A diagnostic of voltage infeasibility at low net load and the role of inverter-based grid support

La rete elettrica è una macchina vasta e delicata che deve bilanciare offerta e domanda nell'istante stesso in cui si verificano. Quando il sole splende intensamente e il vento soffia forte, le fonti rinnovabili come i parchi solari ed eolici possono produrre così tanta elettricità da coprire la maggior parte del fabbisogno giornaliero. In questi momenti di bassa domanda, le centrali tradizionali che solitamente mantengono stabile il sistema vengono spesso spente per risparmiare denaro. Ciò lascia la rete con meno grandi macchine capaci di regolare la tensione, ovvero la pressione elettrica che spinge la corrente attraverso i cavi. Se questa pressione diventa troppo alta, può danneggiare le apparecchiature e causare un blackout; se diventa troppo bassa, le luci sfarfallano e gli elettrodomestici si guastano. Per anni, gli ingegneri hanno temuto che, quando le energie rinnovabili diventano dominanti, la rete soffrirebbe di un eccesso di tensione, una condizione che sembrava richiedere l'assorbimento dell'energia in eccesso per abbassare la pressione.

Un team di ricercatori dell'Università di Siviglia, in Spagna, ha sfidato questa lunga data assunzione. Hanno indagato su cosa accade quando la rete viene inondata di energia rinnovabile e le centrali elettriche tradizionali vengono spente, uno scenario che recentemente ha portato a un grande blackout nella penisola Iberica. Utilizzando simulazioni informatiche avanzate di tre diversi sistemi elettrici, hanno sviluppato un nuovo modo per diagnosticare perché una rete fallisce. Il loro lavoro rivela che quando la tensione diventa troppo alta in queste ore di bassa domanda, è spesso il segno di un problema opposto: una disperata mancanza di supporto, non un eccesso di potenza. I ricercatori hanno scoperto che cercare semplicemente di assorbire l'energia, come suggeriscono spesso i controlli di sicurezza standard, peggiorerebbe la situazione. Invece, la soluzione risiede nel mantenere attive specifiche centrali elettriche per fornire supporto attivo e nell'assicurarsi che i sistemi di accumulo a batteria non continuino a prelevare energia quando i loro generatori locali vengono persi.

Lo studio è iniziato analizzando le ore in cui l'energia rinnovabile copre quasi tutta la domanda. In questi tempi, un sistema guidato dai costi spegne la maggior parte dei grandi generatori sincroni che tradizionalmente mantengono stabile la tensione. I ricercatori si sono posti una domanda semplice ma critica: le apparecchiature rimanenti possono mantenere la tensione entro limiti sicuri prima e dopo il guasto improvviso di una singola centrale elettrica? Per rispondere, hanno costruito uno strumento diagnostico che agisce come una scansione medica per la rete. Invece di guardare solo dove la tensione è più alta, lo strumento simula migliaere di scenari per determinare se il sistema stia fallendo davvero perché ha troppa energia o perché ne è affamato. Hanno testato questo su un piccolo sistema a nove nodi, una rete più grande a trentanove nodi e un modello complesso a settantatré nodi di una rete reale, eseguendo simulazioni per le ore in cui la domanda era minima e la produzione di rinnovabili era massima.

I risultati sono stati sorprendenti e controintuitivi. In quasi tutti i casi in cui la rete falliva, il sistema soffriva in realtà di una mancanza di potenza reattiva, una forma di energia necessaria per mantenere la tensione, piuttosto che di un eccesso di essa. I ricercatori hanno scoperto un meccanismo specifico che causa un picco pericoloso della tensione. Immaginate un cavo lungo e poco carico che si estende da una fonte di energia a una città remota. Poiché il cavo non trasporta molta corrente, genera naturalmente la propria tensione, spingendo la pressione verso l'estremità lontana. Per evitare che la tensione nella città remota scenda troppo, il sistema è costretto ad alzare la tensione alla sorgente ancora di più. Questa azione spinge la tensione all'estremità del cavo oltre il limite di sicurezza. Un controllo standard vede l'alta tensione all'estremità del cavo e assume che ci sia troppa potenza, suggerendo l'installazione di dispositivi per assorbire l'energia. Tuttavia, i ricercatori hanno dimostrato che questa sarebbe la mossa sbagliata. Il vero problema era che la città remota aveva bisogno di più supporto, non di meno. Aggiungere dispositivi per assorbire l'energia all'estremità del cavo rendeva la tensione ancora più alta, peggiorando il guasto.

Lo studio ha anche esaminato come le moderne centrali elettriche, che utilizzano inverter per connettersi alla rete, possano aiutare. Queste centrali possono essere programmate per controllare direttamente la tensione, agendo come i generatori tradizionali che sostituiscono. I ricercatori hanno scoperto che quando queste centrali sono impostate per controllare la tensione, il numero di ore operative sicure aumenta drasticamente. In un sistema di grandi dimensioni, la quota di ore che poteva essere gestita in sicurezza è passata dal solo nove per cento al settantatré per cento quando le centrali utilizzavano il controllo della tensione invece di un'impostazione fissa. Questo miglioramento deriva principalmente dalla capacità delle centrali di generare o assorbire potenza reattiva su richiesta. Anche se le centrali avessero solo metà della capacità abituale di farlo, hanno performato quanto le centrali con piena capacità impostate su un'uscita fissa. La chiave era la capacità di regolare dinamicamente, chiudendo il ciclo per mantenere la tensione stabile al variare delle condizioni.

Un'altra scoperta critica riguarda le batterie spesso co-locate con queste piante rinnovabili. In molti design attuali, se una centrale solare o eolica si interrompe, la batteria situata nello stesso luogo potrebbe continuare a caricarsi, prelevando energia dalla rete. I ricercatori hanno scoperto che questo comportamento può essere pericoloso. Quando la centrale si interrompe, l'area perde una fonte di energia, ma se la batteria continua a caricarsi, agisce come un ulteriore carico, approfondendo la carenza locale di energia. Nelle loro simulazioni, una batteria che continuava a caricarsi dopo il guasto della propria centrale rimuoveva la possibilità di operare in sicurezza in circa un quarto dei casi in cui il sistema sarebbe stato altrimenti stabile. Crucialmente, la batteria che causava il problema non era sempre quella situata nel sito del guasto principale. Era spesso una batteria in un'altra posizione che stava alimentando una parte remota e vulnerabile della rete. Ciò significa che le regole di sicurezza non possono concentrarsi solo sul sito del blackout principale; devono richiedere che ogni batteria collegata a una centrale smetta immediatamente di caricarsi se tale centrale si interrompe.

I ricercatori hanno concluso che il modo standard di interpretare i guasti della rete è spesso fuorviante. Quando un controllo di sicurezza segnala un limite di tensione elevato, non significa automaticamente che il sistema abbia troppa energia. Nelle ore a bassa domanda di un futuro dominato dalle rinnovabili, una lettura di tensione alta è frequentemente un sintomo di una carenza locale, dove la rete è troppo tesa per sostenere un carico remoto. Il rimedio non è assorbire l'energia, ma fornirla dove manca, sia mantenendo attive le unità tradizionali vicine, sia utilizzando le capacità di controllo della tensione dei moderni inverter. Lo strumento diagnostico creato può distinguere tra queste due situazioni senza la necessità di conoscere la configurazione dettagliata della rete, offrendo un percorso chiaro agli operatori per mantenere accese le luci. Comprendendo che una tensione alta può segnalare una mancanza di supporto, i gestori della rete possono evitare di applicare la soluzione errata e invece rafforzare la rete esattamente dove è più debole.