 2013
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria Stazioni
Sommario:
1. Introduzione
2. Caratteristiche delle linee in cavo AT TERNA
3. Capability reattiva degli impianti a fonti rinnovabili
4. Requisiti del codice di rete sulla potenza reattiva
5. Scelta del grado di compensazione
6. Comportamento a regime permanente
7. Comportamento in transitorio
8. Conclusioni
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria Stazioni
Introduzione
Le linee elettriche in cavo in c.a. AT sono caratterizzate da un surplus di
potenza reattiva in ogni situazione di carico, in quanto la potenza
caratteristica è sempre superiore alla potenza al limite termico.
Il costo di un elettrodotto in AT è diverse volte superiore a quello di una
linea aerea di identica portata.
Tuttavia le difficoltà autorizzative e le problematiche ambientali hanno
recentemente portato alla realizzazione di diverse linee AT di lunghezza
rilevante (>15 km) per la connessione alla RTN di impianti da fonte
rinnovabile.
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Caratteristiche delle linee in cavo AT TERNA
Il cavo standard per la rete a 132 kV e 150 kV TERNA è isolato in XLPE ed
ha un conduttore di fase in Alluminio da 1600 mm2. L’uso dello stesso tipo
di cavo per la connessione di impianti anche di taglia media consente di
tenere conto degli sviluppi futuri della rete.
Per ridurre campi magnetici e impiego di suolo
si adotta (in genere) la posa a trifoglio.
Portata 1000 A – 260 MVA
Capacità nominale 270 nF/km
Reattanza di servizio 0.11 Ω/km
Potenza reattiva generata 2.45 Mvar/km
Diametro esterno 10 cm
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Caratteristiche delle linee in cavo AT TERNA
Il surplus di potenza reattiva tende a caricare la linea in cavo, riducendo la
componente attiva di corrente che è possibile trasmettere. La
compensazione alle estremità (necessaria per il rispetto di vincoli verso la
rete), non modifica la massima potenza attiva trasmissibile.
F.M. Gatta, A. Geri, S. Lauria, M. Maccioni, “Steady-state
operating conditions of very long EHVAC cable lines”, European
Power Systems Research Volume 83, Issue 1, February 2012
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Caratteristiche delle linee in cavo AT TERNA
Su una linea omogenea, il massimo trasferimento di potenza attiva (e la
minimizzazione delle perdite) si ha quando le tensioni terminali sono tali
da garantire un profilo reattivo simmetrico, indipendentemente dalla
compensazione della linea.
Per linee ideali (senza perdite), ciò corrisponde ad imporre tensioni di
uguale ampiezza ai terminali di arrivo e partenza della linea. Per linee reali
(con perdite), le tensioni ottime sono diverse tra loro in modulo.
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Capability reattiva degli impianti a fonti rinnovabili
La capability degli impianti a fonte rinnovabile (in particolare per l’eolico) è
ridotta rispetto a quella delle centrali convenzionali, soprattutto quando
sono impiegati generatori del tipo a doppio indotto. La gestione del
surplus reattivo della linea in cavo diventa quindi un problema rilevante.
H. Guo, K. Rudion, C. Heyde, Z. A. Styczynski “Stability Studies of Offshore Wind Farms”
Fifth Internation CRIS conference on Critical Infrastructures, Bejing 2010
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Requisiti del codice di rete sulla potenza reattiva
Per l’eolico vale l’allegato A17 (Sistemi di controllo e protezione delle
centrali eoliche) :
“[…] Il fattore di potenza può essere mantenuto fisso ad un valore scelto in
accordo tra il Gestore ed il Titolare. Di norma è richiesto di garantire, sul punto di
connessione della centrale con la rete, il fattore di potenza pari a 1.”
Per il fotovoltaico vale l’allegato A68 (Impianti di produzione fotovoltaica
requisiti minimi per la connessione e l’esercizio in parallelo con la rete
AT):
“[…]L’Utente dovrà inoltre aver cura di verificare, già in fase di progettazione,
che non vi siano scambi di potenza reattiva con la rete ad impianto fermo.
Qualora non si verificasse ciò, la Centrale dovrà essere dotata di idonei apparati
di compensazione necessari a garantire uno scambio di potenza reattiva nel
punto di consegna con fattore di potenza pari a 1.”
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Scelta del grado di compensazione
Il grado di compensazione q è convenzionalmente definito come il rapporto
tra la reattanza capacitiva trasversale della linea della linea e la reattanza di
compensazione in derivazione
Il grado di compensazione deve essere scelto in modo da soddisfare i
seguenti vincoli di esercizio:
1) corrente di interruzione nominale di cavi a vuoto dell’interruttore di linea;
2) massima sovratensione all’estremo ricevente;
3) massima sovratensione all’estremo trasmittente;
4) massimo scambio di potenza reattiva con la rete;
I vincoli da 1), 2) e 3) derivano da limiti delle apparecchiature, mentre il
vincolo 4) è legato alle esigenze di esercizio della rete.
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Scelta del grado di compensazione
L’apertura di correnti capacitive è un compito impegnativo per gli
interruttori di alta tensione, per via delle tensioni di ritorno e della
possibilità di riadescamento. I valori della corrente d’interruzione
nominale di cavi a vuoto sono contenuti nella norma CEI EN 62271-100.
Per il ridurre la corrente capacitiva di apertura
sull’interruttore di linea è necessario installare
la compensazione lato linea e non lato sbarra.
Stazione Produttore
RTN
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria StazioniScelta del grado di compensazione
Le condizioni in cui va verificato il vincolo sulla corrente capacitiva sono:
a) apertura della linea a vuoto, alla tensione massima di esercizio;
b) apertura delle fasi sane della linea dopo un guasto monofase a terra.
La condizione b) è, in genere, la più stringente dato che le fasi sane sono
soggette ad una sovratensione temporanea proporzionale al fattore di
guasto a terra k1.
La massima lunghezza LMax per cui una linea in cavo può essere esercita
senza compensazione installata lato linea è stimabile come:
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria StazioniScelta del grado di compensazione
Per un dato tipo di linea, ad esempio l’unificato TERNA a 150 kV, il minimo
grado di compensazione necessario al rispetto del vincolo sulla corrente
capacitiva di apertura della linea a vuoto varia in funzione della lunghezza
e del fattore di guasto a terra (sempre inferiore a 1,4 nella RTN).
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria StazioniComportamento a regime permanente
Per una linea reale (con perdite), la condizione di sfruttamento ottimo non
coincide più con quella di tensioni di uguale ampiezza ai terminali della
linea.
La caduta di tensione resistiva deve essere compensata per garantire un
profilo reattivo della potenza reattiva. La differenza di tensione ottima
∆USR,opt è calcolabile con buona approssimazione come:
RP
U SR,opt U ( P )
UR
F.M. Gatta, A. Geri, S. Lauria, M. Maccioni, “Steady-state operating conditions of very long
EHVAC cable lines”, European Power Systems Research Volume 83, Issue 1, February 2012
Dove R è la resistenza di servizio della linea elettrica e P la potenza attiva
transitante. Per linee “corte” il problema non è molto rilevante, ma per
linee lunghe e con basso rapporto X/R (es. tripolari) il transito di potenza
attiva influenza pesantemente il profilo di tensione e potenza reattiva.
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria StazioniComportamento a regime permanente
Consideriamo a titolo di esempio una lunga linea in cavo a 230 kV in
corrente alternata (collegamento Italia – Malta, 120 km - 220 MW).
∆USR=0
∆P=60 MW
∆USR,Opt
G.M. Giannuzzi, F. Palone, M. Rebolini, J. Vassallo, R. Zaottini “The Malta-Sicily EHV-AC interconnector”, MEDPOWER 2012 Conference
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria StazioniComportamento in transitorio
L’inserimento di reattanze di compensazione in derivazione modifica
sostanzialmente il comportamento in transitorio della linea.
In particolare vanno verificati i seguenti aspetti:
a) Risonanze armoniche
b) Mancato passaggio per lo zero della corrente
c) Battimenti nella TRV
L’entità dei fenomeni in gioco deve essere confrontata con i valori di
dimensionamento del macchinario e delle apparecchiature.
Soprattutto per linee lunghe, o inserite in una porzione di rete in cui siano
già presenti cavi, vanno verificate le massime sollecitazioni cui sono
soggetti i componenti (TOV, sovratensioni di manovra, TRV ecc..).
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria StazioniComportamento in transitorio
Risonanze armoniche:
La presenza di capacità “concentrate” in un solo nodo della rete può
generare risonanze armoniche a frequenze relativamente basse.
In presenza di sorgenti armoniche, come ad esempio i reattori stessi di
compensazione e gli inverter per la connessione delle fonti rinnovabili,
può quindi portare alla presenza di correnti e tensioni armoniche
persistenti.
100
S cc
[A ]
75 f r 50 Hz
50
Qc
25
0
-25
-50
-75
-100
2,000 2,004 2,008 2,012 2,016 [s] 2,020
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria StazioniComportamento in transitorio
Mancato passaggio per lo zero della corrente:
Per elevati gradi di compensazione, all’energizzazione della linea può
verificarsi il mancato passaggio per lo zero della corrente, per via della
componente unidirezionale della corrente di inrush dei reattori.
Infatti, le componenti a 50 Hz delle correnti richiamate dalla capacità di
linea (Ic) e dal reattore (IR) tendono ad annullarsi, mentre la rimanente
componente unidirezionale I0 viene richiamata dalla rete.
1000
[A ]
750 I0
500
250 Ic
0
-250
-500
-750
IR
-1000
3,5 3,6 3,7 3,8 3,9 [Ms] 4,0
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria StazioniComportamento in transitorio
Battimenti nella TRV:
All’apertura dell’ultimo interruttore, si innescano delle oscillazioni libere nel
circuito LC della nella linea compensata. Tra i poli dell’interruttore si genera
quindi trovare una TRV caratterizzata da una frequenza di battimento fb.
Secondo la CEI 62271-100 in condizioni di apertura in discordanza di fase
“la tensione di ritorno a frequenza di esercizio deve essere uguale a 2,0/√3 volte
la tensione nominale per i sistemi con neutro direttamente a terra”.
300
[kV]
200
50 Hz 1 q
fb
100
2
0
-100
-200
-300
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 [s] 3,0
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria StazioniComportamento in transitorio
Contromisure:
Sebbene lo studio dettagliato di tali transitori richieda modelli specifici di
una certa complessità, è comunque possibile identificare dei criteri
generali per mitigare i fenomeni sopra descritti:
• Scelta di un corretto grado di compensazione
• Uso di reattori con caratteristica lineare fino al 140 ÷ 150 % di Un
• Impiego di sincronizzatori sugli interruttori di linea
• Riduzione delle armoniche di corrente emesse dagli inverter
In particolare l’impiego dei sincronizzatori sugli interruttori di linea
consente di ridurre i rischi di risonanze armoniche all’energizzazione della
linea ed evita il mancato passaggio per lo zero della corrente.
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria StazioniComportamento in transitorio
Effetto dei sincronizzatori
Senza sincronizzatori: Con sincronizzatori:
Direzione Ingegneria | Sviluppo Tecnologie – Ingegneria StazioniConclusioni
• La gestione del reattivo nelle linee in cavo AT può essere sfidante, per via
della capability reattiva ridotta delle centrali da fonti rinnovabili e dei
vincoli sulle apparecchiature, in particolare l’interruttore di linea.
• Per rispettare il vincolo sulla corrente di interruzione a vuoto della linea è
necessario installare reattori in derivazione (lato linea) già per lunghezze di
12 ÷ 15 km.
• Per mantenere un profilo ottimale di potenza reattiva è necessario variare
la tensione in partenza in modo dipendente dalla potenza attiva.
• Su linee compensate con reattori è opportuno prevedere interruttori
dotati di dispositivo di sincronizzazione
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