Modellistica e Progetto di Sistemi Digitali di Regolazione della Tensione per la Transizione Energetica

The purpose of this thesis is to present the research studies for the definition that of a new secondary voltage regulator for the national transmission network. This regulator must be capable of managing the power system evolution caused by the energy transition and the application of climate change policies. The current voltage control architecture limitations are mainly due to the technological obsolescence, the design based on the prior monopolistic model of the energy market, and the control structure based on the assumption of both network structure and power flows invariance. Furthermore, due to the increase of distributed renewable energy sources usage, which will eventually replace fossil fuel-based generation, several fundamental hypotheses for the existing voltage regulator may no longer be valid. For these reasons the design of a new voltage control architecture is of interest. It should be based on the present national energy grid properties, able at utilizing new renewable sources, controlling the operational dynamics of the transmission network, and having robustness qualities superior to the current one. The first chapter of the thesis describes the hierarchical voltage regulation structure and its evolution, going into its components and various control logics. The second chapter describes the critical aspects of the current Italian voltage regulation architecture. In-depth studies are shown, through simulations and reconstructions of network events that actually occurred, to validate the presence and nature of any critical issues. In the third chapter, a review of the state of the art is carried out regarding new architectures and voltage regulation strategies, aiming to identify possible solutions for the critical issues highlighted. The absence of proposals applicable to the Italian network in the context of short-term implementation is demonstrated. Two promising control approaches in this sense are presented: Decoupling and Linear Quadratic Regulator with Integral actions (considered the most consistent with the management objectives of the future electricity grid). The fourth chapter is concerned with the implementation of control architectures that use the control techniques of chapter three, enabling the design of secondary regulators. Those regulators can be integrated into the current control structure while sticking to the previously specified requirements. The fifth chapter shows a linearized model of a portion of the Italian transmission network that was used to evaluate the control structures mentioned in chapter four. The hypotheses for the mathematical model's design and the results of simulations performed are described, which are valuable for considering the dynamic performance of control structures after various system disturbances. The best solution is examined in depth in the following chapters. The sixth chapter includes two studies on the execution of the previous chapter's solution, taking into account the availability of field measurements and the needs of the Italian transmission network. This activity enables the shift from an ideal mathematical model, which is only used to define control algorithms, to a model that is closer to actual control implementation. The seventh chapter presents a new network model, capable of representing the electrical system with more accuracy than the model used in chapter five. This new non-linear model of the network is based on recursive load-flow calculations. It enables the analysis of a broad range of operational points, precisely mirroring the behaviour of a real network. Simulations of the new secondary controller with the new network model are presented in order to validate its performance.

Lo scopo della tesi è di presentare gli studi effettuati per la definizione di un nuovo regolatore di tensione secondaria per la rete di trasmissione nazionale, dotato delle capacità necessarie a gestirne l’evoluzione a seguito della transizione energetica e dall’attuazione di politiche contro il cambiamento climatico. L’attuale architettura di controllo della tensione presenta limitazioni dovute all'obsolescenza delle tecnologie impiegate, alla progettazione basata sul precedente modello monopolistico del mercato elettrico, ed alla struttura di controllo fondata sull'assunzione di invarianza della struttura della rete e dei flussi di potenza. Inoltre, alcune delle ipotesi fondanti per l’attuale regolatore di tensione potrebbero risultare non più valide a causa dell'incremento di fonti di energia rinnovabile distribuita che gradualmente sostituirà la generazione basata su fonti fossili. Risulta di interesse lo sviluppo di una nuova architettura di controllo basata sulle caratteristiche attuali della rete elettrica nazionale, in grado di sfruttare le nuove fonti rinnovabili, capace di gestire le dinamiche operative della rete di trasmissione e con caratteristiche di robustezza superiori all’attuale. In particolare, il primo capitolo della tesi presenta la struttura di regolazione gerarchica di tensione e la sua evoluzione, approfondendo i suoi componenti e le diverse logiche di controllo. Il secondo capitolo descrive gli aspetti critici dell’attuale architettura di regolazione della tensione italiana. Vengono mostrati studi approfonditi, per mezzo di simulazioni e ricostruzioni di eventi di rete realmente accaduti, per convalidare presenza e natura di eventuali criticità. Nel terzo capitolo si effettua una rassegna dello stato dell’arte riguardante nuove architetture e strategie di regolazione della tensione, volendo identificare possibili soluzioni per le criticità messe in evidenza. Si dimostra l’assenza di proposte applicabili alla rete italiana nel contesto di una realizzazione nel breve termine. Sono presentati due approcci controllistici promettenti in tale senso: Decoupling e Linear Quadratic Regulator with Integral actions (considerati i più coerenti con gli obiettivi di gestione della rete elettrica futura). Il quarto capitolo tratta le implementazioni delle architetture di controllo che, sfruttando gli approcci controllistici del capitolo tre, consentano la realizzazione di regolatori secondari integrabili nell’attuale struttura di controllo, seguendo le esigenze elencate in precedenza. Il quinto capitolo presenta il modello linearizzato di una porzione di rete di trasmissione italiana utilizzato per i test delle strutture di controllo di cui il capitolo quattro. Sono presentate le ipotesi per la costruzione del modello matematico ed i risultati di simulazioni eseguite, utili a valutare le prestazioni dinamiche delle architetture di controllo, a seguito di differenti perturbazioni del sistema. Il sesto capitolo presenta due studi riguardanti l’implementazione della soluzione identificata nel capitolo precedente, considerando la disponibilità delle misure dal campo e le esigenze della rete di trasmissione italiana. Quest’attività consente il passaggio da un modello matematico ideale, utilizzato unicamente per la definizione degli algoritmi di controllo, ad un modello che più si avvicini alla realizzazione effettiva. Il settimo capitolo presenta un nuovo modello di rete, capace di emulare il sistema elettrico in esame in modo più fedele rispetto al modello utilizzato nel capitolo sei. Tale modello non-lineare della rete è basato su calcoli di load-flow ricorsivi. Esso consente di analizzare uno ampio spettro di punti di lavoro, riflettendo con precisione il comportamento di una rete reale. Le simulazioni del nuovo controllore secondario con il nuovo modello di rete sono presentate al fine di validarne le prestazioni.