July 2012

SMA sposta il conduttore esterno

Del perché la potenza reattiva è importante e giusta e non crea alcun problema alla tecnologia SMA

La potenza reattiva si crea ogni qualvolta che l’energia viene trasmessa con l’ausilio di corrente alternata. La sua importanza per gli installatori e i gestori, sia di impianti piccoli che grandi, sta aumentando. La scoperta più importante: la potenza reattiva non è assolutamente un problema. Rappresenta addirittura la soluzione ad alcuni problemi.

Dal 1° luglio 2010 sono entrate in vigore nuove regole. Gli impianti fotovoltaici che immettono in rete a livelli di media tensione devono essere in grado di fornire potenza reattiva: questo è quanto prevede la normativa modificata nel 2008 sull’immissione in media tensione dell’Associazione per l’energia e le risorse idriche in Germania (BDEW). Per la rete di bassa tensione si discutono addirittura requisiti più severi. Un motivo sufficiente per occuparsi di questo tema: che cos’è la potenza reattiva? A cosa serve? Cos’è richiesto agli impianti FV? E quali soluzioni offre SMA?

La potenza reattiva in pillole

Per spiegare la potenza reattiva è possibile prendere come esempio le entrate e le uscite di un’azienda: a gennaio entrano 10 000 euro, a febbraio si registrano uscite pari a 10 000. Nei mesi successivi il tutto si ripete. Nonostante un fatturato mensile di 10 000 euro, l’utile medio è pari a zero... la potremmo chiamare pure potenza reattiva. Ma come si crea qualcosa del genere nella rete di corrente alternata?

Come nasce la potenza reattiva?

Per la corrente continua la situazione è ancora semplice: il prodotto tra tensione e amperaggio è la potenza. Tuttavia per la corrente alternata le cose si complicano un pochino, perché potenza e direzione del flusso di corrente e della tensione cambiano regolarmente. Nella rete pubblica assumono entrambe un andamento sinusoidale con una frequenza di 50 o 60 Hz. Finché la corrente e la tensione sono “in fase”, ovvero oscillano quasi con lo stesso passo, il prodotto delle due grandezze pulsanti risulta in una potenza altrettanto pulsante con valore medio positivo, la potenza attiva assoluta (fig. 1a).

Fig. 1a: Senza differenza di fase il prodotto della corrente i e della tensione u è una potenza pulsante ma pur sempre positiva, ovvero la potenza attiva assoluta.

Non appena gli andamenti sinusoidali di corrente e tensione sono spostati gli uni verso gli altri, il loro prodotto è una potenza con segno positivo e negativo in alternanza. In casi estremi la corrente e la tensione sono sfasati de un quarto di periodo: l’amperaggio raggiunge il suo valore massimo sempre quando la tensione è pari a zero, e viceversa. Il risultato: potenza reattiva assoluta, le quote di potenza positive e negative si annullano completamente (fig. 1b)

Fig. 1b: Con una differenza di fase pari a 90 gradi tra la corrente i e la tensione u si genera una potenza alternativamente positiva e negativa con il valore medio pari a zero - potenza reattiva assoluta.

La differenza summenzionata è definita anche differenza di fase, e può avere per natura due direzioni. Essa si genera se nello stesso circuito di corrente alternata si trovano bobine o condensatori, ed effettivamente è sempre così: tutti i motori o trasformatori contengono bobine (assicuranolo spostamento induttivo), e anche i condensatori (si occupano dello spostamento capacitivo) sono piuttosto frequenti.
Ma anche i cavi elettrici a più fili agiscono come un condensatore, mentre le linee aeree dell’alta tensione possono essere considerate come bobine allungate. È quindi chiaro che una certa differenza di fase, e dunque potenza reattiva, è pressoché inevitabile nelle reti a corrente alternata. La grandezza misurabile della differenza di fase è il fattore di sfasamento cos φ, che può assumere valori compresi tra 0 e 1. Con il suo ausilio è possibile convertire molto semplicemente diversi valori di potenza (v. riquadro informativo).

In che modo influisce la potenza reattiva sulla rete pubblica?

Solo la potenza attiva è utilizzabile. Con essa è possibile azionare macchinari, accendere lampadine o stufette elettriche. Per la potenza reattiva la situazione è diversa: essa non si consuma e pertanto non è utilizzabile. Oscilla semplicemente avanti e indietro nella rete pubblica, per giunta appesantendola. Poiché tutti i cavi, gli interruttori, i trasformatori e altri componenti devono tener conto della potenza reattiva aggiuntiva.
In concreto: devono essere dimensionati per la potenza apparente, ovvero per la somma geometrica di potenza attiva e reattiva. Anche le perdite ohmiche durante il trasporto dell’energia si verificano a causa della potenza apparente; una maggiore potenza reattiva comporta dunque perdite da trasporto maggiori.

Decongestionamento delle reti pubbliche e regolazione della tensione

Per fortuna è possibile tuttavia compensare una eventuale differenza di fase. Ciò che occorre è soltanto una differenza di fase contraria prodotta da bobine o condensatori di compensazione oppure da un inverter. In questo modo si compensano da un lato le perdite di trasporto e si carica dall’altro la rete solo con la potenza attiva. Le capacità di potenza liberatesi possono essere impiegate per la trasmissione di ulteriore potenza attiva.
La differenza di fase capacitiva o induttiva ha tuttavia un altro effetto: aumenta o riduce la tensione nella rete. Così nelle grandi centrali elettriche l’energia viene generata già con una differenza di fase capacitiva, per compensare l’effetto di riduzione della tensione di linee aeree e trasformatori. Per la regolazione di rete, il controllo della differenza di base o della potenza reattiva è quindi fondamentale, ciò non vale solo per le grandi centrali fotovoltaiche ma anche per gli impianti FV nella rete di media o bassa tensione.

Ecco cosa prevede la normativa sull’immissione in media tensione

Conformemente alla normativa sull’immissione in media tensione del BDEW, da luglio 2010 i gestori di rete possono pretendere l’immissione di potenza reattiva induttiva o capacitiva con un fattore di sfasamento pari a 0,95. In realtà alcuni di loro hanno cominciato già prima a richiedere l’immissione di potenza reattiva per consentire il collegamento degli impianti in determinati punti della rete, talvolta perfino con un fattore di sfasamento pari a 0,90. È in fase di elaborazione una normativa analoga per la rete di bassa tensione. Anche in uno studio del Politecnico di Monaco di Baviera viene proposto un fattore di sfasamento pari a 0,90.
Il perché? Per motivi legati alla fisica l’immissione di potenza attiva causa un aumento della tensione soprattutto nelle reti di bassa tensione che in determinate circostanze, può risultare problematico (v. fig. 3). Al contempo è tuttavia necessaria molta potenza reattiva per ridurre nuovamente la tensione.

Le soluzioni di SMA

SMA offre una gamma di prodotti capaci di immettere potenza reattiva: tutti gli inverter centrali più recenti, gli inverter SunnyMini Central con Reactive Power Control (termine ingl. per potenza reattiva) e anche il nuovo Sunny Tripower sono dimensionati per fornire potenza reattiva. Gli attuali inverter centrali della serie HE soddisfano tutti i requisiti in vigore dalla metà del 2010 imposti dalla normativa sull’immissione in media tensione e offrono fattori di sfasamento fino a 0,90, mentre gli altri apparecchi persino fino a 0,80.

Power Reducer Box: un multitalento
Con Power Reducer Box di SMA viene inoltre fornita una soluzione di comunicazione per la regolazione esterna del fattore di sfasamento: oltre alla limitazione in remoto della potenza immessa, l’apparecchio permette di scegliere a distanza tra un massimo di 16 fattori di sfasamento o valori di potenza reattiva liberamente definibili (occorre tenere conto dei valori massimi dell’inverter utilizzato).

Alta tecnologia con vantaggi aggiuntivi
Gli innovativi set Sunny Backup di SMA sono addirittura un passo avanti: in caso di blackout della rete di alimentazione, un sistema di backup deve formare una rete ad isola adeguata con l’ausilio di batteria ed energia solare. E SMA ha già pensato al backup in “caso di emergenza”. L’inverter a batteria assume la funzione di generatore di rete ed è responsabile della tensione, della frequenza, della compensazione di potenza reattiva e del filtraggio di onde armoniche. È in grado di cedere tutta la sua potenza nominale come potenza reattiva, regolando così lo sfasamento di fase nella rete ad isola su un qualsiasi valore. Con una modifica del software, l’inverter Sunny Backup potrebbe farlo anche in caso di tensione di rete presente, decongestionando di conseguenza la rete di bassa tensione.

Modalità di progettazione con la potenza reattiva

Naturalmente occorre tenere conto della potenza reattiva durante il dimensionamento di un impianto FV. A tale scopo il fattore di sfasamento desiderato o richiesto riveste un ruolo fondamentale: determina infatti l’ammontare della potenza apparente e quindi la potenza dell’inverter ulteriormente necessaria. Con un valore cos φ di 0,95 si genera così una potenza apparente pari al 105,26% della potenza apparente FV offerta. Per poter immettere una potenza attiva di 100 kW con questa differenza di fase, è necessario un inverter con almeno 105 kVA di potenza apparente nominale (v. fig. 2). Importante: la potenza attiva assorbita dall’inverter è sempre pienamente disponibile. Nell’inverter si genera inoltre la rispettiva potenza reattiva, motivo per cui il suo dimensionamento deve essere maggiore. Con il software gratuito di progettazione SMA, “Sunny Design”, è possibile calcolare, a partire dalla versione 1.50, anche tutte le possibilità di immissione di potenza reattiva.

Fig. 2: La potenza reattiva desiderata viene generata nell’inverter, in aggiunta alla potenza attiva FV assorbita. La somma geometrica di entrambe corrisponde alla potenza apparente, che è determinante per il dimensionamento dell’inverter.

Risolvere i problemi con la potenza reattiva

In determinate circostanze l’immissione di potenza reattiva è del tutto conveniente per il gestore dell’impianto: un impianto può immettere solo poca potenza attiva, poiché altrimenti la tensione di rete supererebbe i valori consentiti, facendo disinserire gli inverter dalla rete. Soprattutto per l’immissione nella rete di bassa tensione (prevalentemente ohmica) può verificarsi un caso simile, in quanto anche l’immissione di potenza attiva influisce notevolmente sulla tensione di rete. Per gli impianti con potenza inferiore a 30 kWp, ciò è di competenza del gestore di rete, che deve mettere a disposizione un punto di immissione sufficientemente dimensionato. Per impianti di dimensioni maggiori, occorre tuttavia trovare la soluzione più conveniente da un punto di vista di fattibilità economica, indipendentemente dal fatto che sia a carico del gestore dell’impianto o del gestore di rete.
La tenuta della tensione tramite immissione di potenza reattiva rappresenta in alcune circostanze l’alternativa più conveniente: con una differenza di fase adatta tramite l’inverter, l’aumento della tensione è in talune circostanze ampiamente compensabile nel punto di collegamento alla rete, tanto da evitare con certezza una violazione dei criteri sulla tensione (v. fig. 3). In questo modo è possibile evitare un inutile potenziamento della rete (a carico del gestore di rete) o la scelta obbligata di un punto di collegamento alla rete più distante (a carico del gestore dell’impianto).
Per la cessione di potenza reattiva è tuttavia necessario investire negli inverter per una potenza supplementare. Quest’onere finanziario è tuttavia compensato dal fatto che in caso contrario non si potrebbe immettere in rete potenza attiva, o solo in quantità modeste, oppure risulterebbe necessario scegliere un altro punto di collegamento alla rete.

Fig. 3: L’aumento di tensione in percentuale con 27 kW di immissione di potenza attiva, in funzione dell’angolo di impedenza della rete e del fattore di sfasamento.

Conclusione: non bisogna temere la potenza reattiva

La fornitura di potenza reattiva da parte degli inverter fotovoltaici è un passo importante per l’integrazione del fotovoltaico nella regolazione della rete, ma può essere interessante anche per i gestori. La buona notizia è che grazie al loro principio di funzionamento gli inverter sono assolutamente adatti per questo compito.

Sommario

  1. La potenza reattiva in pillole
  2. Come nasce la potenza reattiva?
  3. In che modo influisce la potenza reattiva sulla rete pubblica?
  4. Decongestionamento delle reti pubbliche e regolazione della tensione
  5. Ecco cosa prevede la normativa sull’immissione in media tensione
  6. Le soluzioni di SMA
  7. Modalità di progettazione con la potenza reattiva
  8. Risolvere i problemi con la potenza reattiva
  9. Conclusione: non bisogna temere la potenza reattiva

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