Come viene controllata la qualità dell'energia in una rete intelligente?

Con l'integrazione estesa di nuove fonti di energia come l'energia solare, l'energia eolica e l'energia da biomasse nella rete di distribuzione sotto forma di generazione distribuita, microreti e piccole e medie centrali elettriche (incluse centrali di accumulo e stazioni di ricarica per veicoli elettrici), la rete intelligente in questa nuova situazione si trova ad affrontare molti nuovi problemi. La struttura di controllo della qualità dell'energia nell'architettura della rete intelligente è principalmente composta da generazione distribuita, reti di trasmissione e distribuzione, carichi elettrici, compensatori di qualità dell'energia, ecc.

Con l'integrazione estesa di nuove fonti di energia come l'energia solare, l'energia eolica e l'energia da biomasse nella rete di distribuzione sotto forma di generazione distribuita, microreti e piccole e medie centrali elettriche (inclusi impianti di accumulo energetico e stazioni di ricarica per veicoli elettrici), la smart grid nelle nuove condizioni si trova ad affrontare molteplici nuovi problemi. La struttura di controllo della qualità dell'energia nell'architettura della smart grid è composta principalmente da generazione distribuita, reti di trasmissione e distribuzione, carichi elettrici, compensatori della qualità dell'energia, ecc. Da un lato, come forza motrice centrale per l'integrazione delle nuove fonti energetiche, l'estesa integrazione di apparecchiature di conversione elettronica di potenza ha generato nuove caratteristiche e problematiche relative alla qualità dell'energia nelle reti di trasmissione e distribuzione, che richiedono urgentemente di essere affrontate. Dall'altro lato, la diversità, la non linearità e l'impatto dei carichi sul lato del consumo elettrico stanno diventando sempre più gravi, rendendo sempre più urgente il problema dell'utilizzo efficiente dell'energia elettrica. Questi nuovi problemi portano sia opportunità che sfide per la tecnologia di controllo della qualità dell'energia. Essendo il nucleo della smart grid, la microrete è un sistema complesso non lineare che integra molteplici fonti di energia. Le fonti di energia distribuite al suo interno presentano caratteristiche come intermittenza, complessità, diversità e instabilità. I nuovi problemi e le nuove caratteristiche della qualità dell'energia stanno diventando sempre più evidenti. Pertanto, uno dei problemi chiave che necessitano urgentemente di essere studiati e risolti per garantire il funzionamento sicuro e stabile della rete di distribuzione connessa alle microreti è proprio il problema della qualità dell'energia.
Classificazione dei compensatori di qualità dell'energia
La tecnologia di controllo per la compensazione della qualità dell'energia può essere suddivisa in tecnologia di controllo attivo e tecnologia di trattamento passivo. Per affrontare differenti problemi relativi alla qualità dell'energia, vengono introdotti e classificati i dispositivi di compensazione corrispondenti. La tecnologia di controllo passivo sopprime o gestisce problematiche relative alla qualità dell'energia, come armoniche, potenza reattiva e squilibrio trifase, connettendo in parallelo o in serie compensatori elettronici di potenza aggiuntivi. I dispositivi di compensazione includono principalmente filtri passivi di potenza (PPF), filtri attivi di potenza (APF), filtri ibridi attivi di potenza (HAPF), compensatori di potenza reattiva, ripristinatori dinamici di tensione (DVR) e regolatori integrati di qualità dell'energia (UPQC). Tra questi, il compensatore di qualità dell'energia basato su convertitori modulari multilivello (MMC) sta diventando un argomento di ricerca all'avanguardia e una tendenza futura nella gestione della qualità dell'energia a media e alta tensione, grazie alla sua struttura modulare a cascata a bassa tensione. La tecnologia di controllo attivo prevede che apparecchiature elettriche o fonti di potenza distribuite modifichino le loro caratteristiche di impedenza in ingresso o in uscita per svolgere una funzione bilanciata nella gestione della qualità dell'energia. La tecnologia di controllo attivo della qualità dell'energia non solo aumenta il tasso di utilizzo dell'energia, ma migliora anche la qualità complessiva del sistema elettrico senza la necessità di aggiungere ulteriori compensatori.
2. Metodi di controllo per i compensatori di qualità dell'energia
Attualmente, i compensatori di qualità dell'energia adottano prevalentemente convertitori di tipo tensione o di tipo corrente. I metodi di controllo della corrente comunemente utilizzati per i compensatori includono principalmente: controllo ad isteresi, controllo senza passi, controllo predittivo basato sul modello, controllo proporzionale-integrale (PI), controllo proporzionale-risonante (PR), controllo ripetitivo e controllo robusto non lineare. Inoltre, migliorando il controllo tradizionale della corrente, si può potenziare la prestazione di controllo del singolo modo di controllo. Ad esempio, il metodo di controllo che combina il tradizionale PI con il PI vettoriale può semplificare il processo di rilevamento delle armoniche. Il metodo di compensazione basato sulla suddivisione per frequenza armonica, rispetto al tradizionale metodo di compensazione su banda completa, migliora l'accuratezza di rilevamento e di compensazione di ciascuna armonica, ed è particolarmente adatto a vari dispositivi filtro attivi ibridi ad alta e bassa tensione.
3. Analisi e controllo della qualità dell'energia di stazioni di generazione distribuita su larga scala
Con l'aumento del tasso di penetrazione di grandi stazioni di potenza distribuite su scala come il fotovoltaico e l'energia eolica (livelli da 10 kV a 35 kV), l'interazione e l'accoppiamento delle armoniche generate dai sistemi di stazioni di potenza distribuite, composti principalmente da più inverter, con il sistema di trasmissione e distribuzione dell'energia sono diventati sempre più complessi. Le armoniche emesse dalle stazioni di potenza distribuite presentano caratteristiche di alta frequenza e ampio spettro di frequenza. La relazione tra il fattore di amplificazione della risonanza, l'ordine armonico e la distanza di trasmissione di una tipica stazione di potenza distribuita. Durante la propagazione delle armoniche nella rete di trasmissione, esse sono influenzate da fattori come la capacità distribuita nelle linee di trasmissione e la tensione armonica di fondo, causando amplificazione risonante di corrente e tensione. Esistono due soluzioni per il controllo che possono sopprimere il problema della risonanza serie-parallelo delle armoniche a banda larga nella rete di trasmissione, precisamente: modificare i parametri della rete di trasmissione ed eliminare la risonanza mediante reattori paralleli; installare dispositivi di filtro attivo ibrido ad alta tensione per ridurre il contenuto di corrente armonica immessa nella rete elettrica.