Regolazioni elettriche e stabilità

Nell’impianto elettrico di bordo con distribuzione in corrente continua è necessario prendere in esame il problema della power quality, ovvero assicurarsi l’adeguato mantenimento della qualità delle grandezze elettriche. A differenza degli impianti in alternata, nei sistemi in continua non si pone né il problema della regolazione della frequenza – in quanto la frequenza fondamentale è zero – né conseguentemente si applica il concetto di distorsione armonica.

Sistema elettrico in media tensione continua: schema di principio del sistema multi-macchina/multi-MW per una nave da crociera.

Rimane quindi da assicurare la regolazione della tensione.

La trattazione di questa problematica risulta fondamentale in questo tipo di sistemi. Infatti le elevate bande dei sistemi di controllo normalmente disponibili grazie ai convertitori elettronici di potenza – largamente presenti nei sistemi MVDC – possono determinare interazioni dinamiche indesiderate fra diversi sottosistemi, potenzialmente in grado di compromettere la stabilità e la qualità della tensione.

La stabilità dei sistemi in media tensione continua è pertanto uno studio chiave nella progettazione del sistema di regolazione della tensione.

Questo importante requisito, tipico per ogni sistema di controllo, è difficilmente soddisfatto nel caso di sistemi in media tensione a corrente continua (MVDC): la presenza di carichi con controllo a banda elevata (assimilabili a carichi a potenza costante, CPL Constant Power Load) può infatti causare evidenti instabilità a fronte di perturbazioni, fino a possibili black-out in caso di connessione di carichi di elevata potenza.

Per affrontare il problema dell’instabilità dovuto ai CPL, si è adottato un approccio innovativo basato sull’utilizzo dei generatori come sorgenti delle azioni stabilizzatrici, sviluppando due diverse tecniche denominate Active Damping (AD) e Linearization via State Feedback (LSF). Diversamente da quanto normalmente indicato in letteratura (che propone l’impiego per ogni carico rilevante di convertitori controllati in modo specifico al fine di non determinare l’insorgenza di problemi di stabilità), questo approccio consente l’impiego di normali convertitori disponibili in commercio per l’alimentazione dei carichi di bordo. Ne derivano vantaggi in termini di costi di acquisizione dei convertitori stessi, di gestione e di manutenzione.

Andamento transitorio della tensione del bus in seguito ad un disturbo: azione del controllo linearizzante di tensione per il mantenimento della stabilità.

La tecnica AD, semplice e facilmente implementabile, introduce un aumento virtuale (transitorio) delle resistenze di impianto e accresce lo smorzamento del sistema, rendendo sopportabili le connessioni di carichi CPL di potenza limitata. La tecnica LSF, più performante, realizza la cancellazione delle non linearità del sistema (causa di instabilità) dei carichi CPL ed è quindi in grado di garantire la stabilità in casi particolarmente critici, quali i carichi CPL ad elevata potenza a fronte di circuiti di impianto debolmente smorzati.

Le tecniche AD e LSF sono state sfruttate per la realizzazione di due strategie di controllo – adatte ad un impianto elettrico navale multi-macchina, testate e validate mediante simulazioni numeriche – che offrono l’andamento nel tempo di grandezze d’interesse (tensioni, correnti, potenze). Dall’osservazione delle simulazioni è derivata una valutazione finale sulle due strategie, evidenziandone aspetti positivi e punti deboli. In particolare, con riferimento alle possibili criticità di ciascuna strategia, il progetto ha proposto alcuni accorgimenti per il loro superamento.

E’ interessante osservare come normalmente le capacità dei filtri di uscita dei convertitori elettronici vengano dimensionate in modo tale da garantire una prestabilita qualità della tensione, quantificabile mediante il fattore di ondulazione di tensione (ripple ΔV%<5% secondo lo standard). Relativamente all’instabilità CPL, si potrebbe, in astratto, pensare di risolverla ricorrendo alla soluzione impiantistica (impiego di grandi condensatori di filtro), ed evitando quindi l’implementazione di particolari tecniche di controllo. Tuttavia tale approccio, basandosi sul sovradimensionamento di tali condensatori, appare irragionevole e antieconomico, dal momento che richiederebbe capacità almeno 5 volte più grandi rispetto a quelle impiegabili con l’utilizzo dei controlli proposti.

Le tecniche di controllo sviluppate dal progetto MVDC Large Ship permettono quindi di superare la soluzione impiantistica, offrendo indubbi vantaggi:

• risparmio economico, essendo garantita la stabilità in presenza di filtri standard, progettati secondo livelli di ripple usualmente normati;
• risparmio in termini di spazio/ingombro, derivante dal mancato utilizzo di capacità sovradimensionate (i condensatori infatti hanno 1/5 della capacità);
• limitazione della corrente di cortocircuito, grazie alle capacità di filtro contenute;
• riduzione del rischio di incendio, grazie all’impiego di condensatori di ridotta capacità.