Progettazione di dispositivi di interfaccia per la connessione di inverter fotovoltaici grid-connected

Tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e Fotonica 
“PROGETTAZIONE DI DISPOSITIVI DI INTERFACCIA PER LA CONNESSIONE DI INVERTER FOTOVOLTAICI 
GRID -CONNECTED ” 
Tesi di Laurea Magistrale di Anno Accademico 2011/12 
Salvatore Guaiana 
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Introduzione 
 
Il presente lavoro di tesi tratta lo sviluppo e la progettazione di un nuovo Dispositivo di 
Interfaccia (DDI) per la connessione di inverter fotovoltaici Grid-Connected. 
Il progetto è stato sviluppato, assieme alle attività sperimentali, presso il laboratorio di Misure 
Elettroniche del DIEETCAM dell’Università degli Studi di Palermo, sotto la supervisione del 
Prof. Ing. Antonio Cataliotti. 
 
In Italia come all’Estero si cerca, oggi più di ieri, di contenere l’impatto ambientale mediante 
il miglioramento dell’efficienza del sistema energetico e l’introduzione di produzione di 
energia elettrica da fonti rinnovabili e in particolare, per il nostro Paese, dal fotovoltaico, in 
quanto il territorio nazionale dispone di un’ottima radiazione solare quasi tutto l’anno. 
È sempre più diffusa l’installazione di impianti fotovoltaici da parte dei privati, che, oltre ad 
essere dei semplici consumatori di energia, ma diventano dei piccoli produttori. Tutto questo 
porta quindi a una decentralizzazione della produzione dell’energia elettrica delineando un 
nuovo modello di riferimento del sistema elettrico. 
L’intera rete diventerà quindi una Smart Grid e sarà capace di operare in tempo reale in modo 
flessibile ed intelligente, così da poter tenere anche conto della presenza di altre fonti 
rinnovabili che per loro natura sono caratterizzate da produzioni aleatorie dipendenti da fattori 
ambientali e climatici. 
La realizzazione di Smart Grid richiede l’impiego di moderne tecnologie informatiche che 
possano incoraggiarne lo sviluppo e gestire le problematiche che derivano dall’installazione 
di un impianto di produzione di energia in  grado di immettere sulla rete pubblica. 
A tal proposito, esistono già degli strumenti chiamati Smart Meter, ovvero degli apparecchi di 
misura intelligenti che forniscono in tempo reale i consumi energetici negli edifici. Per quanto 
riguarda gli impianti di generazione distribuita è necessario prevedere un Sistema di 
Protezione di Interfaccia (SPI), che separi la rete pubblica dall’impianto in caso di guasto o di 
funzionamento anomalo della rete. 
La realizzazione di un Sistema di Protezione d’Interfaccia (SPI) a partire da uno smart meter e 
conforme alle prescrizioni definite dalla Norma Tecnica CEI 0-21, che stabilisce i criteri 
tecnici per la connessione degli utenti attivi e passivi alle reti di Bassa Tensione (BT) delle
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imprese distributrici di energia elettrica, è l’oggetto del presente lavoro di tesi che viene 
descritto di seguito. 
Nel primo capitolo verrà fornita una panoramica dei concetti che fanno da background al 
lavoro svolto, quali la Generazione Distribuita, gli Impianti Fotovoltaici e le Smart Grid. 
Nel secondo capitolo viene descritta nel dettaglio la Norma Tecnica CEI 0-21 e i sistemi che 
possono essere utilizzati per la comunicazione del SPI con il Distributore di energia. 
Il terzo capitolo descriverà l’infrastruttura hardware utilizzata per la progettazione e la 
realizzazione del SPI, suddivisa in una sezione metrologica e una sezione di elaborazione e 
trasmissione dati. 
Nel quarto capitolo vengono presentati gli strumenti software utilizzati per la 
programmazione (IDE e Utility) e nella programmazione (Sistema Operativo). Inoltre viene 
descritta l’architettura del firmware dell’E-meter fornito da STMicroelectronics. 
Il quinto ed ultimo capitolo descrive passo-passo la realizzazione del SPI, a partire dalle 
operazioni necessarie per rendere il firmware utilizzabile dall’IDE adottato per la 
programmazione, messo a disposizione da STMicroelectronics, fino alla effettiva 
programmazione fisica dell’hardware.
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1. Generazione Distribuita e Smart Grid 
 
 
1.1. INTRODUZIONE 
 
L’aumento dei sistemi che producono energia da fonti rinnovabili e le nuove esigenze 
degli utenti richiedono un’evoluzione delle reti e, più in generale, del sistema elettrico. 
Integrare tali sistemi (individuati anche col termine Generazione Distribuita – GD) nella rete 
elettrica è la più importante sfida nella maggior parte dei paesi dell’Unione Europea ma anche 
degli altri continenti. Solo un aumento di sistemi alternativi di produzione di energia elettrica 
può portare ad un maggior utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili disponibili sul territorio 
- altrimenti non sfruttabili - che rappresentano oggi l’unica via ragionevolmente percorribile 
verso l’obiettivo del 20-20-20 (20% di taglio delle emissioni di gas serra, 20% di 
miglioramento dell’efficienza energetica, 20% di aumento di fonti rinnovabili) [1] fissato 
dagli organismi internazionali. 
La diffusione di tali sistemi di generazione di energia elettrica nelle reti di distribuzione 
impone delle modifiche nella gestione del sistema, nonché una trasformazione dello stesso da 
rete “passiva” a rete “attiva” (Active Grid). A livello internazionale tale evoluzione viene 
identificata con il termine di Smart Grid, ossia un insieme di strutture e modalità operative 
fortemente innovative in grado di far fronte ai numerosi potenziali problemi di gestione che 
tali impianti di generazione di energia da fonti rinnovabili possono provocare [2]. 
Una possibile definizione di sistema di distribuzione attivo potrebbe essere la seguente: 
“Una rete di distribuzione è attiva se il gestore della rete controlla e/o regola la potenza 
assorbita o generata da carichi e generatori, la tensione ai nodi ed i flussi di potenza nei rami 
della rete” o, più semplicemente, può definirsi attiva una rete che non svolge la sola funzione 
passiva di alimentare gli utenti finali. 
Per poter considerare la rete attiva, non è dunque necessario che tutte le sopraccitate 
funzioni siano simultaneamente presenti, tuttavia la possibilità di modificare la potenza 
assorbita e/o generata ai nodi costituisce senza dubbio un elemento fondamentale al tal fine.
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1.2. LA GENERAZIONE DISTRIBUITA 
 
La prevista crescita dei consumi energetici e la riduzione della disponibilità di risorse, 
causano un aumento della dipendenza energetica, sia europea che nazionale; per questi motivi 
risulta indispensabile sostenere l'obiettivo di un migliore utilizzo dell'energia primaria, 
unitamente ad una maggiore attenzione agli aspetti di impatto ambientale. La necessità della 
sicurezza della fornitura elettrica e della riduzione dei gas serra trova nella crescita della GD e 
nelle tecnologie a fonte rinnovabile quelle componenti essenziali verso uno sviluppo 
sostenibile. 
Dall’analisi delle diverse definizioni della Generazione Distribuita in ambito 
internazionale, nonché dall’analisi del quadro normativo nazionale, è possibile dedurre che 
essa consiste in un nuovo modello di produzione e distribuzione di energia, che si basa 
sull’integrazione nelle reti elettriche di piccoli-medi impianti (da qualche decina/centinaio di 
kW a qualche MW) generalmente connessi alla rete di distribuzione. 
Come riportato in [3] le unità di GD sono installate principalmente per perseguire i 
seguenti obiettivi: 
 
• alimentare carichi elettrici per lo più in prossimità del sito di produzione 
dell’energia elettrica (è noto che la stragrande maggioranza delle unità di 
consumo risultano connesse alle reti di distribuzione dell’energia elettrica) molto 
frequentemente, in assetto cogenerativo per lo sfruttamento di calore utile; 
• sfruttare fonti energetiche primarie (in genere, di tipo rinnovabile) diffuse sul 
territorio e non altrimenti sfruttabili mediante i tradizionali sistemi di produzione 
di grande taglia. 
 
Spesso le unità GD sono localizzate in prossimità dell’utente finale, contribuendo così a 
ridurre la necessità d’investimenti e d’infrastrutture per aumentare la capacità di trasporto 
delle reti di trasmissione e distribuzione e consentendo nello stesso tempo la riduzione delle 
perdite di rete e dei costi di distribuzione. 
La GD può fornire un’alimentazione di maggiore affidabilità e di miglior qualità 
elettrica. La capacità di ridare potenza in tempi brevi ad una rete utente ed in futuro ad isole di
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distribuzione, potrà dare una maggiore sicurezza al sistema, riducendo i rischi e gli effetti di 
possibili blackout. 
La GD è costituita da diverse tecnologie a fonte rinnovabile, da impianti di 
cogenerazione tradizionali ed innovativi. Per l’integrazione in rete di queste tecnologie 
diventa essenziale la disponibilità di sistemi di accumulo che siano caratterizzati da un basso 
costo e da una lunga durata; servirà anche la disponibilità di nuove funzioni di controllo 
supportate da innovative tecnologie informatiche e di comunicazione. 
L’ingresso massiccio della GD nel sistema elettrico comporta la necessità di una 
maggiore flessibilità nel controllo e nella protezione della rete elettrica e pone problematiche 
nuove. La rete di distribuzione, originariamente concepita come passiva (adatta 
esclusivamente ad assorbire potenza dalle reti di livello di tensione superiore), diventa ora 
essa stessa attiva in quanto il normale flusso di potenza può essere invertito; questo implica 
un cambiamento nelle logiche di protezione e controllo della rete. 
Il livello di penetrazione della GD nelle reti è in continuo aumento e ciò pone i 
distributori di fronte a consistenti problemi di pianificazione e gestione della rete, con 
conseguente necessità di ricorrere a nuovi standard per poter superare i limiti odierni 
trasformando le reti da passive in attive. Per far fronte alla necessità di pianificare 
l’integrazione della GD nel sistema elettrico occorre trovare degli strumenti per la 
pianificazione che siano in grado di sfruttare i vantaggi, limitando i problemi tecnici associati 
alla connessione della GD nelle reti di distribuzione. 
 
 
1.3. IMPIANTI FOTOVOLTAICI 
 
L’adozione di impianti a energie rinnovabili comporta molti vantaggi; in particolare, 
con gli Impianti Fotovoltaici (FV) è possibile produrre energia elettrica e immetterla nella rete 
nazionale, effettuando una sorta di scambio-vendita col gestore del servizio con cui si stipula 
un vero e proprio contratto. 
Tale produzione, essendo collegata alla luce solare, non è costante, ma é condizionata 
dall’alternanza giorno/notte, dai cicli delle stagioni e dalla variazione delle condizioni 
meteorologiche.
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Il Sistema Fotovoltaico è un insieme di componenti meccanici, elettrici ed elettronici 
che concorrono a captare l’energia solare incidente per trasformarla appunto in energia 
elettrica. Come descritto in [4], gli elementi principali del sistema sono: 
 
• Campo Fotovoltaico, costituito da diversi moduli in celle fotovoltaiche (in silicio 
mono o policristallino) di varia potenza, collegate tra loro, montate su staffe di 
alluminio o acciaio zincato e ancorate in copertura; 
• Inverter, che riceve la corrente continua generata dal campo fotovoltaico e la 
trasforma in corrente alternata a 220 V di tensione; 
• Contatori di energia, cioè dispositivi che servono a monitorare e contabilizzare 
la quantità di energia elettrica prodotta e scambiata con la rete (GSE); 
• Quadro elettrico, con dispositivi di interscambio tra la rete FV e la rete esterna. 
 
Gli impianti fotovoltaici possono essere connessi alla rete elettrica di distribuzione (grid 
connected) o direttamente alle utenze (impianti ad isola o stand alone), tipicamente per 
assicurare la disponibilità di energia elettrica in zone isolate. Negli impianti non collegati alla 
rete elettrica, per assicurare la disponibilità di energia elettrica anche quando manca 
l’insolazione, viene installato un parco di batterie di accumulo. 
L’installazione di un generatore fotovoltaico richiede uno spazio più ampio di quello 
richiesto dai pannelli solari e la cura di non oscurarne le superfici con le ombre portate da 
elementi prossimi (camini, parabole, alberi o edifici); la produzione energetica risulterà 
massima in condizioni di cielo completamente sereno, se i pannelli hanno esposizione a sud e 
un’inclinazione compresa tra i 25°e 35°. 
I contatori servono a registrare l’energia prodotta dall’impianto e quella eventualmente 
immessa nella rete del gestore secondo i meccanismi stabiliti in conto energia; oppure 
servono a contabilizzare l’energia prelevata dalla rete quando non vi è produzione (ad es. 
durante la notte).  
L’integrazione corretta dell’impianto garantisce ulteriori vantaggi economici derivati 
dagli incentivi statali.
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Se si considera ad esempio un ipotetico impianto fotovoltaico domotico, dato che i 
dispositivi di conteggio sono forniti necessariamente dall’ente erogatore con cui il privato 
stipula il contratto di fornitura di energia elettrica, le esigenze d’integrazione dell’impianto 
fotovoltaico sono attualmente alquanto limitate e si riducono alle sole funzioni di sorveglianza 
(per rilevare eventuali anomalie di funzionamento) e di monitoraggio della sua efficienza. Un 
sistema domotico consente inoltre di memorizzare dati e tendenze dei consumi invernali della 
famiglia e, negli anni successivi, può rivelarsi utile per palesare perdite di efficienza 
dell’impianto. 
Grazie, infine, al contatore della rete elettrica esterna (i comuni contatori elettronici di 
recente introduzione), è possibile fare dei computi esatti della spesa energetica e redigere un 
bilancio di fornitura (vendita-acquisto) tra privato ed ente erogatore, verificando direttamente 
negli anni il ritorno dell’investimento sull’impianto. 
 
 
 
FIG. 1.1 – ESEMPIO DI IMPIANTO FOTOVOLTAICO GRID CONNECTED