Docente/i: Paolo Marannino  

Denominazione del corso: Sistemi elettrici per l'energia
Codice del corso: 062197
Corso di laurea: Ingegneria Elettrica
Settore scientifico disciplinare: ING-IND/33
L'insegnamento è caratterizzante per: Ingegneria Elettrica
Crediti formativi: CFU 5
Sito web del corso: n.d.

Obiettivi formativi specifici

Il corso di Sistemi Elettrici per l'Energia deve fornire, a conclusione del trienno di studi del corso di laurea di primo livello in Ingegneria Elettrica, le conoscenze di base sul complesso processo di produzione, trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica, la cui affidabilità si è dimostrata anche nei più recenti trascorsi (si considerino i blackout dell'estate 2003 nel Nord America, nell'Europa settentrionale e in Italia) fondamentale per la soppravivenza e lo sviluppo della moderna civiltà industriale in cui siamo chiamati ad operare.

Programma del corso

Nel corso di Sistemi Elettrici per l'Energia del nuovo ordinamento si è cercato di concentrare per quanto possibile, in poco più di 50 ore di impegno didattico, gli elementi di base per la comprensione da parte degli studenti del complesso processo di produzione, trasmissione, distribuzione e utilizzo dell'energia, trattando con un certo dettaglio solo alcuni degli argomenti del più completo e omonimo corso del vecchio ordinamento, che poteva contare su un impegno didattico di quasi 110 ore. Descrivendo con l'opportuno dettaglio i modelli dei componenti della rete e le equazioni dei flussi di potenza in regime stazionario, si approfondiscono, solo da un punto di vista analitico, i metodi più usati per la soluzione del problema del Load Flow, lasciando al corso di Programmazione ed Esercizio dei Sistemi Elettrici, che si tiene nel secondo anno della laurea specialistica, il compito di approfondire le conoscenze delle tecniche numeriche adoperate per la soluzione di problemi di grandi dimensioni. Per quanto riguarda la programmazione della produzione viene presentato il semplice modello monosbarra del sitema elettrico con gli algoritmi di soluzione (uguali costi incrementali con perdite costanti o variabili) del problema del dispacciamento delle potenze attive senza vincoli di trasporto, dando solo dei cenni al problema di Optimal Power Flow, della cui formulazione e soluzione verranno dati ampi dettagli nel summensionato corso del biennio di specializzazione. La regolazione di velocità dei gruppi generatori e le regolazioni primaria e secondaria della frequenza sono trattate in modo esaustivo, mentre vengono rimandati a Programmazione ed Esercizio dei Sistemi Elettrici gli approfondimenti sulla regolazione frequenza-potenza, sulla regolazione terziaria e sulla stabilità dei cicli di regolazione. Nello studio della regolazione della tensione si affronta solo il problema del controllo in locale dei genatori sincroni, essendo il controllo gerarchico centralizzato (a livelli regionale e nazionale) trattato nel corso successivo.

1. Lo sviluppo dei sistemi elettrici
Da Edison progettista del primo sistema elettrico in USA alla centrale di via Santa Redegonda in Milano. La scelta del sistema alternato trifase. Lo sviluppo dei sistemi elettrici in Italia. Monopoli pubblici e privati. Le grandi interconnessioni in Europa e nel Nord America. Il passaggio da strutture monopolistiche e verticalmente integrate alla competizione nel mercato della domanda e dell’offerta.

2. Impianti di generazione
Fonti primarie per la generazione, fabbisogni di energia elettrica, bilanci energetici, diagrammi di carico e loro copertura con i mezzi di produzione. Centrali idroelettriche ad acqua fluente, a bacino, a serbatoio, e di pompaggio. Centrali termoelettriche a vapore di condensazione, a gas e con cicli combinati. Centrali eoliche e solari, centrali che utilizzano altre fonti rinnovabili. Pootenza efficiente e ore di utilizzo di un impianto di generazione. Fattore di carico. Impianti di base e di punta.

3. Doppi dipoli
Dipoli e doppi dipoli lineari passivi, rappresentazioni dei doppi dipoli con matrice delle impedenze, matrice delle ammettenze e matrice di trasmissione. Reciprocità e simmetria. Accoppiamenti di doppi dipoli in cascata, in serie e in parallelo.

4. Linee elettriche
Parametri caretteristici di linee elettriche aeree e in cavo. Equazioni differenziali delle linee elettriche. Linee in corrente alternata sinusoidale. Rappresentazione tramite doppio dipolo a parametri distribuiti. Lunghezza d’onda. Effetto Ferranti in linee lunghe un quarto d'onda. Linee corte e rappresentazione a parametri concentrati. Impedenza caratteristica e potenza naturale. Collegamenti in corrente continua.

5. Trasformatori
Doppi dipoli equivalenti dei trasformatori a due avvolgimenti. Rappresentazione in per unità. Trasformatori a rapporto variabile. Trasformatori a rapporto fuori nominale. Trasformatori a tre avvolgimenti. Trasformatori elevatori di centrale. Autotrasformatori di interconnessione. Trasformatori a variazione di fase.

6. Calcolo dei flussi di potenza in una rete elettrica
Reti elettriche. Modelli in regime stazionario di generatori, carichi ed elementi della rete di trasmissione. Matrice delle ammettenze e delle impedenze. Correnti e tensioni nodali. Calcolo dei flussi di potenza (Load Flow o Power Flow) in una rete elettrica. Equazioni dei flussi di potenza in una linea o in un trasformatore. Equazioni di bilancio nodale delle potenze attive e reattive. Metodi di soluzione delle equazioni di Load Flow (LF). Metodo iterativo nodale di Glimm-Stagg. Metodo di Newton-Raphson (Modello di Tinney). Metodo di Newton-Raphson disaccoppiato. Modello di Carpentier. Metodo di Alsac-Stott (disaccoppiato veloce ‘FDLF’). Load Flow in corrente continua. Matrici delle suscettanze e delle reattannze. Coefficienti di sensibilità dei flussi di potenza nelle linee e nei trasformatori a variazioni di iniezioni nodali di potenza attiva. Cenni alla soluzione numerica del problema di LF.

7. Dispacciamento delle potenze attive generate
Cenni storici al problema del dispacciamento delle potenze attive delle gruppi termoelettrici. Dal modello a sbarra unica del sistema all'Optimal Power Flow. Dispacciamento ad uguali costi incrementali senza vincoli di trasporto e a perdite costanti. Metodo analitico e grafico per la soluzione del problema. Condizioni di ottimalità di Karush, Kuhn e Tucker (KKT) per un problema di ottimazione convesso. Dispacciamento ad uguali costi incrementali corretti con perdite dipendenti dall'allocazione della generazione in rete.

8. La regolazione della velocità dei gruppi generatori e della frequenza di rete
La regolazione di velocita di un gruppo generatore. Pendolo di Watt. Statismo del regolatore di velocità. Energia regolante del gruppo. Funzione di trasferimento del regolatore di velocità. Funzione di trasferimento di un impianto di generazione. Centrali idroelettriche e termoelettriche. Energia regolante dei carichi. Funzione di trasferimento di rete. Regolazione della frequenza di rete. Caratteristiche della regolazione primaria. Energia regolante della rete e variazione della frequenza in seguito a disturbi causati da attacchi di carico e/o perdita di generazione. La regolazione secondaria di frequenza in sistemi isolati. Eliminazione dell'errore di frequenza a regime. Scelta della velocità d'integrazione.

9. La regolazione della tensione nelle reti elettriche
Cadute di tensione nelle reti elettriche. Necessità di regolare la tensione dalla generazione al carico. Regolazione locale nei nodi di carico. Compensazione di reattivo. Variazione dei rapporti di trasformazione dei trasformatori di alimentazione dei carichi o delle reti di distribuzione. Regolazione primaria dei generatori sincroni. Sistemi di eccitazione rotanti e statici. Regolazione locale della tensione alle sbarre di alta tensdione di centrale. Regolazione di tensione con compound di reattivo.

Prerequisiti

Avere un’adeguata conoscenza dell'analisi matematica, della fisica, dell'elettrotecnica e dei componenti fondamentali di un impianto elettrico.

Tipologia delle attività formative

Lezioni (ore/anno in aula): 28
Esercitazioni (ore/anno in aula): 22
Laboratori (ore/anno in aula): 0
Progetti (ore/anno in aula): 0

Materiale didattico consigliato

Appunti delle lezioni, articoli tratti da riviste nazionali e internazionali, informazioni dal sito internet del Gestore della Rete di Trasmissione Nazionale, oltre a testi consigliati di possibile consultazione, indicati nel seguito.

O. Elgerd. Electric Energy Systems Theory - An Introduction. Mc Graw-Hill.

N. Faletti, P. Chizzolini. Trasmissione e distribuzione dell'energia elettrica: Volumi 1-2. Patron.

A. Wood, B. Wollenberg. Power generation operation and control. John Willey & Sons.

F. Iliceto. Impianti Elettrici - Volume 1. Patron.

Modalità di verifica dell'apprendimento

L’accertamento delle conoscenze degli studenti verrà effettuato, oltre che con prove scritte in itinere e a conclusione del corso, con l’esame orale a completamento della preparazione della materia