Multi-Time-Scale Coordinated Planning of Distribution Networks with High Penetration of Distributed Renewable Energy Considering Active–Reactive Power Coupled Flexibility and Voltage Risk
Questo articolo propone un metodo di pianificazione coordinata su più scale temporali per le reti di distribuzione attive che integra la flessibilità accoppiata tra potenza attiva e reattiva e il controllo del rischio di tensione per migliorare significativamente l'assorbimento delle energie rinnovabili, ridurre il taglio della produzione e abbassare i costi totali annui nonostante l'aumento degli investimenti.
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La rete elettrica che alimenta le nostre case e le nostre attività sta attraversando una trasformazione silenziosa ma profonda. Per decenni, l'elettricità è fluita in una sola direzione: dalle grandi centrali elettriche, attraverso una rete di cavi, verso il consumatore. Questo sistema era stato progettato per essere prevedibile, con ingegneri che sapevano esattamente quanta energia sarebbe stata necessaria in ogni ora data. Oggi, tuttavia, questo flusso sta diventando bidirezionale e molto meno prevedibile. I pannelli solari sui tetti e le turbine eoliche locali immettono energia nella rete, ma il sole non splende sempre e il vento non soffia sempre. Ciò crea una nuova sfida per chi gestisce queste reti: come mantenere accese le luci e la tensione stabile quando la fonte di energia è in costante mutamento. La soluzione non risiede solo nell'aggiungere più cavi o batterie, ma nel comprendere la danza sottile e frazioni di secondo tra l'energia che viene prodotta e le forze invisibili che ne permettono il movimento sicuro attraverso i fili.
Un team di ricercatori della State Grid Chengdu Power Supply Company ha sviluppato un nuovo modo per pianificare questo futuro incerto. Si sono concentrati su un problema specifico: quando una rete di distribuzione è satura di energia rinnovabile, non è più sufficiente bilanciare semplicemente la quantità totale di elettricità prodotta e consumata. I ricercatori hanno scoperto che la velocità con cui la potenza cambia è importante tanto quanto la quantità totale di energia. Un passaggio improvviso di una nuvola sopra un impianto solare può causare un rapido calo di potenza in pochi secondi, mentre un cambiamento lento della domanda può avvenire nell'arco di ore. Se le risorse della rete non sono in grado di rispondere alla velocità corretta, la tensione può subire picchi o cali, potenzialmente danneggiando le apparecchiature o causando blackout. Inoltre, i dispositivi che generano questa energia, come gli inverter dei pannelli solari, hanno un limite fisico sulla quantità di potenza attiva (l'energia che compie il lavoro) e di potenza reattiva (l'energia che mantiene la tensione) che possono fornire contemporaneamente. Se un pannello solare sta funzionando alla massima capacità per produrre energia, ha meno capacità di aiutare a stabilizzare la tensione.
Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno creato un metodo di pianificazione che osserva la rete su tre diverse scale temporali simultaneamente: veloce, media e lenta. Hanno trattato la rete non come un sistema statico, ma come un sistema dinamico che necessita di strumenti diversi per diverse velocità di variazione. Per le fluttuazioni veloci, secondo per secondo, si sono affidati a inverter intelligenti e batterie a risposta rapida. Per i cambiamenti più lenti, ora per ora, hanno utilizzato turbine a gas e la risposta della domanda, in cui i consumatori accettano di ridurre il proprio utilizzo quando necessario. Fondamentalmente, il loro modello tiene conto del fatto che queste risorse sono collegate; aumentare l'uscita di potenza attiva di un dispositivo spesso riduce la sua capacità di fornire la potenza reattiva necessaria per mantenere stabili le tensioni. Pianificando in anticipo queste connessioni, sono stati in grado di determinare esattamente dove posizionare le nuove apparecchiature e quanto debbano essere grandi per gestire gli scenari più difficili.
Il team ha testato il proprio metodo su una versione simulata di una rete di distribuzione reale, un sistema a 69 bus che rappresenta una tipica rete locale. Hanno utilizzato tecniche informatiche avanzate per generare migliaia di possibili modelli meteorologici e di utilizzo, inclusi eventi rari ma pericolosi come la copertura nuvolosa improvvisa o rapidi cambiamenti del carico. Da questi, hanno selezionato 27 scenari rappresentativi per guidare la loro pianificazione. Hanno confrontato il loro nuovo approccio, consapevole del rischio, con i metodi più vecchi che consideravano solo le condizioni medie o trattavano separatamente la potenza attiva e quella reattiva. I risultati sono stati sorprendenti. Con il nuovo metodo, la rete può ospitare una quantità significativamente maggiore di energia rinnovabile. La capacità per l'energia eolica è aumentata da 0,96 megawatt a 1,18 megawatt, e la capacità solare è cresciuta da 0,56 megawatt a 0,74 megawatt.
Sebbene questo aggiornamento abbia richiesto un investimento iniziale più elevato — salendo da 1,05 milioni di dollari a 1,39 milioni di dollari — i risparmi a lungo termine sono stati sostanziali. Il costo annualizzato totale per la gestione della rete è sceso del 18,16%, passando da 2,83 milioni di dollari a 2,316 milioni di dollari. Questa riduzione è derivata da una massiccia diminuzione dell'energia sprecata e dei costi di potenziali guasti. La quantità di energia rinnovabile che doveva essere scartata, o "curtata", perché la rete non poteva gestirla, è diminuita dell'85,2%. Il rischio di non essere in grado di fornire energia ai clienti è sceso del 92,4%. Forse più importante di tutto, il sistema è diventato molto più resiliente ai problemi di tensione. I ricercatori hanno misurato il rischio di deviazioni di tensione utilizzando una metrica che si concentra sugli scenari peggiori, e hanno scoperto che il nuovo metodo di pianificazione ha ridotto drasticamente la probabilità di questi pericolosi picchi e cali.
Lo studio ha anche rivelato come cambia la composizione della rete quando vengono considerati questi fattori. Il nuovo piano faceva meno affidamento su grandi turbine a gas a risposta lenta e più su risorse distribuite e a risposta rapida, come le batterie e la risposta della domanda. Ha inoltre richiesto un aumento significativo delle capacità di potenza reattiva degli stessi inverter, garantendo che, anche quando i pannelli solari producono la massima potenza, possano comunque aiutare a stabilizzare la rete. I ricercatori hanno scoperto che, coordinando queste diverse risorse attraverso scale temporali veloce, media e lenta, la rete può gestire livelli molto più elevati di energia rinnovabile senza compromettere la sicurezza. I risultati suggeriscono che il futuro di un'elettricità affidabile non risiede nella costruzione di sistemi più grandi e lenti, ma nella creazione di una rete che sia flessibile, reattiva e consapevole della complessa relazione tra l'energia che utilizziamo e la stabilità dei cavi che la trasportano.
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