Metodi di load shedding nei sistemi di potenza industriali

The main purpose of this Thesis is to analyse and develop different methodologies for Load Shedding in industrial power systems. These methods belong to the set of control techniques used in power systems protection schemes, which act in emergency contingencies to preserve the stability of the power system. In particular, in the case examined in this Thesis, the methods mentioned are aimed to shed loads, after the occurrence of power shortage (e.g. loss of power generation), which causes a significant decrease in the total generated power. The project, developed in partnership with Siemens Italia – Energy Automation, consisted of three main parts. In the first part exhaustive research was carried out to find scientific documents relative to Load Shedding and industrial power systems. Once the specific phenomena had been studied and the system variables identified and fixed, the second part, centred on the modelling of a power system, resulted in the development of a simulator in the Matlab-Simulink software environment. In the final part, the most important one, the different methods of Load Shedding, originating from the scientific literature, were analysed and compared. In particular, a new method of Load Shedding was developed: this is the most important content of the Thesis. This final part of the Thesis was again carried out with the aid of Matlab-Simulink environment, which allowed the development of the software for testing the control algorithms corresponding to the methods derived from scientific literature. Thanks to the appropriate test cases, the limitations and critical points of the above mentioned methods were revealed and, consequently, a new method able to overcome these limits was devised. In the Thesis, a steam and/or gas turbine plant and possibly also a CHP (Combined Heat and Power) plant were considered as an application scenario. In this application context, the physical equations describing the behaviour of the power system were studied and the comprehensive mathematical model was developed. Once the reliability of the model was verified, the Load Shedding algorithms for industrial power systems were implemented. In particular, two types of methods were performed and analysed: the frequency-based and the power-based techniques; these were tested using the power system simulator in different operating conditions and, consequently, their performances were compared. Then, after having formulated the proper structure that is required for a Load Shedding algorithm for industrial power systems, a new method for Load Shedding was developed. The new algorithm achieves its target of overcoming previous algorithms limits. In particular, the most important result is regarding the critical situations, in which Load Shedding control has to act in concomitance with disturbances, such as variations in power consumption. In this situation, which could lead to fatal consequences in real application, the newly designed algorithm, unlike other evaluated techniques, is able to act properly by successfully preventing the power system collapse.

Il presente elaborato di Tesi si pone come obiettivo principale quello di analizzare e sviluppare metodologie diverse di Load Shedding (detto anche alleggerimento automatico del carico) in sistemi elettrici di potenza di tipo industriale. Tali metodi rientrano nella categoria delle tecniche di controllo utilizzate nei sistemi di protezione, che intervengono nei casi di emergenza per preservare il funzionamento del sistema elettrico di potenza. In particolare, nel caso in esame, questi metodi sono predisposti per effettuare l’alleggerimento di carico a seguito di disservizi (ad esempio perdita di generatori) che provocano una diminuzione significativa della potenza totale generata. Il progetto, svolto in collaborazione con Siemens Italia – Energy Automation, si è articolato in tre parti principali. Nella parte iniziale, di stampo bibliografico, è stata effettuata una ricerca approfondita di articoli presenti nella letteratura scientifica specialistica, relativa ai sistemi elettrici di potenza e attinenti alle tecniche di Load Shedding per impianti industriali. Una volta compresi i fenomeni di interesse e le grandezze di sistema da rappresentare, la seconda parte, incentrata sullo studio di una modellistica appropriata per i sistemi di potenza, ha avuto come esito lo sviluppo di un simulatore nell’ambiente software Matlab-Simulink. Nell’ultima parte, la più importante, sono stati analizzati e messi a confronto i diversi approcci di Load Shedding presenti nella letteratura scientifica, e soprattutto è stato realizzato un nuovo metodo di Load Shedding, che rappresenta il maggiore contributo della Tesi. Quest’ultima parte è stata condotta ancora una volta con l’ausilio di Matlab-Simulink, che ha consentito lo sviluppo software degli algoritmi di controllo corrispondenti ai diversi approcci di Load Shedding dedotti dagli articoli scientifici. Tutto ciò ha permesso, grazie ad opportuni casi di simulazione, di mettere in luce le limitazioni e le criticità dei suddetti metodi di Load Shedding e, conseguentemente, di proporre un nuovo metodo che si ponesse l’obiettivo di superare tali limiti. Nella Tesi è stato preso in considerazione, come caso applicativo del sistema di potenza, una centrale termoelettrica in ambito industriale, eventualmente di tipo cogenerativo. All’interno di questo contesto applicativo, sono state comprese ed analizzate le equazioni fisiche che descrivono il sistema in esame, ricavandone quindi il modello matematico complessivo. Una volta verificata l’attendibilità di tale modello, si è proceduto ad implementare gli algoritmi relativi agli approcci di Load Shedding per impianti industriali: in particolare sono state realizzate le tecniche (frequency-based) basate sulla misura di frequenza e quelle (power-based) basate sulla misura di potenza; esse sono state validate sul simulatore del sistema di potenza in diverse condizioni operative e, conseguentemente, sono state messe a confronto le loro prestazioni. In seguito, dopo aver formulato la struttura universale che, in accordo con quanto sostenuto nella Tesi, deve essere propria di un algoritmo di Load Shedding per impianti industriali, è stato realizzato un nuovo metodo di Load Shedding. Il nuovo algoritmo raggiunge l’obiettivo prefissato di risolvere le limitazioni degli altri algoritmi implementati. In particolare, il risultato di maggiore interesse riguarda il funzionamento del sistema di Load Shedding in concomitanza con disturbi, quali variazioni dell’assorbimento di potenza. In tale situazione, che è davvero critica, tanto da poter provocare conseguenze fatali nelle reali applicazioni, il nuovo algoritmo progettato è in grado, a differenza delle altre tecniche esaminate, di intervenire con successo e preservare il funzionamento del sistema elettrico di potenza.