Reti a generazione distribuita ''iniezione DC''

- Effetti nocivi sulle perdite e sulla saturazione del materiale ferromagnetico sul 
trasformatore di distribuzione ed introduzione del trasformatore di isolamento, 
solitamente utilizzato per creare isolamento galvanico tra generatore e rete e 
per eliminare le componenti continue di corrente; 
- Una possibile soluzione per la riduzione della componente d.c. causata dai 
sensori di corrente  presenti negli inverter transformerless, con la funzione di 
controllo della corrente in uscita. Il d.c.-offset può essere eliminato attraverso 
un’analisi della corrente sul dc-link del convertitore di potenza. 
    
 
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Capitolo 1 
SISTEMA A GENERAZIONE DISTRIBUITA E 
INIEZIONE DI CORRENTE CONTINUA 
 
1.1 LA “DISTRIBUTED GENERATION” 
 
 
 
Figura 1.1 Principale flusso di potenza nei tradizionali sistemi di generazione, trasmissione e 
distribuzione  
 
 
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Nel corso degli ultimi anni è andata via via aumentando la richiesta di energia 
elettrica, diretta conseguenza del crescente ed inarrestabile sviluppo tecnologico, 
scientifico ed industriale. Per questo motivo presenta una rilevanza sempre maggiore 
la ricerca di nuove fonti di energia e la loro gestione al fine di garantire il benessere 
di ogni comunità. 
Vi sono però due principali problematiche che vanno tenute sempre in grande 
considerazione: l’inquinamento delle fonti di energia rinnovabili e dell’ambiente 
dalle scorie derivanti dai metodi di produzione convenzionali. Per questo motivo è 
necessario ottimizzare le risorse di energia messe a nostra disposizione sviluppando e 
utilizzando innovative tecniche. 
Le principali caratteristiche di queste fonti sono, come detto in precedenza, la 
rinnovabilità ed un ridotto effetto di contaminazione ambientale. L’energia 
fotovoltaica ed eolica fanno parte di questa categoria ed il loro utilizzo è 
notevolmente aumentato nel settore industriale durante gli ultimi decenni, avendo 
sempre un maggiore impatto sulla rete di distribuzione e fornendo ad essa la potenza 
necessaria per soddisfare le crescenti richieste degli utilizzatori elettrici: nasce la 
generazione distribuita (DG o DER, distributed energy resource). 
Con l’avvento di un numero sempre crescente di sistemi di produzione indipendenti, 
anche l’elettronica di potenza ad essi connessa, si è sviluppata su larga scala. La 
figura 1.1 mostra in linea di principio l’andamento del flusso di potenza che connette 
tra loro i componenti dedicati alla generazione, trasmissione e distribuzione, i quali 
danno luogo ad un sistema elettrico di potenza. 
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Oggi questo sistema è costituito da un certo numero di centrali di produzione, dalla 
trasmissione e distribuzione in corrente alternata (T&D, trasmission and distribution) 
con valore di frequenza standardizzato a 50 o 60 Hz a seconda del paese preso in 
considerazione (50 Hz per l’Europa, 60 Hz per gli Stati Uniti), componenti 
elettromagnetici ed elementi di elettronica di potenza necessari per la conversione 
dell’ energia. 
 
1.2 L’INIEZIONE DI CORRENTE CONTINUA 
 
La generazione distribuita introduce reti di nuove forme e dimensioni con un numero 
crescente di generatori a cui vanno aggiunti i relativi dispositivi di elettronica di 
potenza necessari per l’interconnessione al sistema elettrico globale, specialmente per 
livelli di tensione medio-bassi. 
La figura 1.2 mostra le varie forme, gli elementi e le nuove modalità di  
funzionamento. 
 
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Figura 1.2 Tradizionali linee di trasmissione per il flusso di potenza e dei dati in un sistema a 
generazione distribuita  
 
La maggior parte del flusso di potenza sarà dato dal tradizionale concetto di rete di 
trasmissione e distribuzione in presenza di grandi centrali idroelettriche e termiche. 
Vi sono anche generatori incorporati in alcuni edifici in cui vi è una generazione 
propria di potenza, solitamente ottenuta con combustibili fossili (petrolio, diesel e 
derivati), oppure da fonti rinnovabili di energia come l’eolico o il fotovoltaico. 
La maggiore risorsa nella generazione di potenza elettrica resta senza dubbio la 
centrale termoelettrica, basata al giorno d’oggi su macchinari elettromeccanici a 
velocità costante e da dispositivi provenienti dall’elettronica di potenza che mediante 
l’utilizzo di componenti quali diodi, tiristori, GTO e più recentemente IGBT, 
effettuano il controllo di della corrente. Oggi, in tutto il mondo, circa i due terzi della 
produzione elettrica si basa sull’utilizzo di combustibili fossili. Anche il gas è una 
fonte di energia in via di sviluppo su larga scala. Esso è utilizzato per l’industria, i 
trasporti, il riscaldamento e presenta una posizione privilegiata in materia di 
infrastrutture ed un grande potenziale per un futuro ampliamento del suo 
sfruttamento, nella produzione combinata di energia elettrica e di calore, con la 
possibilità di generare per la rete di distribuzione migliaia di kilowatt. 
È ovvio che la generazione di energia su larga scala, con sistemi di produzione 
distribuiti come le nuove fonti rinnovabili, necessiteranno di nuovi sistemi di 
trasmissione della potenza che evitino pesanti costi e stress ambientali dovuti ai 
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componenti chimici di immagazzinazione  dell’energia. A differenza di questi ultimi, 
il gas possiede un proprio sistema di trasmissione e distribuzione, che consente una 
iniziale riduzione di costi rispetto alle fonti di energia rinnovabile. Oltre a ciò il gas è 
una fonte semplice ed efficiente che può essere accumulata e distribuita alle varie 
unità di generazione (generatori propri) in quanto è un combustibile utilizzato anche 
per il riscaldamento di abitazioni ed infrastrutture. 
Sarà quindi necessario, negli anni futuri, uno studio approfondito per combinare tra 
loro le conoscenze in materia di produzione, trasmissione, distribuzione ed 
utilizzazione dell’energia elettrica per ottenere il massimo dei benefici dalla 
combinazione tra risorse rinnovabili e sviluppo tecnologico, al fine di migliorare il 
sistema elettrico mondiale. 
Per quanto riguarda i convertitori elettronici di potenza (PE power electronics) come 
inverter e cicloconvertitori, si prevede che essi iniettino sulla rete di distribuzione una 
corrente alternata alla frequenza standard, ma purtroppo la loro non idealità causa 
l’immissione contemporanea di una componente continua di corrente, la quale 
rappresenta uno dei principali problemi per le compagnie di distribuzione elettrica 
nazionali e per i gruppi di ricerca a livello mondiale, che hanno il compito di 
regolamentare tale aspetto. 
Questo fenomeno è chiamato “DC INJECTION” e descrive l’atto di forzare una 
corrente continua sulla rete tradizionale in corrente alternata, in modo tale da 
introdurre una componente nociva e di disturbo che riduce il livello di power quality 
del flusso di potenza evidenziato nelle figure 1.1 e 1.2. In questo lavoro saranno 
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messi in luce le apparecchiature di conversione dell’energia ed il relativo problema 
dell’iniezione di corrente continua. La filosofia che sta dietro a tale problematica, 
come un aspetto riguardante la generazione e distribuzione di energia elettrica, è 
molto ampia  e racchiude diversi obiettivi: 
- Utilizzo delle fonti di energia immagazzinabili per la produzione 
contemporanea di calore e potenza elettrica, per un migliore utilizzo delle 
limitate risorse;  
- Vi è una crescente consapevolezza e preoccupazione tra gli studiosi sulle 
questioni riguardanti i problemi ambientali. È utile in materia di generazione 
elettrica distribuita, rendere consapevoli gli studiosi della necessità dello 
sviluppo dei sistemi ad energia rinnovabile per contribuire effettivamente ad un 
mondo in cui la crescita sia sostenibile dalla natura; 
- E’ necessaria un’analisi approfondita delle componenti di corrente continua 
derivanti dall’elettronica di potenza incorporata nell’energia eolica, 
fotovoltaica e nei generatori propri presenti negli smart office e smart houses. 
Esse presentano un sempre maggior impatto sulla rete di distribuzione, così 
come le componenti in corrente alternata con frequenza diversa dalla 
fondamentale; 
- La possibilità dell’utilizzo di internet come metodo per il trasporto delle 
informazioni tra le varie unità di controllo e analisi. Per i costi, l’efficienza e la 
facile implementazione potrebbe essere assunto vicino alla rete a.c. e 
migliorato con l’automazione industriale. 
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Tutti questi obiettivi hanno un fine comune: l’iniezione di corrente continua nella 
rete elettrica di distribuzione è una minaccia causata da un collegamento 
elettronica di potenza-rete che risulta poco ben strutturato. Bassi livelli di corrente 
d.c. nella corrente a.c. sono difficili da misurare, sopratutto se si tengono in 
considerazione i limiti stabiliti dalle norme vigenti  e discussi in altri gruppi di 
lavoro internazionali. I trasformatori e tutte le apparecchiature destinate alla 
conversione possono essere realizzate “in simbiosi” per cercare di eliminare la 
componente continua. 
La moltitudine dei problemi riguardanti  la generazione distribuita ed il suo futuro 
sviluppo, come i livelli di iniezione d.c., il contenuto armonico, le variazioni della 
frequenza fondamentale ed il flicker, indicano il livello di forma della rete e 
vengono studiati nella già citata power quality. Per ogni sistema di connessione 
alla rete la regolazione di tensione e di frequenza, il fattore di potenza, le 
protezioni ed i criteri di intervento in caso di guasto sulla rete sono considerazioni 
di estrema importanza. Tuttavia, in questo elaborato, è stata rivolta particolare 
attenzione all’iniezione di corrente continua  anche se tuttora non è stato ancora 
pienamente riconosciuto come problema appartenente alla  power quality, 
nonostante la sua posizione all’interno della normativa IEEE 1547 sia precedente 
ai problemi armonici e di flicker. Questo però non deve trarre in inganno perchè 
una rete di alimentazione che presenta componenti continue sul lato utilizzatore 
può disturbare le regolari operazioni dei carichi e del trasformatore che si trova a 
monte del punto di consegna, causando un funzionamento anomalo dell’intero 
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sistema. Tutto ciò potrebbe portare all’interruzione del collegamento tra la sezione 
della rete presa in esame ed il resto del sistema, che si troverebbe nelle condizioni 
di sopportare un ulteriore disturbo. 
 
 
Figura 1.3 sistema di interconnessione alla rete in un impianto fotovoltaico grid-connected. 
Un impianto fotovoltaico funzionante in parallelo alla linea viene denominato grid-connected. 
Esso può non prevedere la presenza di batterie di accumulo in quanto, in mancanza di 
irraggiamento, l’utente è alimentato dalla rete. 
 
1.3 SORGENTI DI INIEZIONE DC  
 
Ci sono molti dispositivi che potrebbero potenzialmente essere soggetti 
all’immissione di corrente continua, comprese le apparecchiature di alimentazione 
per uso domestico. Sono state eseguite numerose ricerche su dispositivi come 
alimentatori per PC, per poter determinare direttamente la presenza di componenti 
d.c. e quantificarle. I risultati  ottenuti mostrano un livello considerevole, ben al di 
sopra dai limiti fissati dalle norme: 
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 ALIMENTATORE D.C. MISURATA % SU Irms 
Laptop 0,04 A 7,7% 
Desktop PC 0,03 A 11,2% 
Tabella 1.3 iniezione di corrente continua in alimentatori per PC  
 
Le misure sono state ottenute attraverso un sensore ad effetto Hall collegato ad un 
analizzatore di power quality. In genere, nella maggior parte delle costruzioni adibite 
ad uffici, sono in uso una grande quantità di computers contemporaneamente,  il che 
potrebbe portare a significativi livelli di corrente continua. 
Un seconda causa di iniezione sono i guasti sul sistema a bassa tensione, la corrente 
di guasto presenta regolarmente un termine con decadimento esponenziale dipendente 
dall’istante di tempo in cui si verifica il guasto e dall’impedenza del sistema. 
Anche il sistema di illuminazione, con lampade fluorescenti, è soggetto a elevati 
valori di componenti continue, mentre i fenomeni geomagnetici  inducono un 
corrente continua attraverso la differenza di potenziale applicata ai punti di messa a 
terra, essa si introduce nel sistema attraverso il trasformatore. 
 
  1.4 MISURE DI INIEZIONE DC  
 
Le misure di valori bassi (<1A) di corrente possono essere facilmente ottenute 
utilizzando molte apparecchiature presenti in commercio, inclusi amperometri 
digitali, sensori ad effetto Hall, o dispositivi a bobina mobile. Tuttavia, all’interno 
delle problematiche prese in considerazione, è richiesto il monitoraggio di livelli 
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estremamente bassi, con la necessità di strumentazioni di elevata accuratezza e 
sensibilità. Si è reso necessario l’utilizzo di dispositivi studiati appositamente, 
soprattutto per la sperimentazione di inverter per impianti fotovoltaici dove deve 
essere rilevata una corrente nell’ordine delle unità di  mA. È stato realizzato un 
sistema in grado di misurare correnti di questo genere (5mA), esso presenta uno shunt 
resistivo da 0,01Ω e un voltmetro in grado di misurare piccole tensioni d.c. (0,05mV) 
in presenza di elevati tensioni a.c. Questo va verificato attraverso il circuito riportato 
nella seconda figura: in mancanza di inverter la tensione continua misurata dovrebbe 
essere nulla. 
 
 
 
Figura 1.4 configurazione del sistema di misura  
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 Figura 1.5 Verifica delle qualità del voltmetro 
 
Metodi alternativi di misura in caso di bassi livelli di corrente continua possono 
essere costituiti da un sensore di corrente e di un appropriato sistema di 
amplificazione; ma essi non sono ancora presenti in commercio.    
 
 
 
 
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