La Power Quality nella distribuzione della energia elettrica: analisi delle problematiche e proposta di un Compensatore Statico Universale

Introduzione 
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 Negli ultimi anni si è assistito, a causa dei loro numerosi vantaggi (flessibilità,  
efficienza e prestazioni elevate), allo sviluppo ed alla diffusione di sistemi automatizzati 
e azionamenti elettrici nell’industria e di sistemi informatici e di illuminazione con 
lampade fluorescenti compatte nel settore dei servizi e delle utenze domestiche; 
purtroppo queste apparecchiature sono sensibili ai disturbi della tensione e ne sono 
causa essi stessi. Il loro vasto utilizzo in tutti i tipi di processi richiede il miglioramento 
in termini di continuità e qualità della fornitura di energia elettrica, poiché il 
malfunzionamento temporaneo di un solo elemento della catena può interrompere 
l’intera linea di produzione (si pensi alle industrie di semiconduttori, ai cementifici, al 
trattamento delle acque, alla lavorazione di materie prime, alle tipografie, alle acciaierie, 
ai petrolchimici, etc.) o l’intera fornitura di servizi (centri di elaborazione dati, banche, 
telecomunicazioni, etc.). Come conseguenza, il lavoro della International 
Electrotechnical Commission, IEC sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) ha 
portato a standard e a raccomandazioni sempre più stringenti (limiti sui livelli di 
emissione dei disturbi). 
La liberalizzazione del mercato elettrico dell’energia:  
Le regole che disciplinano il settore elettrico stanno subendo un radicale cambiamento: 
la produzione di elettricità è aperta a tutti i soggetti interessati ed è decentralizzata e tutti 
i grossi utenti possono scegliere il loro fornitore. Nel 1985 la Comunità Economica 
Europea (CEE) stabilì con la direttiva 85/374 che l’elettricità deve essere considerata un 
prodotto e che quindi è necessario definire chiaramente le sue caratteristiche essenziali; 
nel contesto della liberalizzazione del mercato dell’energia, inoltre, la ricerca di 
competitività da parte delle aziende elettriche impone la qualità come fattore 
determinante e  discriminante tra le compagnie: una garanzia di qualità è un potenziale 
criterio di scelta da parte degli utenti industriali alla ricerca di un fornitore di energia 
elettrica.
La Power Quality nella distribuzione della energia elettrica : analisi delle 
problematiche e proposta di un Compensatore Statico Universale 
 
 
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1. La Power Quality e gli standard internazionali 
1.1. La definizione di Power Quality 
Il significato che la comunità scientifica internazionale dà all'espressione Power Quality 
non è univoco, nonostante tutti concordino sulla importanza che questo aspetto della 
distribuzione della energia elettrica ha assunto ormai a partire dalla metà degli anni 
novanta. In particolare c'è disaccordo sulle tematiche che devono rientrare nella sua 
sfera di controllo e per questo alcuni studiosi usano una terminologia leggermente 
differente, come Quality of Power Supply o Voltage Quality. Ciò che tutte queste 
espressioni hanno in comune è che esse trattano della interazione tra azienda elettrica e 
cliente, vale a dire tra il sistema elettrico ed il carico; tale aspetto non è nuovo nel 
campo della ingegneria elettrica, ma solo in questi ultimi anni  è stato considerato come 
un'area  separata della materia,  sulla quale porre un'enfasi particolare.  
Mentre all'interno dell' Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) il 
termine Power Quality ha già guadagnato uno status di ufficialità attraverso la 
denominazione data all' SCC 22 (Standards Coordinating Committee):"Power Quality", 
l'organizzazione che si occupa di definire gli standard internazionali nel campo della 
ingegneria elettrica, la International Electrothecnical Commission (IEC)  non ha finora 
mai adoperato questa espressione nei suoi documenti ufficiali, preferendo continuare ad 
utilizzare il termine "Compatibilità Elettromagnetica", che ha delle forti analogie con la 
Power Quality. La definizione data nel dizionario
i
 della IEEE e che trae origine dallo 
Standard IEEE 1100
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 è : La Power Quality consiste nella alimentazione e messa a terra 
di un apparecchio sensibile, con una modalità compatibile con le operazioni svolte dall’ 
apparecchio stesso. Chiaramente tale definizione risente del tempo trascorso dal 1992 e 
della rapida evoluzione del suo significato, che porta oggi la IEEE a dare un senso più 
generale al termine, ed a considerare come parte integrante dell'argomento, proprio 
attraverso l' SCC 22, anche gli standard sull'inquinamento armonico causato dai carichi. 
La definizione di compatibilità elettromagnetica data invece dalla IEC
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 è : La 
Compatibilità Elettromagnetica è la capacità di un apparecchio o di un sistema di 
funzionare in modo soddisfacente nel suo ambiente elettromagnetico senza introdurre 
disturbi elettromagnetici intollerabili da qualsiasi cosa si trovi nell'ambiente 
elettromagnetico. Recentemente la IEC ha creato un gruppo di studio
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 che dovrebbe 
produrre inizialmente uno standard sulla misurazione della Power Quality, ed ha 
adottato, per descrivere gli obiettivi del gruppo, la seguente definizione : Insieme dei 
parametri che definiscono le proprietà della fornitura della  potenza distribuita all' 
utente in condizioni operative normali, in termini di continuità del servizio e 
caratteristiche della tensione (simmetria, frequenza, ampiezza, forma d'onda). Tale 
definizione restringe (generando confusione) l'argomento alle normali condizioni 
operative, ma ovviamente non ferma la discussione sul significato di Power 
Quality.Viene ora presentato un rapido excursus della terminologia utilizzata in varie 
Capitolo 1 : La Power Quality e gli standard internazionali 
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pubblicazioni che trattano questo argomento, sulla quale ovviamente non c'è un 
consenso generale. 
La Qualità della tensione riguarda le differenze della reale tensione distribuita rispetto 
alla tensione ideale, che è un'onda sinusoidale con ampiezza e frequenza costante. Il 
limite di tale definizione, utilizzata soprattutto in Europa, è che essa tiene conto solo 
degli aspetti tecnici della qualità ed inoltre trascura completamente la corrente. Può 
essere tuttavia interpretata come la qualità del "prodotto" distribuito da una azienda 
elettrica ai propri clienti. 
Una definizione complementare è Qualità della corrente, che riguarda le differenze che 
la corrente assorbita dall'utente ha rispetto all'onda sinusoidale di ampiezza e frequenza 
costante in fase con la tensione; è chiaramente strettamente correlata con la qualità della 
tensione, poiché è difficile che una delle due sia ideale quando l'altra non lo è. 
La Qualità della potenza è la combinazione della qualità della tensione e della qualità 
della corrente, e non ha nulla a che fare con le differenze della grandezza elettrica 
"potenza" (intesa come prodotto di tensione e corrente) rispetto ad una forma d'onda 
ideale. 
La Qualità del servizio include sia una parte tecnica che una parte "relazionale", che si 
occupa dei tempi di reazione del fornitore alle azioni intraprese dall'utente (reclami, 
richieste di contratto, richieste di preventivo, etc.). Un tale approccio è valido fintanto 
che si vuole escludere ogni coinvolgimento  del cliente nella qualità del "prodotto" 
energia. 
La Qualità del consumo è il termine duale della qualità del servizio e comprende sia la 
qualità della corrente che aspetti riguardanti il rispetto da parte dell'utente dei termini 
contrattuali. 
La Compatibilità Elettromagnetica riguarda le interazioni tra l'alimentazione e 
l'apparecchio elettrico e le interazioni mutue tra gli stessi apparecchi. Due termini sono 
di fondamentale importanza: l' emissione è l'inquinamento elettromagnetico generato da 
un dispositivo, l' immunità è la capacità del dispositivo di sopportare l'inquinamento 
elettromagnetico; la prima è correlata alla qualità della corrente, la seconda alla qualità 
della tensione. Basandosi su questi termini, la IEC sta sviluppando un numero sempre 
crescente di standard. 
1.2. L'interesse nei confronti della Power Quality 
Nonostante la Power Quality sia un'area di studio nata di recente, per decenni le aziende 
elettriche di tutto il mondo si sono dedicate al miglioramento di ciò che oggi intendiamo 
dire con questa espressione: la prima comparsa del termine su di una pubblicazione che 
riguardava uno studio della Marina Militare Americana sulle specifiche della potenza 
richiesta dagli apparecchi elettronici risale al 1968
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; a questa fecero seguito numerose 
pubblicazioni che utilizzavano il termine power quality in relazione ai sistemi elettrici 
avionici 
vi,vii,viii
. Già nel 1970 la power quality è citata come uno degli obiettivi  della 
progettazione dei sistemi elettrici industriali, insieme alla sicurezza, all'affidabilità del 
servizio e ai bassi costi iniziali ed operativi
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. Quasi contemporaneamente l'espressione 
Capitolo 1 : La Power Quality e gli standard internazionali 
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qualità della tensione fu usata nei paesi scandinavi
x
 e nella Unione Sovietica
xi
, 
soprattutto con riferimento alle variazioni lente dell'ampiezza della tensione. 
Il crescente interesse nei confronti della Power Quality è testimoniato dal numero di 
pubblicazioni nell'archivio dati dell' INSPEC che utilizzano i termini power quality e 
voltage quality: nel periodo che va dal 1969 al 1984, novantuno documenti contengono 
il primo termine e sessantaquattro il secondo, mentre nel periodo dal 1985 al 1996 i 
documenti risultano rispettivamente duemilacinquantuno e duecentodieci. Risulta 
evidente il crescente interesse nei confronti dell'argomento ed il netto "prevalere" della 
power quality sulla voltage quality, dovuto ad una serie di motivi di seguito riportati: 
1. Gli apparecchi elettrici ed elettronici di potenza sono diventati più sensibili ai 
disturbi della tensione rispetto a 10 o 20 anni fa e le aziende sono diventate più 
attente alle perdite in termini di tempo di produzione, a causa dei ridotti margini 
di profitto; anche nel mercato domestico l'elettricità è sempre più considerata un 
bene di prima necessità che deve essere sempre disponibile. La conseguenza è 
che una interruzione della fornitura di energia elettrica porta a lamentele da parte 
degli utenti anche se non ci sono danni o costi collegati ad essa. 
2. I moderni apparecchi elettronici di potenza non solo sono sensibili ai disturbi di 
tensione, ma li provocano essi stessi, a tal punto che le aziende elettriche spesso 
considerano che sia proprio questo il principale problema della power quality: 
l'incremento dei convertitori (dall'elettronica di consumo ai personal computers, 
fino agli azionamenti elettrici) ha portato ad un grande incremento dei disturbi 
della tensione, sebbene non ancora ad un livello tale da superare la soglia di 
sensibilità degli stessi apparecchi. Il principale problema è infatti la corrente non 
sinusoidale prodotta dai raddrizzatori e dagli invertitori, la quale contiene non 
solo la componente alla frequenza di rete, ma anche componenti armoniche con 
frequenze multiple della fondamentale; la distorsione della corrente porta come 
conseguenza la distorsione della tensione di alimentazione. Tale problema esiste 
da decenni, ma solo ora che il numero di carichi alimentati dai convertitori è 
aumentato incredibilmente, la distorsione della tensione comincia a diventare 
preoccupante. 
3. Finora l'utente è stato visto dall'azienda elettrica come un semplice carico da 
alimentare, e le interruzioni e gli altri disturbi della tensione come inconvenienti 
ineliminabili dell'accordo tra le due parti; l'azienda ha sempre deciso quale fosse 
il livello di qualità che le conveniva offrire e quanto l'utente doveva pagare per 
garantirsi un miglioramento della fornitura. Nell'ottica della liberalizzazione del 
mercato dell'energia, l'utente assume il ruolo di cliente e l'energia elettrica 
diventa un prodotto con determinate caratteristiche che devono essere previste, 
misurate, garantite e migliorate. La competizione obbliga le aziende elettriche a 
quantificare e migliorare la qualità del proprio prodotto, anche per ottemperare 
agli obblighi contrattuali nei confronti dei clienti. Tuttavia sorgono delle 
perplessità su chi possa essere il soggetto responsabile (dal punto di vista 
economico) del mancato rispetto di un parametro fisico contrattuale, visto che 
teoricamente sarà possibile comprare l'energia da un'azienda, la capacità di 
Capitolo 1 : La Power Quality e gli standard internazionali 
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trasporto da un'altra ed il collegamento alla rete dalla azienda elettrica locale, il 
tutto  stipulando un unico contratto tra il produttore e l'utilizzatore o tra il 
distributore e l'utilizzatore. 
4. Molte aziende elettriche vogliono fornire un buon prodotto, e contribuiscono 
quindi allo sviluppo della power quality cercando di progettare un sistema 
elettrico molto affidabile, ma ad un costo contenuto. 
5. Parte dell'interesse in fenomeni come i buchi di tensione e la distorsione 
armonica è dovuto alla già alta qualità della tensione fornita, visto che le lunghe 
interruzioni sono divenute rare nella maggior parte dei paesi industrializzati e 
l'utente ha l'impressione che l'energia elettrica sia o almeno debba essere un bene 
sempre disponibile e di alta qualità, dimenticandosi che nella fornitura esistono 
dei problemi difficilmente eliminabili. D'altra parte nei paesi in cui l'energia 
elettrica ha un elevato grado di indisponibilità la power quality non ha  la stessa 
importanza che assume nei paesi che hanno una disponibilità del 99,9%. 
6. La disponibilità di apparecchi elettronici per la misura e la visualizzazione delle 
forme d'onda ha sicuramente contribuito all'interesse nei confronti della materia, 
se si pensa che nel passato le misure si limitavano al valore efficace della 
tensione, alla frequenza ed al numero di interruzioni lunghe; parametri che oggi 
fanno parte della power quality, ma che in passato rientravano tra le operazioni 
da effettuare su di un sistema elettrico. 
In alcuni tra i più competitivi mercati dell'energia elettrica, come la Nuova Zelanda e 
l'Australia, la Power Quality è diventata un aspetto fondamentale della concorrenza tra 
aziende elettriche, rispondendo rapidamente ai cambiamenti degli scenari politici e 
legislativi in materia di energia ed è verosimile che ciò possa avvenire in tutti i Paesi in 
cui è in atto la liberalizzazione del settore. Buona parte del successo della Power 
Quality dipende dagli utenti: le multinazionali considerano la qualità e l'affidabilità 
della fornitura di energia elettrica come uno degli elementi necessari per investire in 
nuovi impianti industriali  e stipulano con le aziende elettriche locali contratti che 
includano garanzie in merito a questi aspetti, onde evitare complessi procedimenti legali 
per farsi risarcire le perdite di produzione dovute a guasti in rete. In questo nuovo 
scenario di mercato le divisioni delle aziende elettriche che si occupavano della 
risoluzione dei problemi connessi alla power quality, si stanno trasformando in società 
controllate che forniranno servizi ai clienti. Solamente negli Stati Uniti d'America i costi 
delle interruzioni della fornitura di energia  sono stimati intorno a 26 miliardi di dollari 
l'anno in perdite di produzione e più del 50% dei grossi utenti si lamenta del fatto che la 
qualità del servizio condiziona in modo significativo la loro produzione; nell'industria 
tecnologica, dove una singola interruzione può costare fino a 1 milione di dollari, si 
verificano in media 3.5 interruzioni l'anno e questa è una delle ragioni per cui il mercato 
nordamericano della Power Quality si stima supererà gli 8 miliardi di dollari nel 2004.