Struttura del laboratorio PVZEN

Il laboratorio PVZEN è stato costruito secondo la logica Hardware-in-the-Loop (HIL). E’ costituito da una micro rete elettrica a cui sono connessi tre prosumers che possono scambiare potenza elettrica in accordo con la logica impostata dall’unità di controllo centralizzato.

Il metodo HIL è un metodo largamente utilizzato nei sistemi caratterizzati da parti di difficile funzionamento e modellazione, permette di inserire nello stesso modello parti reali e parti virtuali e di valutare le prestazioni dell’hardware. Il metodo HIL è stato adottato in diversi studi con differenti finalità, nel caso del PVZEN è stato adoperato per simulare una comunità energetica.

In accordo con l’HIL, il laboratorio PVZEN è stato strutturato nel modo seguente: i moduli fotovoltaici e le batterie sono dei componenti reali connessi alla micro rete, i carichi connessi, invece, sono simulati. Il risultato è un modello di comunità energetica.

La possibilità di simulare i carichi e modificarne la richiesta di energia permette di studiare il comportamento delle comunità energetiche sotto diverse configurazioni di carico senza necessità di carichi reali, come abitazioni o strutture commerciali.

Coerentemente col metodo HIL, il laboratorio è stato strutturato secondo tre sezioni: l’apparecchiatura hardware, i componenti virtuali e l’emulatore, che riproduce il comportamento dei componenti simulati e provvede alla connessione dell’apparato fisico con quello virtuale.

L’hardware include tutta l’apparecchiatura fisica presente in laboratorio e connessa alla rete: generatori fotovoltaici, BESS, inverter, così come cavi elettrici e armadi per le connessioni elettriche. I componenti virtuali sono gli edifici, il cui consumo energetico viene simulato in tempo reale attraverso un computer dedicato. L’emulatore riproduce a livello elettrico il consumo virtuale degli edifici, attraverso una serie di resistenze connesse al lato AC degli inverter.

Il laboratorio PVZEN è anche provvisto di un sistema di acquisizione dati (Data acquisition system) che monitora le variabili elettriche ed ambientali in maniera continua, e un’unità di controllo centralizzato che gestisce lo scambio di potenza interno alla micro rete e tra la micro rete e la rete elettrica esterna.

La figura in basso riproduce schematicamente la struttura del PVZEN. Le linee tratteggiate e continue rappresentano rispettivamente lo scambio di dati e i flussi di potenza.

Apparecchiatura Hardware

L’apparecchiatura hardware include:

• tre generatori fotovoltaici (potenza nominale totale 11.1 kW)
• un quadro elettrico DC, dove convergono tutti i cavi solari in uscita dai moduli FV prima della connessione agli inverter
• tre BESS (capacità nominale totale 28.8 kWh)
• tre inverter (potenza nominale AC totale 15 kVA)
• un quadro elettrico AC a cui convergono tutti i cavi AC in uscita dal lato AC degli inverter.

I tre generatori fotovoltaici sono installati su un terrazzo piano del Politecnico di Torino, mentre le batterie BESS, gli inverter e i quadri elettrici sono all’interno di una stanza adiacente. I moduli FV installati e l’apparecchiatura indoor sono rappresentati nelle foto seguenti.

Moduli fotovoltaici

Ogni modulo installato ha una potenza nominale di 370 W, è costituito da 60 celle fotovoltaiche con tecnologia a contatti posteriori in silicio monocristallino (tipo N) e tre diodi di by-pass. I generatori installati raggiungono efficienze elevate (21.4%) e sono organizzati in 10 stringhe da 3 moduli ciascuna, per un totale di 30 moduli. Tutte le stringhe sono inclinate a 10° con possibilità di modifica, mentre l’azimut è a -64° E e 116° W, la seguente convenzione è stata assunta per l’angolo di azimut: γ = 0° rispetto al Sud e γ = 90° rispetto all’Ovest. Le stringhe di moduli sono ripartite tra i generatori a formare tre blocchi. I diversi angoli di Azimut e potenze nominali dei generatori FV fanno sì che ogni blocco abbia una produzione diversa rispetto agli altri, a rappresentare diverse installazioni di moduli fotovoltaici che possono essere realizzate sui tetti degli edifici.

La figura seguente mostra com’è strutturato il terrazzo su cui sono stati montati i moduli fotovoltaici e come sono suddivisi i moduli FV tra i generatori.

I moduli fotovoltaici sono stati installati nel lato Sud del tetto al fine di evitare l’ombreggiatura della struttura, come mostrato nella figura in alto.

I tre generatori fotovoltaici, complessivamente, producono 11.1 kW di potenza nominale, ripartiti in maniera non uguale tra i tre utenti simulati.

Quadro elettrico DC

Il quadro elettrico DC contiene:

• Cavi in entrata e in uscita (senza interruttori)
• dispositivi di protezione e disconnessione (fusibili)
• dispositivi di misura delle grandezze elettriche (corrente e tensione)

I cavi connessi in ingresso sono complessivamente 20, uno positivo ed uno negativo per ogni stringa, per cui un ugual numero di fusibili è stato installato. I cavi solari provenienti dalle stringhe appartenenti allo stesso generatore sono connesse ai fusibili, fissati allo stesso supporto metallico orizzontale, come evidenziato nella figura seguente.

Sistemi di accumulo dell’energia

Ogni sistema di accumulo di energia (BESS) è costituito da quattro moduli di batterie a litio-ferro-fosfato montati in parallelo, ciascuno avente capacità nominale di 2.4 kWh, per un totale di 9.6 kWh di capacità nominale per ciascun BESS, di cui 8.64 kWh utilizzabili. I moduli di batterie sono installati all’interno dei quadri elettrici, in modo tale da garantire le condizioni operative per diverse logiche di funzionamento.

Inverter

Gli inverter adottati sono inverter trifase per applicazioni non connesse alla rete (off-grid). Hanno potenza nominale AC 5 kVA, efficienza di conversione tipicamente pari al 95% e sono adatti al supporto di moduli FV con sistemi di accumulo di energia grazie ad un efficienza del regolatore di carica fotovoltaico del 97%. Nella figura sottostante è raffigurato il lato posteriore di un inverter. Sulla destra si trovano 8 canali d’ingresso, 4 positivi e 4 negativi, che permettono la connessione di al massimo 4 stringhe FV. Sulla sinistra si trova l’ingresso del sistema di accumulo DC, l’uscita AC per la connessione con i carichi e l’ingresso AC per la connessione di un gruppo elettrogeno. Il gruppo elettrogeno può essere sostituito dalla rete elettrica esterna, altrimenti l’ingresso può essere anche lasciato libero nelle diverse logiche di funzionamento. Infine, il canale di connessione per il dispositivo di controllo e acquisizione dati. I due canali AC sono bidirezionali e permettono alla potenza di circolare sia in ingresso sia in uscita dall’inverter. Questa caratteristica permette diverse configurazioni di funzionamento per il laboratorio.

I cavi connessi ai canali AC confluiscono al quadro elettrico AC, che è provvisto di interruttori che permettono di modificare la configurazione della micro rete, permettendo diversi tipi di prove.

Il dispositivo di controllo e acquisizione dati può essere controllato da remoto in tempo reale, permettendo la continua gestione e supervisione dei flussi di potenza dai morsetti AC.

Gli inverter del laboratorio PVZEN sono altamente flessibili, adatti a lavorare i diverse configurazioni e modalità di funzionamento e permettono il controllo e monitoraggio da remoto, si dimostrano quindi perfetti per svolgere attività di ricerca sperimentale.

Quadro elettrico AC

Il quadro elettrico AC è unico per tutto il sistema, contiene dispositivi di misura, protezione e controllo e i canali di ingresso e di uscita dei cavi ad esso connessi.

Dal quadro AC si diramano quattro linee predisposte ad alimentare i carichi di ciascun utente della micro rete. Il laboratorio PVZEN è connesso alla rete elettrica esterna attraverso un unico puto di connessione ad una linea trifase in bassa tensione. A monte del quadro, interposto tra la rete elettrica esterna e la micro rete, è presente l’interruttore magneto-termico generale; ognuna delle quattro linee di alimentazione è provvista di un interruttore differenziale magneto-termico. La microrete è strutturata in maniera tale che ogni utente possa ricevere energia da diverse sorgenti. Oltre alla fonte fotovoltaica e ai dispositivi di accumulo di energia, le utenze possono essere alimentate anche da una generica sorgente AC attraverso il canale AC dell’inverter, che può essere la rete elettrica esterna o l’energia AC prodotta da un altro utente della micro rete.

Con questa configurazione la microrete può funzionare sia in caso le tre utenze siano connesse a fasi diverse sia se connesse alla stessa fase. Dodici interruttori di interblocco sono stati installati nella microrete per permettere modifiche alla configurazione (i.e. configurazione master-slave). La figura seguente mostra il quadro elettrico AC installato in laboratorio con una leggenda a spiegare l’utilizzo dei canali del quadro nel laboratorio PVZEN.

Edifici virtuali

La presenza di edifici virtuali permette di simulare diversi tipi di consumi, come l’uso commerciale, scolastico o residenziale, e di modificare la struttura della microrete del laboratorio PVZEN in termini di utenze energetiche. Dal punto di vista sperimentale, ciò significa che il laboratorio permette di studiare le prestazioni di diverse comunità energetiche.

Attraverso gli edifici virtuali viene simulata l’elettrificazione dei maggiori utilizzi finali dell’energia. Si intende soddisfare la richiesta di energia termica, per esempio, utilizzata comunemente per il riscaldamento degli interni, attraverso sistemi ad energia elettrica. A tal fine non è possibile basarsi sulle curve di carico disponibili dai consumi degli edifici reali, ma è necessario calcolare l’energia termica necessaria, per esempio, per il condizionamento degli interni. Sulla base di questi calcoli, occorre poi considerare quanta di questa domanda gli impianti fotovoltaici sono in grado di soddisfare in funzione delle condizioni ambientali che influiscono primariamente sulla generazione fotovoltaica. Oltre ai calcoli in previsione, occorre poi svolgere simulazioni in tempo reale così da considerare anche le reali condizioni ambientali correnti, principalmente irradianza e temperatura dell’aria. Per simulare il consumo energetico degli edifici viene utilizzato il software EnergyPlus, adattato per simulazioni in tempo reale. Attraverso un codice Matlab è stata sviluppata un’applicazione che combina le misure in tempo reale delle condizioni ambientali e il consumo energetico degli edifici simulati, che tiene conto sia dell’energia assorbita dagli apparecchi elettrici sia l’energia termica richiesta convertita in energia elettrica. L’applicazione è poi in grado di impostare in tempo reale il valore di potenza elettrica che deve essere dissipata dai resistori, che simulano i carichi. Attraverso le simulazioni in tempo reale viene emulato il comportamento degli edifici e vengono studiati i flussi di potenza e le migliori configurazioni di funzionamento.

Emulatore di edifici

L’emulatore di edifici riproduce il comportamento degli edifici in termini di consumo energetico in laboratorio. Esso assorbe la potenza elettrica risultante dalle simulazioni in tempo reale. L’emulatore è stato realizzato appositamente per il laboratorio PVZEN da un’azienda specializzata ed è composto da tre paia di resistori avvolti attorno ad un quadro elettrico, posizionato nella stessa stanza che ospita le apparecchiature hardware. Ogni paio di resistori è connesso all’uscita AC di un inverter attraverso una delle quattro linee dedicate ai carichi del quadro elettrico AC. I resistori sono connessi al quadro come mostrato nella figura seguente sul lato posteriore. I resistori sono inseriti all’interno della colonna metallica verticale, equipaggiata alla base di quattro ventilatori per facilitare la dissipazione del calore. Ogni paio di resistori è connesso ad un regolatore di potenza monofase che regola la potenza da dissipare sui resistori. I regolatori di potenza possono operare attraverso la comunicazione in serie ModBus RTU, è così possibile regolare le grandezze elettriche (corrente, tensione, potenza, carico) e stato del dispositivo.

Sistema di monitoraggio

Il sistema di acquisizione dati è stato sviluppato dal DET per il laboratorio PVZEN per la misura delle grandezze elettriche in corrente continua e corrente alternata e le grandezze ambientali che influenzano il funzionamento dei moduli fotovoltaici. La misura delle grandezze elettriche viene realizzata attraverso un multimetro commerciale multi-canale. Il multimetro misura segnali di tensione, per cui i segnali di corrente vengono rilevati da sensori di corrente e convertiti in segnali di tensione.

Nello stesso terrazzo in cui sono montati i moduli fotovoltaici è presente una stazione meteorologica che misura le variabili ambientali che influenzano il comportamento dei moduli fotovoltaici, cioè la temperatura, l’umidità relativa, pressione atmosferica, la velocità del vento e la sua direzione, l’irradianza solare sul piano orizzontale, oltre all’eventuale presenza di precipitazioni atmosferiche. La temperatura di cella di quattro moduli fotovoltaici selezionati come maggiormente rappresentativi viene rilevata attraverso termistori Pt1000 collegati termicamente alla superficie posteriore dei moduli. Tutti i segnali di misura sono connessi allo stesso multimetro, installato nella stanza contenente tutta l’apparecchiatura dell’hardware e l’emulatore. Anche la temperatura interna della stanza viene monitorata attraverso un termistore Pt1000. Le due figure che seguono rappresentano rispettivamente il sistema di acquisizione dati e la stazione meteorologica.

Tutti gli strumenti di misura adottati possiedono un certificato di calibrazione oppure sono stati calibrati nel laboratorio del DET. L’incertezza della catena di misure è stata valutata e stimata con un livello di confidenza del 95%. Tutto il sistema di misura e monitoraggio è strutturato in maniera tale da poter essere in qualunque momento calibrato.

Modello energetico dei componenti

Moduli FV

Il modello energetico che descrive il comportamento dei moduli FV è stato selezionato tenendo in considerazione le esigenze del laboratorio PVZEN. E’ importante che il modello sia in grado di prevedere la produzione di potenza nel punto di massima sotto diverse condizioni meteorologiche, ma non risulta necessario determinare la potenza prodotta in ogni punto della curva caratteristica corrente-tensione. Per questo motivo, è stato adottato un modello semplificato basato su equazioni semi-empiriche che valuta solo i tre punti chiave della curva: corto circuito, circuito aperto e punto di massima potenza. In accordo col modello scelto, la produzione fotovoltaica dipende solo dall’irradianza incidente sul modulo FV e dalla temperatura del modulo. Il modello selezionato, complessivamente, rappresenta un ottimo compromesso tra semplicità e accuratezza.

Inverter

Il modello matematico utilizzato per descrivere il comportamento degli inverter tiene in conto delle perdite di conversione attraverso una funzione polinomiale di secondo grado della potenza in uscita dall’inverter, a rappresentare il calo di tensione ai capi del semiconduttore e le perdite Joule.

BESS

Per rappresentare il comportamento dei sistemi di accumulo di energia è stato scelto un modello basato sull’evoluzione dello state of charge (SOC), definito come il rapporto tra la capacità energetica rimanente rispetto a quella nominale. Il SOC esprime la disponibilità del dispositivo di accumulo a ricevere o fornire energia nelle fasi di carica o scarica. Il modello energetico selezionato è denominato “Energy reservoir model”, perché è basato sulla capacità disponibile. Il modello assume che i dispositivi abbiano efficienza di carica e efficienza di scarica distinti e potere di auto-scarica; l’efficienza di carica viene assunta pari al 100%.

Micro rete

I modelli utilizzati per rappresentare il comportamento dei componenti combinati insieme costituiscono il modello virtuale della micro rete. Il modello della micro rete è stato sviluppato su MATLAB, attraverso un codice che stima i flussi di potenza in circolazione lungo la micro rete in uno specifico periodo di tempo. Il codice è stato validato attraverso il confronto con i dati di monitoraggio e rappresenta una generica micro rete con N utenti, con o senza pannelli FV.