Introduzione
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INTRODUZIONE
Il modo di produrre e trasportare l’energia elettrica é, oggi come da sempre,
caratterizzato da scelte economiche non facili determinante, tra le altre cose,
soprattutto dalla disponibilità di risorse naturali necessarie per la produzione
d’energia.
La presenza di fonti costituenti la materia prima per la produzione d’energia,
non implica necessariamente il possibile e facile sfruttamento delle stesse; ciò
dipende soprattutto dalla distanza che intercorre tra i luoghi di produzione e quelli
di consumo.
Un aspetto importante, infatti, per lo sfruttamento di tali risorse non è tanto
la possibilità di convertire l’energia, ma quella di trasportarla: si pensi, ad
esempio, al Brasile dove una gran parte delle risorse idriche stanno a nord (foresta
Amazzonica), mentre le utilizzazioni stanno a Sud-Sud-Est (Rio de Janeiro).
Le distanze, in tali casi, raggiungono valori di 1500-2000 km e quindi, nel
progettare un sistema di trasporto di energia elettrica, bisogna anche fare i conti
con quest’ampio “raggio di azione” che il sistema deve possedere.
Se si pensa che il raggio d’azione della media tensione (15-20 kV) è di circa
30 km, si capisce che le tensioni raggiunte da questo tipo di sistemi sono
dell’ordine del centinaio di kV.
I problemi di natura tecnica ed economica che sorgono quando bisogna
trasportare grandi quantità di energia elettrica fra regioni lontane, o quando il
trasporto debba avvenire necessariamente in cavo, inducono i progettisti a
prendere in considerazione la possibilità di poter trasmettere l’energia elettrica in
corrente continua.
Gli innegabili vantaggi che si riscontrano, optando per tale scelta, sono noti
ormai da decenni. L’alto livello tecnologico raggiunto nella progettazione dei
dispositivi di conversione e l’esperienza acquisita nel campo, rendono gli interi
sistemi a.c. / d.c. altamente affidabili; per questo motivo oggi i collegamenti d.c.
Introduzione
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in esercizio sono più numerosi e sempre più spesso si preferiscono ai tradizionali
sistemi a.c..
Alla base di tutto c’è, naturalmente, un discorso economico che fa pendere
la bilancia della convenienza sempre più verso l’uso di sistemi d.c., collegati alla
rete in a.c. mediante più terminali di conversione. E’ immediato accorgersi,
pensando ad un tale tipo di rete, dei vantaggi che essa può presentare: ad esempio
la presenza di una variabile manipolabile come l’angolo d’accensione dei
convertitori a tiristori o a GTO potrebbe tornare utile per una ridistribuzione dei
flussi di potenza sulla rete o per un controllo della tensione sui nodi della subrete
a.c. senza dover utilizzare compensatori statici, che hanno l’inconveniente di
tempi di risposta molto più elevati, oltre che essere molto costosi.
Nel gennaio 1987 è entrata in funzione la prima rete interconnessa
multiterminale a.c. / d.c. fra tre reti elettricamente indipendenti: Sardegna -
Corsica – Italia. Un’analoga interconnessione a tre terminali ha unito
elettricamente il Quebec, il New Hampshire e il Massachusetts.
L’alta tensione ha, quindi, tantissime altre applicazioni e di vario tipo in
dipendenza delle caratteristiche e della funzione che il sistema deve svolgere.
Alla luce di quanto detto possiamo dividere questa famiglia di sistemi in tre
tipologie:
1. Sistemi in corrente alternata o HVAC.
2. Sistemi in corrente continua o HVDC.
3. Sistemi interconnessi o HVAC/HVDC.
Quello che ci proponiamo di fare è cercare di progettare un sistema che
sfrutti i vantaggi delle tre tipologie elencate e che contemporaneamente ne
aumenti l’affidabilità.
Tratteremo il problema in modo da verificarne la fattibilità, trascurandone,
cioè, il possibile costo.
Tuttavia, verrà dato un cenno alle differenze pratiche ed economiche
esistenti tra i sistemi suddetti evidenziando le principali caratteristiche di ciascuno
di essi.
Introduzione
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Nel primo capitolo verrà discusso l’aspetto generale del problema, in un
confronto tecnico - economico tra le trasmissioni a.c. e d.c..
Nel secondo, terzo e quarto capitolo si tratteranno rispettivamente i sistemi
a.c., i sistemi di conversione e i sistemi d.c..
Nel quinto capitolo si analizzerà un particolare tipo di sistema interconnesso
ed il suo funzionamento.
Una procedura di controllo sarà l’oggetto del sesto capitolo.
Durante la trattazione verranno forniti i risultati intermedi del lavoro
globale, per condurre più linearmente l’attenzione ai risultati finali.
Il software utilizzato per le prove e le simulazioni è il MATLAB con
l’aggiunta della libreria SIMULINK per la trattazione dei sistemi dinamici.
Capitolo1
Sistemi di trasmissione A.C. e D.C.
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CAPITOLO 1
SISTEMI DI TRASMISSIONE IN CORRENTE
ALTERNATA E IN CORRENTE CONTINUA
1 . 1 Introduzione.
La produzione e la distribuzione dell’energia elettrica in corrente continua
ha preceduto quella in corrente alternata quando, ai primordi dello sviluppo degli
impianti elettrici, si trattava di distribuire nei singoli centri di consumo l’energia
prodotta localmente da centrali termiche. In seguito, l’accresciuto bisogno di
energia, la necessità di utilizzare risorse idrauliche lontane dai centri di consumo,
con il conseguente aumento delle distanze di trasmissione, ha determinato
l’utilizzo della corrente alternata.
La necessità di trasmettere potenze sempre più elevate su distanze sempre
crescenti, ha reso necessaria la costruzione di un sistema sempre più complesso di
reti di collegamento tra aree di produzione e aree di consumo.
I problemi tecnico – economici sollevati dalla creazione di questo sistema
complesso di reti, hanno riportato l’interesse nuovamente sulla trasmissione in
corrente continua anche per distanze notevoli.
A favore di quest’ultima, hanno anche contribuito inizialmente i buoni
risultati di esercizio dei convertitori a vapore di mercurio con controllo di griglia;
l’avvento di quelli a semiconduttore, ha aumentato il vantaggio dei sistemi d.c. in
particolari applicazioni.
Capitolo1
Sistemi di trasmissione A.C. e D.C.
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1 . 2 Confronto tecnico – economico tra la trasmissione
A.C. e D.C.
In una prima analisi, i confronti tra la trasmissione in corrente alternata e la
trasmissione in corrente continua hanno messo in risalto il maggior costo delle
stazioni di conversione rispetto alle stazioni di trasmissione e il minor costo delle
linee a corrente continua rispetto a quelle in corrente alternata; ciò ha portato al
risultato della convenienza economica della trasmissione in corrente continua per
distanze oltre certi limiti.
Fermo restando il suo uso universale per la trasmissione di potenza, come pure
per la generazione, distribuzione e utilizzazione, la corrente alternata presenta
delle limitazioni di carattere tecnico ed economico.
Andiamo ora ad analizzare diversi criteri di confronto fra i due tipi di
trasmissione.
Supponiamo di voler utilizzare una linea già esistente a due terne in
corrente alternata per la trasmissione in corrente continua; indichiamo con φ
l’angolo di sfasamento in ritardo tra le onde fondamentali di corrente e tensione e
supponiamo che il trasporto in c.a. avvenga con cosφ=1 .
Facciamo l’ipotesi, inoltre, che quello in continua utilizzi tre coppie di
conduttori attraversati da una corrente uguale, in modulo, a quella in alternata.
Il valore della tensione della linea d.c. rispetto a quella a.c., si ricava
imponendo le stesse condizioni di isolamento per le due linee.
Se la linea in alternata è a neutro efficacemente atterrato, il valore di
tensione massima cui l’isolamento deve resistere sarà 2.5 √2 E
ca
, dove 2.5
rappresenta il coefficiente per le sovratensioni di origine interna ed E
ca
è il valore
efficace della tensione fase- terra. Per la linea in c.c. , il coefficiente per le
sovratensioni di origine interna è molto minore ; infatti esperimenti di laboratorio
sulle linee aeree in c.c. hanno mostrato che tali valori delle sovratensioni, sono
minori di due volte la tensione di esercizio. Assumendo quindi un coefficiente pari
Capitolo1
Sistemi di trasmissione A.C. e D.C.
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a 2, la tensione di isolamento in c.c. vale 2 E
cc
, cioè due volte la tensione della
linea rispetto a terra.
Uguagliando le espressioni delle tensioni di isolamento nei due casi, si
ottiene:
ccca
EE 25.22
(1)
cioè:
cacc
EE 8.1
Per tale risultato si è assunto che la tensione continua necessaria per far
avvenire la scarica di una catena di isolatori, è uguale al valore di cresta della
tensione alternata (√2 E
ca
) che causa la scarica.
Esperimenti e prove di laboratorio hanno però dimostrato che, specie in
assenza di nebbia, la tensione di scarica in continua è inferiore al valore di cresta
in alternata, o meglio, si può porre uguale al valore efficace E
ca
della tensione di
scarica in alternata per cui si ha:
cacc
EE 25.1
La potenza trasportata dalle due linee vale pertanto, sempre a parità di
corrente:
IEIEP
cacccc
25.12323
in c.c.
IEP
caca
23 in c.a.
da cui segue che:
cacc
PP 25.1
Capitolo1
Sistemi di trasmissione A.C. e D.C.
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Pertanto, se non si tiene conto sia del costo che delle perdite nelle stazioni
terminali, tale confronto è a favore della trasmissione in corrente continua.
Anche se si effettua il confronto tra le sezioni conduttrici e le perdite per
effetto Joule di una linea in c.a. trifase e di una linea in c.c. bipolare (con cui
l’energia è trasportata a mezzo di due linee a potenziali di segno opposto), si
rendono evidenti i vantaggi della continua.
Facciamolo: indichiamo ora con P la potenza da trasmettere, con I
t
, I
c
, s
t
, s
c
,
S
t
, S
c
rispettivamente le correnti, le sezioni dei conduttori e le sezioni totali; sia
inoltre δ
e
la densità di corrente economica, cioè la densità ottimizzata per le
condizioni economiche dell’impianto da realizzare (normalmente per l’alluminio è
0.6 – 0.7 A/ mm
2
) . Si può scrivere:
tcat
t
cccc
c
e
sE
P
s
I
sE
P
s
I
1
cos3
1
2
Ι
Γ
Assunto cosφ = 1 e tenendo presente la relazione precedente, si ottiene:
ttc
sss
06.1
22
3
Poiché, nelle ipotesi fatte, ho 2 conduttori per la continua e 3 conduttori per
l’alternata (trascurando la terra), otteniamo:
tc
t
cc
SS
S
sS
707.0
3
06.122
Il confronto delle perdite per effetto Joule, P
c
e P
t
, è immediato, quando si
riflette che, a densità di corrente costante le perdite sono proporzionali ai volumi
dei conduttori; risulta quindi:
Capitolo1
Sistemi di trasmissione A.C. e D.C.
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707.0
3
2
2
2
t
c
et
ec
t
c
S
S
ls
ls
P
P
Γ Υ
Γ Υ
Le ultime due relazioni mostrano che la linea d.c. necessita di una sezione
conduttrice pari a circa il 70% rispetto a quelle in alternata trifase (anche le
perdite stanno nello stesso rapporto).
Da tali confronti viene inoltre evidenziato che nelle condizioni in cui ci
siamo posti la trasmissione in corrente continua assicura una continuità ed una
qualità di servizio migliori. Infatti l’andata fuori servizio di uno dei due conduttori
di linea d.c. conduce ad una perdita nella capacità di trasmissione del 50% a
confronto dell’andata fuori servizio dell’intera linea trifase nel caso di disservizio
permanente di una fase a terra.
Inoltre considerazioni sulla stabilità fanno ridurre in c.a., la potenza
trasmissibile all’aumentare della lunghezza della linea, a meno che non si ricorra
a dispositivi di stabilizzazioni quali condensatori in serie, reattori in shunt o
stazioni intermedie di sezionamento che, come abbiamo accennato, incidono
notevolmente sul costo di una linea a lunghissima distanza.
Nel caso della c.c. la lunghezza della linea non incide sulla stabilità del
sistema ed è per questo che è possibile estendere la linea a lunghezze elevate
senza stazioni intermedie e dispositivi di compensazione.
L’adozione di reti di trasmissione e di interconnessione in c.c. ha portato
anche al notevole vantaggio della riduzione delle potenze di guasto; infatti il
contenimento delle correnti di corto circuito nei punti di interconnessione a.c./d.c.,
è dovuto alla rapidità della regolazione elettronica dei convertitori. Questo fatto è
di grande importanza proprio perché l’impiego di tensioni sempre più elevate ha
aumentato di molto le potenze di guasto che gli interruttori devono sopportare.
Fra i più importanti vantaggi che offre la trasmissione in corrente continua
si pone la possibilità di realizzare un accoppiamento elastico, asincrono, fra due
reti indipendenti, consentendo gli scambi di potenza secondo un programma
concordato in un senso o nell'altro, lasciando al tempo stesso alle due reti la più
Capitolo1
Sistemi di trasmissione A.C. e D.C.
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ampia libertà nella regolazione della frequenza e nelle politiche economiche,
senza alcun vincolo stretto di integrazione.
Precedentemente, in sede di confronto tra i due diversi sistemi di
trasmissione, abbiamo supposto che la linea in c.a. lavorasse con un carico a
fattore di potenza unitario, mentre in realtà sarà diverso da uno.
Pertanto, il confronto favorisce ancora di più la trasmissione in c.c..
Lo skin effect in corrente continua è completamente assente e pertanto vi è
una più uniforme distribuzione della corrente nel conduttore ed una migliore
utilizzazione del materiale.
A parità di potenza trasmessa, inoltre, per i sistemi in corrente continua
occorrono soltanto due conduttori ottenendo quindi un risparmio di materiale
conduttore, nonché una riduzione delle sollecitazioni longitudinali e trasversali sui
sostegni, con conseguente riduzione nelle loro dimensioni.
Altro problema oggetto di studio, per il confronto dei due diversi sistemi di
trasmissione è stato l’effetto corona.
Infatti è stato dimostrato che a parità di condizioni, diametro, stato dei
conduttori, loro distanze reciproche e a parità di condizioni atmosferiche, le
perdite per effetto corona si manifestano alla stessa tensione di cresta sia per le
correnti alternate, che per le correnti continue.
Inoltre, l’intensità della scarica per effetto corona risulta limitata dalla carica
spaziale che si forma intorno al conduttore. Infatti, in condizioni di regime
stazionario, il gradiente di potenziale sulla superficie del conduttore, è limitato
dalla carica spaziale, al valore richiesto per produrre ioni sufficienti al
mantenimento della carica spaziale stessa.
Ricerche sul campo elettrico in questa zona hanno posto in evidenza che la
massima parte delle perdite di energia, di tipo termico, è dovuta al moto degli ioni
nella zona stessa.
In corrente alternata la maggior parte degli ioni oscilla in una stretta zona
vicino al conduttore e solo una piccola parte si essi va via da questa zona. In
corrente continua, tutto lo spazio interelettrodico è interessato da una corrente di
Capitolo1
Sistemi di trasmissione A.C. e D.C.
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ioni e perciò all’aumentare della distanza fra gli elettrodi decresce la corrente e
quindi le perdite di energia.
Per la corrente alternata le perdite di energia variano inversamente con la
radice quadrata dello spazio interelettrodico mentre in continua variano con
l’inverso del quadrato di tale distanza.
Un confronto economico fra trasmissioni con linee aeree in corrente
alternata e continua, che metta in conto anche le stazioni terminali, non è possibile
farlo in maniera del tutto generale; calcoli indicativi sono stati sviluppati per
alcuni casi, in modo da ricavare la distanza critica oltre la quale il minor costo
della linea in corrente continua supera il maggior onere per le stazioni terminali.
Si è ottenuto, per esempio, che per una potenza di trasmissione di 750
MW, i costi annuali per un impianto in corrente continua alla tensione di 600 kV,
equivalgono a quelli di un impianto a corrente alternata a 400 kV con distanze di
trasmissione di circa 700 Km. Oltre tale distanza il vantaggio economico è a
favore della corrente continua
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