Dimensionamento di una microgrid con generazione di input sintetici e validazione tramite analisi dinamica

Even today, in many atypical and isolated contexts, especially in the rural areas of developing countries, access to safe and reliable energy is the key factor limiting the economic development of these regions. The electricity grid is often absent while when it is present it is unreliable and not appropriate to satisfy the needs of the local population. Similar problems are also found in industrialized countries, for example on the islands. Many times, these areas are far from the national grid and the investment costs for the connection are too high with respect to the low energy demand. A solution widely tested and consolidated to solve this problem consist of installing hybrid microgrids which integrate the renewable sources available on site, reducing costs and dependence on traditional sources such as fossil fuels. The main phase concerning the design of a microgrid is the simulation of the system for a certain time period (typically one year) in a specific configuration (different combination of components and relative sizes). The main inputs needed for the microgrids simulations are the profiles of power produced from renewable sources, as they depend on meteorological factors (solar radiation and wind speed mainly). These data are often unknown for isolated and remote contexts since historical profiles are not generally available. Moreover, the measuring instruments are not present due to the high cost. The first aim of this thesis is to propose a stochastic methodology to generate synthetic data of solar irradiation and wind speed, starting from a limited number of information and hypotheses. This general procedure (i.e. it can be applied in any context) aims to provide the necessary inputs for the sizing and planning software of off-grid energy systems. The second part of the work is focused on the electromechanical dynamic analysis of off-grid systems. Its aim is to propose a first step for the development and implementation of a new approach for the validation of the sizing of off-grid systems. The analysis of electromechanical transients allows to obtain information that are typically not considered by the classical design procedure. Thanks to the data related to the Energy4Growing project, the new proposed approach was applied on a real case study in order to validate the sizing of a new hybrid microgrid for a school in Ngarenanyuki, Tanzania. The first part of the thesis has been implemented in MATLAB and aims at generating synthetic production profiles. These profiles were then adopted by an external tool for sizing the microgrid. Finally, the second part of the thesis, i.e. the validation and the consequent correction of the sizing, has been performed using a commercial tool (DIgSILENT PowerFactory) for the simulation of electromechanical transients.

Ancora oggi, in molti contesti atipici e isolati, specialmente nelle aree rurali dei paesi in via di sviluppo, l’accesso all’energia sicuro ed affidabile rappresenta il principale fattore che influenza, e limita, lo sviluppo economico di tali regioni. La rete elettrica, quando presente, risulta spesso inaffidabile e non adeguata al soddisfacimento delle esigenze delle popolazioni locali. Problematiche similari si hanno anche nei paesi industrializzati, ad esempio sulle isole. Nella maggior parte dei casi suddette aree sono lontane dalla rete nazionale e i costi d’investimento per il collegamento sono troppo elevati, considerando la bassa richiesta di energia. Una soluzione ampiamente sperimentata e ormai consolidata per risolvere la problematica esposta consiste nell’installazione di microgrid ibride, che integrino le fonti rinnovabili disponibili in loco, riducendo i costi e la dipendenza dalle fonti tradizionali quali i combustibili fossili. La progettazione di una microgrid vede come fase principale la simulazione della stessa per un certo periodo di funzionamento (tipicamente un anno) e in una specifica configurazione (insieme dei vari componenti e delle relative taglie). I principali input necessari per le simulazioni delle microgrid sono i profili di potenza prodotta da fonti rinnovabili, in quanto dipendono da fattori meteorologici (principalmente radiazione solare e velocità del vento). Spesso questi dati di input sono sconosciuti per contesti isolati per i quali i profili storici non sono generalmente disponibili; inoltre gli strumenti per la misurazione non sono presenti a causa dell’elevato costo. Il primo obiettivo della presente tesi è quello di proporre una metodologia stocastica per generare in modo sintetico dati di irraggiamento solare e velocità del vento, partendo da un numero limitato di informazioni e ipotesi. È inoltre richiesto che tale procedura sia generalizzata, in modo da renderla applicabile a qualsiasi contesto. Tale metodologia ha l’obiettivo di fornire gli input necessari ai software di dimensionamento e pianificazione dei sistemi di energia off-grid. La seconda parte dell’elaborato si concentra sulle analisi dinamiche elettromeccaniche dei sistemi off-grid, con lo scopo di proporre un primo passo per lo sviluppo e l’implementazione di un nuovo approccio per la verifica del dimensionamento di questi sistemi. Le analisi dei transitori elettromeccanici consentono di ottenere informazioni che tipicamente non vengono considerate dalle classiche procedure per il dimensionamento. Grazie ai dati relativi al progetto Energy4Growing, il nuovo approccio proposto è stato applicato su un caso studio reale al fine di validare il dimensionamento di una nuova ipotetica microgrid ibrida per la scuola di Ngarenanyuki in Tanzania. La prima parte della tesi, implementata in MATLAB, consiste nella generazione di profili sintetici di produzione. Tali profili sono poi stati adottati da un tool esterno dedicato al dimensionamento della microgrid. Infine, la seconda parte della tesi, ovvero la verifica e la conseguente correzione del dimensionamento, utilizza un tool commerciale (DIgSILENT PowerFactory) per la simulazione dei transitori elettromeccanici.