Docente/i:

Denominazione del corso: Programmazione ed esercizio dei sistemi elettrici
Codice del corso: 064162
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

Acquisizione delle nozioni fondamentali e delle metodologie di studio dei problemi di pianificazione ed esercizio dei sistemi elettrici per l’energia con particolare riguardo agli aspetti di economia e sicurezza.

Programma del corso

Lo studio delle tecniche di cui debbono servirsi gli ingegneri e gli operatori economici nel campo dell'industria elettrica per programmare lo sviluppo e l'esercizio di un sistema elettrico di potenza ha fatto parte nel vecchio ordinamento del corso di laurea in Ingegneria Elettrica del programma di Sistemi Elettrici per l'Energia, che nel nuovo ordinamento ha dovuto subire un dimezzamento del tempo a disposizione del docente e della classe di studio (passando dal 5 al terzo anno con un impegno didattico ridotto da 110 a 50 ore). Avendo lasciato in Sistemi Elettrici per l'Energia solo dei cenni alla materia che viene trattata nel nuovo corso, nella sua riprogrammazione si è offrontato il complesso problema del passaggio, che sta compiendosi in questi anni in diverse parti del mondo, da una gestione e pianificazione verticalmente integrata dei sistemi elettrici, operata dai monopolisti, pubblici o privati, proprietari delle centrali di produzione e della rete di trasmissione, ad una realtà operativa in cui è in atto la separazione (Unbundling) delle funzioni di produzione, trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica, vista come passo necessario all'introduzione della competizione nel mercato dell'energia elettrica. Il corso copre aspetti di diversa natura del vasto campo di problemi che debbono affrontare e risolvere i tecnici e i manager cui è affidata la responsabilità di esercire in tempo reale un sistema di produzione e trasmissione dell'energia elettrica e di definire i programmi di sviluppo su orizzonti temporali di medio o lungo termine delle reti di trasmissione e distribuzione, verificandone la compatibilità con quelli di espansione della generazione proposti dai proprietari delle centrali di produzione. La materia trattata richiede frequenti richiami a conoscenze di cui l'allievo deve essersi arricchito nei campi dell'analisi matematica e numerica, dell'economia, della teoria dei sistemi e dei controlli automatici, oltre che delle discipline proprie dell'elettrotecnico (dalle macchine agli impianti elettrici).

1. Dal monopolio alla competizione nel mercato dell'energia elettrica
Programmazione ed esercizio esercizio in sistemi elettrici verticalmente integrati e in sistemi in cui è in atto la separazione (Unbundling) delle funzioni di produzione, trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. La competizione nel mercato dell’energia elettrica, curve di domanda e di offerta. Prezzo di equilibrio del mercato. Il ruolo dei diversi operatori del mercato. Il Gestore della rete di trasmissione nazionale o regionale. Il Gestore del mercato. Autorità di controllo. Strutture di mercato in Europa e America.

2. Ottimazione e sicurezza dell’esercizio
Definizione degli stati operativi di un sistema elettrico. Sicurezza statica e dinamica. Algoritmi di calcolo numerico per la soluzione delle equazioni di Load Flow (LF) di sistemi di grandi dimensioni. Ordinamento ottimo delle equazioni di LF, calcolo della matrice jacobiana, fattorizzazione di Gauss e bifattorizzazione. Equivalente di Ward di un sistema elettrico esterno. Metodo delle perturbazioni per l'analisi della sicurezza statica. Lemma di inversione delle matrici modificate (Woodbury) per il calcolo dei coefficienti di riporto di corrente. Sicurezza preventiva o correttiva. Programmi di Optimal Power Flow. Modello sparso e modelli compatti-ridotti. OPF per il dispacciamento delle potenze attive, per il controllo delle transazioni commerciali e l’eliminazione delle congestioni di rete in strutture di mercato di tipo Pool o con prevalenti scambi bilaterali. Programmazione a medio e a breve termine delle generazioni. Programmi di Unit Commitment. Esercizio in tempo reale del sistema elettrico.

3. I servizi ancillari all'esercizio del sistema elettrico
Definizioni dei sevizi ancillari. Riserva di potenza attiva. Regolazione primaria della frequenza. Regolazione frequenza/potenza. Regolazione della tensione e fornitura della potenza reattiva. Riaccensione del sistema.

4. Regolazione della frequenza
Regolazione primaria e secondaria della frequenza. Progetto del regolatore di velocità per gruppi termoelettrici e idroelettrici. Stabilità della regolazione di velocità per impianti idroelettrici di alta caduta. Modellistica a fluido incomprimibile o a fluido comprimibile di un impianto idroelettrico. La regolazione della frequenza e delle potenze di scambio. Criteri di non interagenza, di mutuo soccorso e minimale. Controllo dell’errore di tempo e degli scambi di potenza non programmati.

5. Regolazione della tensione e fornitura della potenza reattiva
Regolazione locale o centralizzata della tensione. Compound di reattivo nella regolazione primaria della tensione di un generatore sincrono. Curve di prestazione di un generatore sincrono. Stabilità della regolazione di tensione di un gruppo generatore. Controllo centralizzato delle tensioni. Regolazione secondaria della tensione. Definizione delle aree di regolazione secondaria, scelta dei nodi pilota e delle centrali da assegnare all'area di controllo. Regolazione terziaria delle tenzioni. Programmazione e dispacciamento delle potenze reattive da generare, scelta dei rapporti di trasformazione dei trasformatori di interconnessione a rapporto variabile. La fornitura della potenza reattiva come servizio ancillare. Calcolo del valore (prezzo) della potenza reattiva fornita dlle unità di generazione.

6. Pianificazione dei sistemi elettrici per l’energia
Sicurezza, affidabilità, robustezza e vulnerabilità. Pianificazione dei sistemi di generazione e di trasmissione. Verifiche di affidabilità del sistema. Analisi statiche e dinamiche. Modelli dinamici dei componenti del sistema. Modelli dinamici dei generatori sincroni e dei carichi. Circuiti equivalenti di asse diretto e di asse in quadratura del generatore sincrono. Reattanze sincrone, transitorie e subtransitorie. Modelli dinamici dei trasformatori a rapporto variabile. Analisi di stabilità statica e dinamica. Stabilità d’angolo e stabilità di tensione. Strumenti di calcolo per la determinazione della massima sovracaricabiltà di un sistema e di limiti che la definiscono (riscaldamento dei conduttori o collasso di tensione. Azioni preventive o correttive per limitare la vulnerabilità del sistema elettrico a fronte di perturbazioni. Simulatori del comportamento del sistema elettrico

Prerequisiti

Avere un’adeguata conoscenza dei componenti degli impianti elettrici e dei sistemi elettrici per l’energia.

Tipologia delle attività formative

Lezioni (ore/anno in aula): 28
Esercitazioni (ore/anno in aula): 22
Attività pratiche (ore/anno in aula): 0

Materiale didattico consigliato

Appunti delle lezioni, articoli tratti da riviste nazionali e internazionali, informazioni dai siti internet del Gestore della Rete di Trasmissione Nazionale, dell’Autorità dell’Energia Elettrica e del Gas, dell'ETSO (European Transmission System Operators) e del NERC (North American Electric Reliability Council), oltre a testi consigliati di possibile consultazione, indicati nel seguito.

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