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 e un sistema di accumulo centralizzato 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 blu e rosse 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)
• un BESS centralizzato (capacità nominale 56.7 kWh)
• tre inverter (potenza nominale AC totale 15 kVA)
• un inverter a servizio del BESS centralizzato (potenza nominale AC 24 kVA)
• due quadri elettrici AC a cui convergono tutti i cavi AC.

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) a servizio delle utenze 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.

Il sistema di accumulo centralizzato, invece, è composto da 12 moduli di capacità maggiore. In particolare ogni modulo ha capacità nominale di 4.8 kWh per un totale di capacità del sistema di accumulo di 57.6 kWh. I moduli sono montati su tre armadi differenti, così come mostrato nella seguente figura.

Inverter

Gli inverter adottati sono inverter trifase per applicazioni non connesse alla rete (off-grid). Gli inverter delle utenze 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.

L’inverter centrale, che gestisce l’accumulo centralizzato, è composto da da tre inverter Leonardo PRO X 8000/48 Off-Grid installati in parallelo. Questa tipologia di installazione permette di considerare i tre inverter come uno unico ma di potenza triplicata. La potenza di ciascun inverter è pari a 8 kW mentre la potenza dell’inverter centrale è pari a 24 kW. Le porte AC-IN e AC-OUT sono collegate in maniera differente a seconda della configurazione dell’impianto scelta.

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.

Quadri elettrici AC

Al laboratorio PVZEN sono presenti due quadri AC: il primo di dimensioni maggiori nominato Quadro Principale, il secondo di dimensioni minori nominato Quadro Secondario. All’interno sono installate protezioni, strumenti di misura, UPS, contattori, morsettiere e altra componentistica elettrica da quadro. Nella seguente tabella è riportata l’organizzazione concettuale dei due quadri.

QUADRO PRINCIPALE	QUADRO SECONDARIO
interruttore generale, AC-IN inverters	utenza 1
blocco centrale	utenza 2
UPS e carichi privilegiati	utenza 3

I quadri AC sono volutamente molto spaziosi all’interno perché sono soggetti a numerose operazioni. Infatti, trattandosi di un laboratorio sperimentale succede sovente che si facciano modifiche e misurazioni. L’accessibilità a tutte le apparecchiature in maniera agile è dunque indispensabile in questi casi.

Per dettagli ulteriori sui quadri sono consultabili su questa pagina di approfondimento https://pvzen.polito.it/quadro-ac-dettagli-sulla-struttura-e-funzionamento/

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.

Strumentazione di misura delle variabili elettriche

La strumentazione di misura e monitoraggio è composta da sei CVM-E3-MINI marcati ASITA . Questi dispositivi sono in grado di effettuare misure di tensione, corrente, potenza ed energia. Inoltre, forniscono una analisi power quality. Il dispositivo nasce per effettuare una misura trifase ma i tre ingressi sono utilizzabili in maniera indipendente. Ciò permette di utilizzare un solo dispositivo per tre punti di misura. Ogni ingresso si compone di un punto di misura della tensione (protetto da fusibile) e della corrente mediante TA.

I punti misurati sono in totale 16 su 18 disponibili. Tali punti di misura sono consultabili nella seguente immagine.

Per ulteriori informazioni sulla strumentazione di misura si visiti il seguente link : https://pvzen.polito.it/sistema-di-monitoraggio-asita/ .

Sistema di monitoraggio delle variabili ambientali

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.