Sviluppo di un controllore per piccoli generatori idroelettrici connessi a rete in isola

Lo scopo di questo lavoro consiste nello studio delle possibili strategie tecniche per il funzionamento in rete isolata dell’innovativa turbina idroelettrica denominata “VLH”. Per raggiungere questo obiettivo, si è strutturato il lavoro secondo le seguenti tappe: - studio approfondito dell’innovativa turbina idroelettrica Very Low Head (VLH), progettata da MJ2 Technologies per uno sfruttamento efficiente e remunerativo di siti a bassissimo salto, e analisi dell’impianto di produzione nel suo insieme; - valutazione di nuovi scenari applicativi del suddetto sistema di generazione, con particolare attenzione alla possibilità di funzionamento in isola; - sviluppo di un sistema di controllo opportuno che permetta all’impianto di alimentare una piccola rete composta da carichi passivi e/o piccoli generatori distribuiti di potenza complessiva minore di quella della VLH. Questa tesi è stata sviluppata nell’ambito di uno stage svolto presso l’azienda S.T.E. Energy S.p.A. di Padova, da anni operante nel settore dell’energia da fonti rinnovabili e degli impianti tecnologici. Nei paesi sviluppati la maggior parte dei siti idonei ad un’istallazione idroelettrica ad elevata densità energetica sono già stati sfruttati. Rimane tuttavia un buon margine di sviluppo, legato soprattutto alle potenzialità dei siti a basso e bassissimo salto (1.4-3.2m), in passato trascurati a causa dell’elevato costo delle tecnologie disponibili che rendeva gli investimenti non profittevoli. La turbina VLH è stata progettata proprio per sfruttare in modo remunerativo questi siti, abbattendo i costi dell’impianto senza rinunciare ad un’elevata efficienza. Uno degli interessi futuri è quello di consentire l’integrazione della VLH nell’ambito di sistemi di generazione autonomi (o comunque non collegati alla rete interconnessa). Questo tipo di applicazione aprirebbe le porte a mercati ove la rete nazionale sia debole o assente. In questo progetto vengono coinvolti diversi ambiti ingegneristici: - idraulico: studio dei fenomeni idraulici che coinvolgono il canale di derivazione e la turbina; - meccanico: analisi della struttura e dei limiti di funzionamento della turbina; - elettrico: studio del generatore a magneti permanenti, del convertitore di frequenza e dei quadri; - automazione: comprensione delle logiche di controllo che coinvolgono il convertitore di frequenza, il PLC ed i controllori PID. Il lavoro è iniziato con l’analisi di tutte le parti componenti l’impianto, evidenziandone potenzialità e limiti di funzionamento. Si sono successivamente studiate le problematiche relative alla gestione di un sistema in isola o in presenza di rete “debole”, con o senza generatori distribuiti di potenza paragonabile a quella della VLH. È emerso che le attuali limitazioni applicative sono principalmente legate alla logica di controllo del convertitore di frequenza che accoppia il generatore alla rete. L’impianto, nel suo assetto odierno, può funzionare solo se connesso ad una rete “forte”, dove cioè tensione e frequenza sono imposte e dove la potenza prodotta dalla VLH viene sempre bilanciata da quella assorbita dalla rete. Si è dunque passati allo studio di un controllore che consenta alla VLH di alimentare un’isola di carichi passivi o piccoli generatori distribuiti di potenza complessiva molto minore di quella della VLH. Questo tipo di applicazione apre le porte allo sviluppo di scenari più complessi. La progettazione del sistema di controllo è stata vincolata a due requisiti di base: - l’impianto deve essere in grado di rispondere effettivamente ai cambiamenti del sistema senza ricevere dati dai carichi o da altri generatori. Questo approccio viene comunemente detto Generator-Based Control; - devono essere apportate minori modifiche possibili al sistema attuale. Questo perché la VLH compete nel mercato soprattutto grazie ai costi contenuti e alla standardizzazione del prodotto. Infine si è costruito un modello in Matlab/Simulink dell’intero impianto di produzione e si sono valutate le prestazioni del controllore proposto. Sulla base risultati ottenuti, è possibile affermare che, apportando minime modifiche al sistema attuale, l’impianto VLH può operare connesso ad una rete in isola composta di carichi passivi e piccoli generatori distribuiti di potenza complessiva molto minore della VLH. Si aprono inoltre buone prospettive relative allo sviluppo di scenari più complessi