Tipi di sistemi HVDC e configurazioni MTDC
Configurazioni del Sistema di Corrente Continua ad Alta Tensione (HVDC)
La Corrente Continua ad Alta Tensione, comunemente abbreviata come HVDC, è un metodo altamente efficiente per la trasmissione di energia elettrica su lunghe distanze, riducendo significativamente le perdite di potenza rispetto alla tradizionale trasmissione in corrente alternata (AC). Il sistema HVDC può essere implementato in varie configurazioni, ognuna progettata per soddisfare specifiche esigenze operative. Questo articolo fornisce una panoramica concisa dei principali tipi di configurazioni del sistema HVDC.
Sistemi HVDC Back-to-Back
In una configurazione back-to-back (B2B) HVDC, sia il raddrizzatore che l'inverter, componenti chiave del convertitore, sono alloggiati all'interno della stessa stazione terminale. Questi due elementi del convertitore sono direttamente connessi back-to-back tra loro. La funzione primaria di questa configurazione è quella di connettere due sistemi di energia elettrica AC separati. Lo fa convertendo prima l'energia AC in ingresso in CC attraverso il raddrizzatore e poi trasformando rapidamente l'energia CC nuovamente in AC utilizzando l'inverter.
Sistemi HVDC Back-to-Back (Continuazione)
L'impianto back-to-back HVDC è installato all'interno di una singola stanza e serve a interconnettere due sistemi di energia elettrica AC asincroni. Data la connessione diretta back-to-back del raddrizzatore e dell'inverter, non è necessario un cavo di trasmissione DC. Per minimizzare il numero di tiristori connessi in serie, la tensione DC intermedia viene mantenuta intenzionalmente a un livello basso. Nel frattempo, la portata di corrente di questa configurazione può raggiungere diverse migliaia di ampere.
Questo tipo di sistema HVDC è particolarmente utile per collegare due sistemi di energia elettrica AC asincroni nelle seguenti situazioni:
Sistema HVDC a Due Terminali
In una configurazione a due terminali HVDC, ci sono due stazioni terminali distinte, ciascuna funzionante come stazione convertitrice. Una stazione ospita un raddrizzatore, mentre l'altra contiene un inverter. Questi due terminali sono connessi da una linea di trasmissione HVDC, consentendo la trasmissione efficiente di energia elettrica su lunghe distanze. Questa configurazione è progettata per superare i limiti della trasmissione AC tradizionale per il trasferimento di energia a lunga distanza, sfruttando i vantaggi della corrente continua per minimizzare le perdite di potenza e migliorare l'efficienza di trasmissione su vaste aree geografiche.
Il sistema a due terminali HVDC presenta una connessione diretta tra due punti senza alcuna linea di trasmissione parallela o prese intermedie lungo la linea di trasmissione. Questa caratteristica dà origine al suo nome alternativo, trasmissione di potenza punto a punto. È ideale per le applicazioni di fornitura di energia tra due località geograficamente distanti tra loro.
Uno dei vantaggi notevoli del sistema a due terminali HVDC è la mancanza di necessità di un interruttore di circuito HVDC. In caso di manutenzione o quando si devono eliminare guasti, gli interruttori di circuito AC sul lato AC possono essere utilizzati per de-energizzare la linea DC. A confronto con gli interruttori di circuito DC, gli interruttori di circuito AC hanno un design più semplice e costano meno, rendendo il sistema a due terminali HVDC più economico e facile da mantenere.
Sistema Multi-Terminal DC (MTDC)
Il sistema Multi-Terminal DC (MTDC) rappresenta una configurazione HVDC più complessa. Utilizza più linee di trasmissione per stabilire connessioni tra più di due punti. Questa configurazione comprende diverse stazioni terminali, ciascuna dotata del proprio convertitore, tutte interconnesse da una rete di linee di trasmissione HVDC. All'interno di questa rete, alcuni convertitori funzionano come raddrizzatori, convertendo l'energia AC in CC, mentre altri operano come inverters, trasformando l'energia CC nuovamente in AC per la distribuzione ai carichi. Un principio fondamentale del sistema MTDC è che il potere totale fornito dalle stazioni raddrizzatrici deve essere uguale al potere combinato ricevuto dalle stazioni inverter (carico), assicurando un flusso di potenza bilanciato ed efficiente attraverso la rete interconnessa.
Sistema Multi-Terminal DC (MTDC) (Continuazione)
La rete MTDC è analoga a una rete AC in termini di flessibilità, ma offre un vantaggio unico: la capacità di controllare con precisione il flusso di potenza all'interno della rete distribuita in CC. Tuttavia, questa funzionalità avanzata comporta un aumento di complessità, rendendo il sistema MTDC significativamente più complesso rispetto a una configurazione a due terminali HVDC.
In un impianto MTDC, non è fattibile fare affidamento sugli interruttori di circuito AC sul lato AC. A differenza di un sistema a due terminali, l'uso di un interruttore di circuito AC de-energizzerebbe l'intera rete DC invece di isolare solo la linea difettosa o richiedente manutenzione. Per affrontare questo problema, il sistema MTDC richiede diversi componenti di commutazione DC, come interruttori di circuito. Questi interruttori di circuito DC specializzati sono progettati per de-energizzare in sicurezza i circuiti o isolare sezioni specifiche durante le operazioni di manutenzione o quando si eliminano guasti, garantendo la stabilità e l'affidabilità della rete.
Mantenere l'equilibrio del sistema è cruciale in un sistema MTDC. La corrente totale fornita dalle stazioni raddrizzatrici deve corrispondere esattamente alla corrente consumata dalle stazioni inverter. Quando c'è un improvviso aumento della domanda di potenza da parte di qualsiasi stazione inverter, la potenza in CC deve essere aumentata di conseguenza per soddisfare il carico aumentato. Durante questo processo, è essenziale monitorare e controllare attentamente sia la tensione fornita che l'operazione degli inverter per evitare sovraccarichi, che potrebbero portare a malfunzionamenti del sistema.
Uno dei punti di forza chiave dei sistemi MTDC è la loro affidabilità durante le interruzioni forzate. In caso di un guasto inaspettato in una delle stazioni di generazione, il sistema può rapidamente reindirizzare la potenza attraverso stazioni convertitrici alternative, minimizzando la perturbazione nell'approvvigionamento complessivo di energia.
Applicazioni del MTDC
I sistemi MTDC possono essere categorizzati in due tipi principali:
Sistema MTDC in Serie
In una configurazione MTDC in serie, multiple stazioni convertitrici sono collegate in serie, simili a componenti in un circuito elettrico in serie. Una caratteristica distintiva di questa configurazione è che la corrente che scorre attraverso ogni stazione convertitrice rimane identica, poiché è impostata da una delle stazioni. Tuttavia, la caduta di tensione è distribuita tra le stazioni convertitrici, con ciascuna stazione che subisce una parte della caduta di tensione totale sulla rete connessa in serie.
Sistema MTDC in Serie (Continuazione)
Il sistema MTDC in serie può essere considerato una versione estesa del sistema a due terminali HVDC, incorporando multiple stazioni convertitrici collegate in serie, come illustrato nel diagramma allegato. Tipicamente, le stazioni convertitrici in una configurazione MTDC in serie hanno una capacità inferiore rispetto a quelle utilizzate nei sistemi MTDC in parallelo.
Questo sistema utilizza comunemente link DC monopolari, dove la linea DC è terra a un solo punto specifico. Per proteggere contro gli impulsi elettrici transitori, può essere installato un condensatore di messa a terra in altri punti lungo la linea come misura di protezione aggiuntiva.
La coordinazione dell'isolamento nel sistema MTDC in serie presenta sfide significative a causa delle diverse tensioni DC in ciascuna stazione. Il meccanismo di controllo del flusso di potenza nel sistema MTDC in serie è più complesso rispetto a quello del sistema MTDC in parallelo. Nel sistema MTDC in parallelo, il flusso di potenza può essere regolato iniettando corrente in linee specifiche, mentre nel sistema MTDC in serie, il controllo del flusso di potenza si basa sull'adattamento della tensione in ciascuna stazione terminale.
La inversione del flusso di potenza in un sistema MTDC in serie può essere facilmente ottenuta utilizzando sia convertitori a sorgente di tensione (VSC) che convertitori a sorgente di corrente (CSC). Tuttavia, quando si verifica un guasto o è richiesta manutenzione programmata per una linea specifica, l'intera rete DC sarà soggetta a un black-out. Similmente al sistema a due terminali HVDC, vengono utilizzati interruttori di circuito sul lato AC per de-energizzare la rete DC. Espandere il sistema MTDC in serie presenta anche difficoltà. L'installazione di nuove stazioni terminali richiede un black-out completo della rete, poiché la rete DC a forma di anello deve essere divisa al punto di installazione, interrompendo l'approvvigionamento di energia a tutte le altre stazioni lungo il percorso.
Sistema MTDC in Parallelo
In un sistema MTDC in parallelo, multiple stazioni convertitrici funzionanti come inverters o stazioni di carico sono collegate a una singola stazione convertitrice che agisce come raddrizzatore. Questa stazione raddrizzatrice fornisce energia all'intera rete DC. Analogamente a un circuito elettrico in parallelo, la tensione rimane costante in tutte le stazioni inverter o di carico, con il suo valore impostato da una delle stazioni convertitrici. Al contrario, la fornitura di corrente varia in base alla domanda di potenza di ciascuna stazione. Per mantenere un flusso di corrente bilanciato, la corrente viene regolata dinamicamente in risposta ai requisiti di potenza di ciascuna stazione di carico. Generalmente, le stazioni terminali in un sistema MTDC in parallelo hanno una capacità superiore rispetto a quelle in una rete MTDC in serie.
Sistema MTDC in Parallelo (Continuazione)
L'inversione del flusso di potenza in un sistema MTDC in parallelo può essere realizzata attraverso metodi di inversione di tensione o di corrente. Quando si utilizza l'inversione di tensione, che è tipicamente associata a stazioni terminali basate su convertitori a sorgente di corrente (CSC), ha un impatto su tutte le stazioni convertitrici. Di conseguenza, deve essere implementato un sistema di controllo e comunicazione altamente sofisticato tra questi convertitori per gestire questo effetto. D'altra parte, se l'inversione del flusso di potenza viene realizzata utilizzando il metodo di inversione di corrente, che è spesso associato a stazioni terminali basate su convertitori a sorgente di tensione (VSC), il processo è molto più semplice da eseguire. Questo è il motivo principale per cui i VSC sono preferiti rispetto ai CSC nei sistemi MTDC in parallelo.
In un sistema MTDC basato su VSC, poiché la tensione rimane costante, la potenza nominale della stazione terminale è determinata dalle correnti nominali del convertitore valvola. Questa configurazione offre un vantaggio significativo in termini di controllo del flusso di potenza all'interno della rete DC. Può regolare con precisione il flusso di potenza iniettando corrente in linee specifiche, che è un approccio più conveniente rispetto al meccanismo di controllo del potere nei sistemi in serie che si basano sul controllo della tensione in ciascuna stazione.
Uno dei tratti più notevoli del sistema MTDC in parallelo è la sua resilienza di fronte ai guasti. Se si verifica un guasto in qualsiasi delle stazioni terminali, il resto della rete DC rimane indenne. Tuttavia, per isolare le linee DC specifiche associate alla stazione difettosa, è necessario un interruttore di circuito DC separato. Inoltre, durante l'espansione della rete DC, non è necessario interrompere l'approvvigionamento di energia. Ciò perché le nuove stazioni terminali possono essere installate in parallelo con le linee esistenti, garantendo un'integrazione senza soluzione di continuità senza interrompere la distribuzione di energia in corso.
Un altro vantaggio del sistema MTDC in parallelo è la sua relativa semplicità nella coordinazione dell'isolamento rispetto a un sistema in serie. Grazie alla tensione costante nella rete, i requisiti di isolamento sono più facili da gestire.
Il sistema MTDC in parallelo può essere ulteriormente classificato in due categorie:
Sistema MTDC Radiale
Il sistema MTDC radiale è un tipo specifico di configurazione MTDC in parallelo. In questa configurazione, se si verifica una rottura in una linea di trasmissione o la rimozione di un collegamento, ciò porterà all'interruzione dell'approvvigionamento di energia a una o più stazioni convertitrici. Questa caratteristica rende il sistema MTDC radiale piuttosto vulnerabile a scenari di errore in un singolo punto, poiché qualsiasi interruzione nella linea di trasmissione può avere un impatto diretto sull'approvvigionamento di energia a determinate parti della rete.
La figura fornita mostra una configurazione in cui quattro stazioni inverter sono collegate a una singola stazione raddrizzatrice. In questa configurazione, è evidente che se si verifica una rottura in una delle linee, inevitabilmente ne risulterà l'interruzione dell'approvvigionamento di energia a almeno una stazione terminale. Questa vulnerabilità rende il sistema MTDC radiale meno affidabile rispetto ai sistemi MTDC a maglia o anello.
Sistema MTDC a Maglia (Anello)
In un sistema MTDC a maglia o anello, le stazioni inverter (di carico) sono interconnesse con una singola stazione raddrizzatrice in una formazione a maglia o anello. Uno dei principali vantaggi di questa configurazione è che, anche se si verifica una rottura in una singola linea di trasmissione o la rimozione di un collegamento, non porta all'interruzione dell'approvvigionamento di energia a nessuna delle stazioni inverter. La figura successiva illustra chiaramente un tale sistema MTDC a maglia o anello. Questa intrinseca resilienza ai guasti delle linee rende il sistema MTDC a maglia o anello un'opzione più affidabile per la trasmissione e la distribuzione di energia in determinate applicazioni, poiché può resistere meglio alle interruzioni e assicurare un approvvigionamento continuo di energia alle stazioni di carico connesse.
Come illustrato, in un sistema MTDC a maglia o anello, la rimozione di un singolo collegamento non interrompe l'approvvigionamento di energia a nessuna stazione convertitrice. Invece, l'energia elettrica viene automaticamente reindirizzata attraverso collegamenti alternativi all'interno della rete. Questo reindirizzamento fluido è reso possibile dalla natura interconnessa della configurazione a maglia o anello. Tuttavia, è cruciale notare che questi collegamenti alternativi devono essere progettati con cura per gestire la trasmissione di potenza aumentata, minimizzando le perdite di potenza.
L'assenza di interruzioni di energia nel sistema MTDC a maglia è un vantaggio significativo. Garantisce un approvvigionamento di energia continuo e stabile, anche di fronte a guasti inaspettati dei collegamenti. Di conseguenza, un sistema MTDC a maglia connesso in parallelo offre un'alta affidabilità rispetto al suo omologo radiale connesso in parallelo. La suscettibilità del sistema radiale a interruzioni di energia dovute a interruzioni di un singolo collegamento impallidisce in confronto alla robusta capacità del sistema a maglia di mantenere il flusso di potenza in circostanze simili, rendendo il sistema MTDC a maglia o anello la scelta preferita per applicazioni in cui la fornitura ininterrotta di energia è di fondamentale importanza.
