Controllore centralizzato

L’immagine seguente presenta la schermata del sistema di controllo centralizzato di PVZEN. Da questa schermata è possibile verificare in tempo reale le potenze prodotte dei generatori fotovoltaici, lo stato di carica delle batterie (State of Charge, SOC) e le potenze scambiate. In questo caso, il terzo convertitore (inverter 3) ha la funzione di “master” ed è l’unico ad avere un collegamento con la rete elettrica esterna. Nel caso venga aperto il collegamento con la rete, l’inverter 3 ha il compito di generare la tensione di riferimento per gli altri convertitori. Gli inverter 1 e 2 sono in funzione “slave”.

Il software di controllo in tempo reale dei convertitori è sviluppato in ambiente MATLAB®.

Logica #1: Utilizzo dei dispositivi di accumulo di energia come bilancio

La logica base prevede che ogni unità sia autonoma, cioè non vi siano scambi di potenza tra i tre generatori. La configurazione adottata è la configurazione master-slave, in cui solo il convertitore tre è connesso alla rete elettrica, che offre supporto alle unità nel caso in cui la produzione fotovoltaica e l’energia accumulata nelle batterie, di cui ogni unità è provvista, non sia sufficiente ad alimentare i carichi.

Nella logica base la priorità viene data alle batterie prima che alla rete. Per comprendere il funzionamento della logica base, si considerano i seguenti casi, riferiti ad una singola unità:

• Se la produzione fotovoltaica è maggiore dell’energia richiesta dal carico che sta alimentando, la potenza in surplus viene utilizzata per caricare la batteria, fin quando lo SOC della batteria non raggiunge il suo limite superiore. Una volta caricata fino al suo limite massimo, la potenza in eccesso viene iniettata in rete.
• Se la produzione fotovoltaica è minore del carico richiesto, la potenza richiesta dal carico verrà primariamente fornita dalla batteria fin quando il suo SOC non raggiunge il suo limite inferiore. Una volta raggiunto tale limite, il carico comincerà ad essere alimentato dalla rete elettrica.

La figura seguente mostra andamenti significativi della produzione fotovoltaica e dello SOC della batteria della prima unità.

La linea in azzurro nel grafico in alto rappresenta la generazione fotovoltaica, che in accordo con quanto atteso raggiunge il picco durante la giornata per poi azzerarsi durante la notte. Ancora nel grafico in alto, in arancione è rappresentato il carico. La linea in azzurro nel grafico in basso rappresenta la variazione dello SOC della batteria della prima unità nel corso della simulazione, della durata di 3 giorni. La batteria si carica durante il giorno, mentre la generazione fotovoltaica è positiva e maggiore del carico, per poi scaricarsi durante la notte, quando la produzione fotovoltaica si azzera a fronte di un carico non nullo.

Nel grafico in alto, in viola, è rappresentata anche la potenza scambiata con la rete elettrica. Nelle fasi di transizione tra la carica e la scarica della batteria, cioè quando i pannelli fotovoltaici smettono di produrre potenza e i carichi cominciano ad essere alimentati dalla batteria, prima che la batteria raggiunga il pieno carico anche la rete offre supporto al carico, iniettando energia nella prima unità.

Logica #2: utilizzo dei dispositivi di accumulo di energia condivisi mediante algoritmo di ottimizzazione

La seconda logica di controllo, sviluppata in ambiente MATLAB, rappresenta una logica di ottimizzazione del sistema mirata ad incrementarne l’autosufficienza. Questo obiettivo viene perseguito grazie all’utilizzo di una funzione di ottimizzazione MATLAB, che basandosi sulle previsioni meteorologiche su un periodo di tempo definito, restituisce gli SOC che, ora dopo ora, le batterie devono mantenere per massimizzare l’autosufficienza della micro rete. Definiti gli SOC delle batterie ora per ora, noti i consumi dei carichi e la produzione fotovoltaica, risulta noto anche la potenza assorbita dalla rete elettrica.

La massimizzazione dell’autosufficienza della micro rete fa sì che le unità che compongono la micro rete non operino più come singole unità a sé stanti, ma che comincino a scambiare energia l’una con l’altra a seconda delle esigenze, scaricando o ricaricando le rispettive batterie. Se, per esempio, una delle unità si trova in deficit (produzione fotovoltaica minore rispetto al carico) e un’altra in surplus (produzione fotovoltaica maggiore rispetto al carico), anziché assorbire potenza dalla rete elettrica la seconda unità mette il surplus di potenza prodotta a disposizione della prima unità. Questo, complessivamente, riduce lo scambio di potenza tra la micro rete e la rete elettrica e ne massimizza l’autonomia.

Di seguito sono mostrati dei grafici a spiegare il funzionamento della logica di ottimizzazione.

Confrontando l’andamento dello SOC della Unit 1 relativo alla Logica #2 con quello relativo alla Logica #1 è evidente un aumento marcato del livello di scarica. Mentre nella Logica #1 la batteria raggiungeva al minimo il 60% della sua piena carica, con la Logica #2 arriva a scaricarsi quasi completamente, a testimonianza del fatto che, oltre al carico della prima unità, essa offre supporto anche ai carichi delle altre unità.

Nel grafico precedente si evidenzia come una profonda fase di scarica della batteria precede sempre picchi di generazione, durante i quali si prevede e si tiene in conto che la batteria sia in grado di ricaricarsi quasi completamente, come poi accade.

I risultati della Logica #2 sulle Unità 2 e 3 sono diversi. Come evidente dai grafici illustrati di seguito, a differenza di quanto accadeva con la Logica #1, quando esse si trovano in deficit con disponibilità di energia da parte della batteria, i carichi non assorbono energia dalla batteria bensì dalla rete.

Osservando il comportamento sincrono delle unità, è stato osservato che quando le Unità 2 e 3 assorbono energia dalla rete, l’Unità 1 inietta energia in rete, a testimonianza del sostegno che la prima unità offre alle altre due. Prova di questo fenomeno viene mostrata nel grafico seguente.