Soluzione per il miglioramento della qualità dell'energia a 35 kV per l'accumulo di energia Dadi in Angola

Zhejiang Rockwell Energy Technology Co., Ltd.

Questa soluzione è volta a risolvere il grave inquinamento armonico sul sistema a 35 kV dell'impianto di accumulo di energia Dadi in Angola, causato da carichi non lineari quali i sistemi di conversione di potenza (PCS). Al suo centro vi è un banco di compensazione e filtraggio ad alta tensione H5+H7 con una capacità totale di 7500 kvar, basato su un concetto di progettazione tre-in-uno: filtraggio localizzato, protezione delle apparecchiature e compensazione della potenza reattiva.

L'obiettivo è eliminare i rischi legati alle armoniche, promuovere un funzionamento della rete sicuro, stabile ed economico, e migliorare l'efficienza operativa del sistema e l'affidabilità dell'alimentazione.

Soluzione per il miglioramento della qualità dell'energia a 35 kV dell'accumulo di energia Dadi in Angola

1. Background del progetto e analisi dello stato attuale

1.1 Panoramica del progetto

Il progetto di miglioramento della qualità dell'energia per l'accumulo di energia Dadi in Angola è un intervento di retrofit a livello di tensione di 35 kV. Il carico principale in sito è il convertitore per l'accumulo di energia (PCS). In quanto carico non lineare tipico e ad alta emissione di armoniche, durante il funzionamento inietta una grande quantità di corrente armonica nella rete, degradando seriamente la qualità dell'energia.

1.2 Principali criticità e rischi

Le indagini sul campo e l'analisi dei dati mostrano che l'inquinamento armonico ha influenzato negativamente il sistema in sei dimensioni:

Dimensione	Sintomi	Analisi delle conseguenze
Sicurezza delle apparecchiature	Surriscaldamento e rumore elevato del trasformatore; sovracorrente e gonfiore del condensatore	Le armoniche riducono la reattanza capacitiva e amplificano la corrente, causando sovratensioni di risonanza e perdite aggiuntive
Disponibilità	Uscita a potenza ridotta del PCS, interventi di protezione, arresti frequenti	La distorsione dell'alta tensione attiva la protezione del convertitore e il derating, riducendo la disponibilità del sistema
Vita utile delle apparecchiature	Invecchiamento accelerato di condensatori, reattori e altri componenti	Le perdite armoniche aggiuntive aggravano l'aumento di temperatura e accelerano il degrado dei componenti
Costo dell'energia	Perdite di linea maggiori; bollette dell'elettricità più elevate	Le correnti armoniche non compiono lavoro utile ma generano perdite di calore e abbassano il fattore di potenza
Sistema di controllo	Falsi allarmi dal sistema di supervisione, dati anomali	Le interferenze ad alta frequenza penetrano nel sistema di controllo a bassa tensione, causando errori di campionamento e di logica
Pericoli elettrici	I dispositivi di protezione funzionano in modo errato o non funzionano	La distorsione della forma d'onda compromette la precisione di campionamento della protezione a relè, ampliando la portata degli incidenti

2. Obiettivi di miglioramento e basi di progettazione

2.1 Obiettivi di miglioramento

Basandosi su IEC TR 61000-3-6:2008, IEEE 519-2022, GB/T 14549-1993 "Qualità dell'energia – Armoniche nelle reti di alimentazione pubblica" e le specifiche tecniche del progetto, vengono stabiliti i seguenti obiettivi principali:

Soppressione delle armoniche: concentrarsi sul filtraggio delle armoniche dominanti di 5° e 7° ordine per ridurre significativamente la distorsione armonica totale di tensione (THDu);
Compensazione della potenza reattiva: portare il fattore di potenza del sistema al di sopra di 0,95 dopo la compensazione per evitare addebiti aggiuntivi causati da un basso fattore di potenza;
Stabilità del sistema: evitare la risonanza parallela/serie e garantire il funzionamento sicuro di condensatori e trasformatori;
Risparmio energetico: ridurre le perdite aggiuntive nei trasformatori e nelle linee e prolungare la vita utile delle apparecchiature.

2.2 Approccio di progettazione

Viene adottata una strategia integrata di "filtraggio sintonizzato + compensazione a commutazione automatica". Vengono progettati rami sintonizzati LC dedicati per le armoniche caratteristiche (6k±1) del PCS, facendo sì che ciascun ramo presenti una bassa impedenza alla frequenza specifica in modo da "assorbire" la corrente armonica, mantenendo al contempo un comportamento capacitivo alla frequenza di rete per fornire supporto reattivo.

2.3 Obiettivi di accettazione quantificati

Basandosi su GB/T 14549-1993 "Qualità dell'energia – Armoniche nelle reti di alimentazione pubblica", IEC TR 61000-3-6:2008 e sulle caratteristiche della rete locale angolana, vengono definiti i seguenti obiettivi quantificati:

Indicatore	Prima (stimato/misurato)	Dopo (obiettivo garantito)	Osservazioni
Distorsione armonica totale di tensione (THDu)	> 5,0% (notevolmente superato)	< 3,0%	Soddisfa il limite GB/T 14549-1993 per i sistemi a 35 kV (≤ 3,0%)
Contenuto di corrente armonica di 5° ordine	> 15%	< 3%	Mirato all'armonica caratteristica del PCS
Contenuto di corrente armonica di 7° ordine	> 10%	< 2%	Mirato all'armonica caratteristica del PCS
Fattore di potenza (PF)	0,85 ~ 0,90 (molto variabile)	≥ 0,96	Superiore all'obiettivo di progettazione (≥ 0,95), in un intervallo di funzionamento stabile
Aumento di temperatura del trasformatore	Anormalmente alto	Tornato all'intervallo normale	Riduzione prevista di circa 10 ~ 15 K
Tasso di guasto dei condensatori	Alto (gonfiaggio e fusione frequenti)	Significativamente ridotto	Sovracorrente di risonanza evitata

3. Soluzione tecnica principale

3.1 Panoramica della configurazione

Sulla base delle caratteristiche del sistema a 35 kV di questo impianto, è stato configurato un banco di compensazione con filtro in alta tensione con una capacità totale di 7500 kvar come segue:

Apparecchiatura	Specifica/Tipo	Quantità/Capacità	Funzione
Ramo del filtro H5	Sintonizzazione nominale 250 Hz (disaccordata a circa 235 Hz, 4,7ª)	Diversi gruppi	Assorbe le armoniche di ordine 5, fornendo inoltre la compensazione reattiva alla frequenza di rete
Ramo del filtro H7	Sintonizzazione nominale 350 Hz (disaccordata a circa 340 Hz, 6,8ª)	Diversi gruppi	Assorbe le armoniche di ordine 7, fornendo inoltre la compensazione reattiva alla frequenza di rete
Condensatori ad alta tensione	Assemblati in vasca da 35 kV / monofase	7500 kvar totali	Fornisce potenza reattiva capacitiva e supporta la tensione di sistema
Reattori in serie	A secco / con nucleo in ferro immerso in olio	Abbinato	Limita la corrente di spunto alla chiusura e sopprime l'amplificazione delle armoniche di ordine superiore
Dispositivo di manovra	Interruttore nel vuoto a basso reinnesco	Abbinato	Consente una commutazione rapida e senza reinneschi del banco di condensatori
Protezione & monitoraggio	Protezione basata su microprocessore	1 set	Monitoraggio in tempo reale di tensione, corrente e temperatura con molteplici funzioni di protezione

Soluzione per il miglioramento della qualità dell'energia a 35 kV per l'accumulo di energia Dadi in Angola

3.2 Misure tecniche chiave

Tecnologia di sintonizzazione di precisione

Utilizzando il principio della risonanza serie L-C, la frequenza naturale di ciascun ramo del filtro è progettata per assorbire le armoniche di 5° (250 Hz) e 7° (350 Hz). Intorno a queste frequenze l'impedenza del ramo diventa estremamente bassa (Z ≈ R), formando una "trappola" per le armoniche che costringe la corrente armonica a fluire nel filtro invece che nella rete.

Va notato che, per prevenire la risonanza parallela tra il ramo e il sistema causata dalla fluttuazione della frequenza di rete e dalla deriva dei parametri dei componenti, nella pratica ingegneristica viene normalmente applicata una progettazione con sintonizzazione disaccordata: sebbene nominalmente sintonizzata sulla 5ª e 7ª armonica, la branca della 5ª è in realtà impostata a circa la 4,7ª (circa 235 Hz, corrispondente a un rapporto di reattanza di circa il 4,5%) e la branca della 7ª a circa la 6,8ª (circa 340 Hz, corrispondente a un rapporto di reattanza di circa il 2,2%), lasciando un margine di sicurezza per prevenire incidenti di amplificazione delle armoniche. Il punto di sintonizzazione finale deve essere determinato in base ai dati sulle armoniche di fondo misurati in loco.

Protezione termica delle apparecchiature

Protezione del trasformatore: dopo che le armoniche sono state filtrate, le perdite per effetto pelle e per correnti parassite nel trasformatore diminuiscono significativamente e l'aumento di temperatura ritorna alla normalità. In conformità con il modello di invecchiamento termico IEC 60076-7, l'invecchiamento dell'isolamento viene efficacemente rallentato.
Protezione dei condensatori: impedire alla corrente armonica di fluire direttamente attraverso i condensatori evita la rottura del dielettrico o il gonfiore causati da sovracorrente e sovratensione.

Commutazione e controllo intelligenti

Un interruttore automatico a vuoto a bassa riaccensione (senza riaccensione) con chiusura controllata (point-on-wave) mantiene la corrente di spunto di chiusura entro 1,5 volte la corrente nominale della batteria di condensatori (vedere Sezione 3.3).
Il sistema di monitoraggio raccoglie i dati di rete in tempo reale e commuta automaticamente i rami del filtro in base al deficit di potenza reattiva, realizzando una "compensazione on-demand".

Adattabilità al funzionamento bidirezionale

Poiché la firma armonica del PCS di accumulo di energia differisce tra carica e scarica, i rami del filtro sono progettati in base allo spettro armonico misurato sull'intero intervallo di funzionamento del PCS (carica/scarica), con un margine di commutazione riservato in modo che le armoniche siano efficacemente soppresse in entrambe le direzioni di funzionamento.

Verifica della risonanza

Dopo la messa in servizio della batteria di compensazione del filtro, i rami capacitivi e il sistema a 35 kV possono formare punti di risonanza parallela. In fase di progettazione, la risonanza deve essere verificata utilizzando le armoniche di fondo misurate in loco e l'impedenza di sistema come input, e le apparecchiature possono essere messe in tensione solo dopo aver confermato che i punti di risonanza evitano le frequenze armoniche caratteristiche come la 5ª e la 7ª.

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3.3 Sicurezza di commutazione della batteria di condensatori — Chiusura Point-on-Wave e bassa riaccensione

Data la frequente commutazione delle batterie di condensatori causata dalla frequente regolazione dell'impianto di accumulo di energia, viene adottato un meccanismo di protezione a due livelli:

Quadri di manovra a vuoto a bassa riaccensione: i contatti in lega CuCr e un interruttore a vuoto con campo magnetico assiale (AMF) garantiscono che non si verifichi alcuna riaccensione durante l'interruzione della corrente capacitiva, sopprimendo efficacemente le sovratensioni di manovra.
Controllore intelligente di chiusura point-on-wave (opzionale/consigliato): traccia la fase della tensione di rete in tempo reale e chiude i contatti precisamente al passaggio per lo zero della tensione (entro ±1 ms). Ciò mantiene la corrente di spunto di chiusura entro 1,5 volte la corrente nominale della batteria di condensatori (rispetto alle 10-20 volte della chiusura casuale), prolungando notevolmente la vita dei condensatori e degli interruttori e prevenendo shock di tensione al PCS.

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4. Caratteristiche e vantaggi

Altamente mirato: i parametri H5+H7 sono personalizzati in base alle caratteristiche del carico PCS, evitando "sovratrattamenti" o "sottotrattamenti".
Forte adattabilità ambientale (per le condizioni angolane): considerando il clima locale, tutti i reattori utilizzano un isolamento di Classe H, le custodie dei condensatori utilizzano materiali resistenti ai raggi UV e alla corrosione, e i PCB del sistema di controllo ricevono un rivestimento conforme extra-spesso — adatto ad ambienti caldi e umidi.
Progettazione integrata: la mitigazione delle armoniche, la compensazione reattiva e la protezione delle apparecchiature sono affrontate congiuntamente — un unico investimento, molteplici vantaggi.
Funzionamento affidabile: un pacchetto completo con quadri di manovra a bassa probabilità di riinnesco e protezione completa, adatto al frequente compito di regolazione degli impianti di accumulo di energia.

5. Risultati e benefici previsti

5.1 Benefici tecnici

Forme d'onda migliorate: dopo la messa in servizio, si prevede che il tasso di filtraggio della corrente armonica di 5ª e 7ª ordine superi l'85%, con la distorsione della tensione conforme a GB/T 14549-1993 e alle specifiche tecniche del progetto.
Interferenze eliminate: i tassi di intervento errato dei sistemi di protezione e monitoraggio diminuiscono significativamente e l'ambiente operativo della stazione viene purificato.
Stabilità della rete: le caratteristiche di impedenza del sistema sono ottimizzate, migliorando sostanzialmente l'immunità alle interferenze.

Tipo di beneficio	Dettagli	Valore stimato
Diretto	Riduzione dei costi di penalità per la potenza reattiva; riduzione delle perdite su trasformatori e linee	Da quantificare in base alle tariffe locali, agli standard di fatturazione e valutazione della potenza reattiva e ai dati sulle perdite misurate
Indiretto	Riduzione dei costi di riparazione e sostituzione delle apparecchiature; riduzione delle perdite dovute a interruzioni non pianificate	Prolungamento della vita utile delle apparecchiature principali quali i trasformatori; durata valutata secondo il modello di invecchiamento termico IEC 60076-7
Operativo	Minore frequenza degli interventi di protezione PCS e degli arresti non pianificati; maggiore disponibilità del sistema	Miglioramento della stabilità operativa complessiva dell'impianto di accumulo di energia
Sicurezza	Prevenzione dei rischi di incendio elettrico; protezione della sicurezza del personale	Eliminazione del rischio di gravi incidenti sulla sicurezza

5.3 Miglioramento atteso delle prestazioni

Dopo la messa in servizio, si prevede che i principali indicatori della qualità dell'energia elettrica migliorino come segue (in coerenza con gli obiettivi della Sezione 2.3; soggetti a misurazione di accettazione):

Indicatore	Prima (stimato/misurato)	Dopo	Miglioramento/risultato
Distorsione armonica totale della tensione (THDu)	> 5,0% (notevolmente superato)	< 3,0%	Soddisfa i requisiti GB/T 14549-1993 (limite del 3% a 35 kV) e IEEE 519-2022
Contenuto della corrente armonica di 5ª ordine	> 15%	< 3%	Notevolmente ridotto
Contenuto della corrente armonica di 7ª ordine	> 10%	< 2%	Forte soppressione
Fattore di potenza (PF)	0,85 ~ 0,90 (altamente variabile)	≥ 0,96	Stabilmente conforme
Aumento di temperatura del trasformatore	Anormalmente alto	Ritornato nell'intervallo normale	Riduzione di circa 10 ~ 15 K
Tasso di guasto dei condensatori	Alto (rigonfiamento/fusione frequenti)	Notevolmente ridotto	Chiaro miglioramento

Nota: i valori "successivi" sopra indicati sono valori attesi derivati dalle prestazioni delle apparecchiature e dalla valutazione del sistema. I valori finali sono soggetti alle misurazioni di accettazione del collaudo.

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6. Implementazione del progetto e supporto O&M

6.1 Processo di implementazione

Indagine in loco: misurazione delle armoniche di fondo sulla sbarra a 35 kV e delle caratteristiche del carico (incluse le condizioni di carica/scarica del PCS).
Simulazione: costruzione di un modello di sistema per verificare le prestazioni di filtraggio e i punti di risonanza.
Produzione: prefabbricazione in fabbrica con rigorosi test di routine (prova di tenuta in tensione, scariche parziali, collaudo delle protezioni).
Installazione & collaudo: installazione in loco, cablaggio secondario, test integrato del sistema.
Accettazione & collaudo: test sotto carico, verifica degli obiettivi, consegna.

6.2 Servizio post-vendita

Formazione tecnica: formazione per il proprietario sui principi, il funzionamento e la risoluzione dei problemi.
Ispezione periodica: controlli regolari della capacità dei condensatori, della temperatura dei reattori e della serratura dei punti di connessione.
Risposta alle emergenze: supporto tecnico 7×24 per una rapida risposta ai guasti.

Conclusione

Attraverso la configurazione scientifica di un banco di compensazione con filtro H5+H7 da 7500 kvar, questa soluzione non solo risolve gli attuali problemi di qualità dell'energia del progetto di accumulo di energia Dadi in Angola, ma costruisce anche una solida linea di difesa per la sicurezza elettrica dell'impianto.

Affrontando la protezione delle apparecchiature e la stabilità del sistema insieme alla mitigazione delle armoniche, offre vantaggi sia economici che di sicurezza: una soluzione affidabile per il miglioramento della qualità dell'energia per gli impianti di accumulo.

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