Strategia di Controllo per Reti Ibride con Veicoli Elettrici
Un nuovo approccio rivoluzionario al controllo della potenza sta ridefinendo il modo in cui i veicoli elettrici (VE) e i sistemi di accumulo a batteria interagiscono all’interno delle microreti ibride in corrente alternata e continua (CA/CC). Un team di ricercatori dell’Università Politecnica del Henan ha sviluppato una sofisticata strategia di controllo che integra i veicoli elettrici non solo come mezzi di trasporto, ma come componenti dinamici e reattivi di un ecosistema energetico più intelligente e resiliente. Questa innovazione affronta sfide critiche relative alla stabilità della rete, all’efficienza energetica e all’integrazione sostenibile delle fonti rinnovabili, tracciando una strada pratica verso le reti intelligenti della prossima generazione.
La ricerca, guidata da Wang Hao, Wu Zhe, Kang Boyang, Li Bin e Li Shaoling della Scuola di Ingegneria Elettrica e Automazione dell’Università Politecnica del Henan, insieme al Laboratorio Chiave del Henan per il Rilevamento Intelligente e il Controllo delle Attrezzature per le Miniere di Carbone, introduce una strategia di controllo avanzata che tratta i veicoli elettrici e le batterie stazionarie come un unico sistema di accumulo combinato (CESS). Questo approccio supera il modello tradizionale in cui lo stoccaggio dell’energia è frammentato tra le sottoreti CA e CC, spesso portando a inefficienze e a un maggiore stress sui componenti chiave di conversione dell’energia. Il lavoro del team, pubblicato su una prestigiosa rivista energetica, dimostra come un sistema di controllo gerarchico e coordinato possa ottimizzare il flusso di potenza, estendere la vita utile delle risorse di accumulo e migliorare la stabilità complessiva della rete.
Il nocciolo della sfida risiede nella variabilità intrinseca delle fonti di energia rinnovabile come il solare e l’eolico, unita alla natura imprevedibile della domanda di elettricità. In una microrete ibrida CA/CC, che collega in modo fluido le reti in corrente alternata e continua, mantenere un perfetto equilibrio tra generazione e consumo di energia è un compito costante e complesso. Quando viene prodotta energia in eccesso, questa deve essere immagazzinata; quando la domanda aumenta, l’energia immagazzinata deve essere rilasciata. Storicamente, questo equilibrio si è basato in gran parte su convertitori bidirezionali di collegamento (BILC) per trasferire potenza tra i lati CA e CC della rete. Tuttavia, questa dipendenza centralizzata crea un collo di bottiglia. Quando un lato della rete produce un eccesso di energia e l’altro sperimenta un deficit, il BILC diventa l’unico condotto per il trasferimento di potenza, portando a potenziali sovraccarichi e perdite di energia.
Inoltre, l’approccio convenzionale di utilizzare sistemi di batterie separati e decentralizzati su ciascun lato della rete per gestire gli squilibri locali introduce un altro problema: le perdite dovute all’interazione energetica. Per bilanciare lo stato di carica (SOC) tra le batterie sul lato CA e quelle sul lato CC, l’energia deve essere costantemente fatta circolare attraverso il BILC, sprecando energia nel processo di conversione e accelerando l’usura del convertitore. Questa inefficienza mina i benefici economici e ambientali della microrete. Inoltre, fare affidamento esclusivamente sui BILC per la coordinazione, specialmente in sistemi senza reti di comunicazione robuste, limita la flessibilità operativa e può portare a condizioni instabili durante rapide fluttuazioni della potenza.
Il team di ricerca ha identificato queste limitazioni e ha proposto un cambiamento di paradigma. Invece di trattare i veicoli elettrici e le batterie come asset isolati, hanno concepito un sistema di accumulo energetico combinato. Questo CESS funge da serbatoio centrale e condiviso che può interagire direttamente con le sottoreti CA e CC attraverso convertitori bidirezionali dedicati: un convertitore CA-CC (BDAC) per il lato CA e un convertitore CC-CC (BDDC) per il lato CC. Questa architettura cambia fondamentalmente la dinamica della potenza. Il CESS può ora assorbire l’eccesso di potenza da una delle sottoreti o iniettare potenza per supportare un deficit, senza dover forzare tutto il flusso di potenza tra le sottoreti attraverso il BILC. Questo design riduce significativamente il carico di trasmissione sul BILC, migliorandone la longevità e l’efficienza complessiva del sistema.
Un’innovazione chiave di questa strategia è l’implementazione di un sistema di controllo sofisticato e multilivello. I ricercatori hanno adottato una struttura di controllo gerarchica, essenziale per gestire la complessità di una microrete moderna. Il livello più basso è il livello di controllo del dispositivo, responsabile del funzionamento in tempo reale di componenti individuali come turbine eoliche, pannelli solari, microturbine e i vari convertitori di potenza. Questo livello garantisce che i generatori distribuiti (DG) funzionino con massima efficienza, ad esempio utilizzando il tracciamento del punto di massima potenza (MPPT) per le unità solari ed eoliche, e che le fonti di energia primarie utilizzino il controllo a pendenza per mantenere stabili tensione e frequenza sui bus CA e CC.
Al di sopra di questo si trova il livello di controllo della coordinazione, il cervello dell’operazione, gestito da un Controller Centrale della Microrete (MGCC). È qui che brilla l’intelligenza della nuova strategia. Il MGCC raccoglie continuamente dati dall’intero sistema, inclusa la potenza netta di uscita delle sottoreti CA e CC, la tensione e la frequenza dei bus principali e, soprattutto, lo stato di carica (SOC) di ogni batteria e veicolo elettrico connesso. Con questa immagine completa in tempo reale, il MGCC può prendere decisioni informate sullo stato generale del sistema.
I ricercatori hanno ideato un nuovo metodo per classificare lo stato operativo della microrete. Hanno suddiviso il comportamento del sistema in quattro modalità distinte basate sullo squilibrio netto di potenza totale e sulla capacità del CESS di correggerlo. La prima modalità è il funzionamento autonomo, in cui le sottoreti CA e CC sono perfettamente bilanciate internamente, senza che il CESS o il BILC richiedano alcuna azione. La seconda è il supporto reciproco in eccesso, dove c’è un eccesso di energia generale. In questa modalità, il CESS è incaricato di caricarsi, assorbendo l’energia in eccesso. La terza è il supporto reciproco in deficit, dove c’è una carenza di energia a livello di sistema, e il CESS deve scaricarsi per fornire supporto. La quarta, e più critica, è la modalità di superamento del limite di potenza, che si verifica quando lo squilibrio è così grave che il CESS non può compensarlo da solo, richiedendo azioni come la riduzione della generazione rinnovabile o il distacco di carichi non essenziali per mantenere la stabilità.
All’interno di queste modalità primarie, i ricercatori hanno definito diverse condizioni operative specifiche, o “condizioni di lavoro”, che stabiliscono esattamente quali convertitori di potenza devono essere attivi. Ad esempio, nella modalità di supporto reciproco in eccesso, se solo il lato CA ha un eccesso di potenza, il BDAC verrà attivato per caricare il CESS. Se solo il lato CC ha un eccesso, viene attivato il BDDC. Se entrambi i lati hanno un eccesso, entrambi i convertitori possono funzionare contemporaneamente. Se un lato ha un eccesso e l’altro un deficit, il BILC tenterà prima di bilanciarli direttamente. Solo se c’è ancora un eccesso dopo questo trasferimento tra sottoreti, il CESS interverrà per assorbire l’eccesso rimanente. Questa logica condizionata e stratificata garantisce che venga sempre scelto il percorso di flusso di potenza più efficiente e meno stressante.
La vera genialità della strategia risiede nel modo in cui gestisce lo stesso CESS, in particolare l’interazione complessa tra le batterie stazionarie e la flotta di veicoli elettrici. I ricercatori hanno riconosciuto che questi due tipi di accumulo hanno caratteristiche e vincoli molto diversi. Le batterie stazionarie sono progettate per applicazioni ad alto ciclo e risposta rapida, ma sono costose e si degradano con cicli frequenti e profondi. I veicoli elettrici, d’altra parte, rappresentano una risorsa di accumulo vasta, distribuita e spesso sottoutilizzata. Tuttavia, la loro partecipazione ai servizi di rete è vincolata dalle esigenze dei proprietari: nessun guidatore vuole trovare la sua auto con la batteria scarica quando deve partire.
Per affrontare questo problema, il team ha sviluppato un sofisticato sistema di risposta basato sulla priorità per il CESS. Per le batterie stazionarie, hanno implementato uno schema di priorità dinamico basato sul loro SOC. Le batterie che si avvicinano a uno stato di carica completa hanno la massima priorità per lo scarico, prevenendo la sovraccarica. Al contrario, le batterie quasi vuote hanno la massima priorità per la ricarica, prevenendo la scarica profonda, che è dannosa per la salute della batteria. Questo equilibrio intelligente del carico garantisce che il banco batterie operi entro un intervallo di SOC sicuro e ottimale, massimizzando la sua vita utile e prestazioni.
Per i veicoli elettrici, il sistema di priorità è ancora più sfumato e centrato sull’utente. La strategia di controllo identifica innanzitutto un sottoinsieme di veicoli elettrici che si trovano in una “zona solo carica”. Questi sono veicoli i cui proprietari hanno impostato un SOC minimo (un “SOC di vincolo”) che deve essere soddisfatto prima che il veicolo possa essere utilizzato per qualsiasi scarica di supporto alla rete. Per questi veicoli, il sistema li tratta come un carico fisso che deve essere soddisfatto, dando priorità alla loro ricarica su tutto il resto. Questo garantisce che il bisogno primario di trasporto dell’utente non sia mai compromesso.
Per i veicoli elettrici rimanenti che sono in grado di operazioni veicolo-rete (V2G), il sistema assegna priorità di carica e scarica in base a quanto vicino il loro SOC attuale è ai loro vincoli personali. Un veicolo elettrico con un SOC appena sopra il suo vincolo minimo ha un margine molto basso per lo scarico e quindi riceve una bassa priorità di scarico. Un veicolo elettrico quasi pieno ha un’alta priorità di scarico, poiché può rilasciare una grande quantità di energia alla rete senza impattare le esigenze del proprietario. Allo stesso modo, per la carica, un veicolo elettrico con un SOC molto basso riceve un’alta priorità di carica per riportarlo rapidamente a un livello utilizzabile. Questo sistema di priorità granulare e basato sul SOC garantisce che le risorse di accumulo più flessibili e disponibili vengano utilizzate per prime, rendendo il CESS altamente reattivo ed efficiente.
La coordinazione tra le batterie e i veicoli elettrici è gestita con attenzione. Nella modalità di supporto reciproco in eccesso, quando il CESS sta caricando, il sistema garantisce prima che tutti i veicoli elettrici “solo carica” ricevano la loro potenza richiesta. L’eccesso rimanente viene quindi assegnato alle batterie stazionarie e ai veicoli elettrici con capacità V2G, con le priorità di carica determinate dal loro SOC. Nella modalità di supporto reciproco in deficit, quando il CESS si sta scaricando, le batterie stazionarie hanno la priorità come fonte primaria e stabile di energia. I veicoli elettrici con capacità V2G vengono quindi chiamati come “unità di supporto di emergenza”, fornendo energia aggiuntiva solo quando necessario, minimizzando così l’impatto sui proprietari dei veicoli elettrici e preservando la vita della loro batteria.
Per prevenire un’usura inutile su tutti i componenti di accumulo, i ricercatori hanno introdotto una salvaguardia critica: una soglia di potenza. Il CESS non si attiva per ogni piccola fluttuazione della potenza. Solo quando lo squilibrio di potenza netto supera una soglia predefinita il CESS viene attivato. Questa isteresi impedisce al sistema di accendere e spegnere costantemente le unità di accumulo per piccoli squilibri transitori, il che sarebbe inefficiente e dannoso. Inoltre, per evitare che una singola batteria o un veicolo elettrico venga ripetutamente collegato e scollegato quando il suo SOC è sospeso intorno a un limite di priorità, il sistema incorpora un ritardo temporale. Un’unità viene disconnessa dal ciclo di controllo solo se il suo SOC supera una soglia critica e rimane oltre per un periodo stabilito, ad esempio 0,02 secondi. Questo meccanismo di “anti-rimbalzo” aggiunge stabilità e previene il tremolio nel sistema di controllo.
L’efficacia di questa strategia completa è stata rigorosamente testata utilizzando un modello di simulazione dettagliato costruito sulla piattaforma Matlab/Simulink. I ricercatori hanno creato uno scenario realistico con una varietà di fonti di energia, tra cui vento, solare e microturbine, e una varietà di carichi. Hanno simulato una flotta di veicoli elettrici con diverse esigenze di carica e un banco batterie con unità a diversi livelli di SOC, assegnando loro diversi livelli di priorità in base alla loro logica di controllo.
I risultati della simulazione sono stati convincenti. Il sistema ha dimostrato una capacità impeccabile di passare tra le quattro modalità operative in risposta a condizioni di potenza in cambiamento. Il flusso di potenza del BILC è stato drasticamente ridotto, poiché il CESS ha gestito efficacemente la maggior parte dell’eccesso e del deficit di potenza direttamente con le sottoreti. Lo stato di carica (SOC) delle batterie stazionarie è stato mantenuto notevolmente bilanciato, con le unità che passavano senza problemi tra i livelli di priorità mentre si caricavano e scaricavano. I veicoli elettrici “solo carica” hanno sempre ricevuto la potenza richiesta, mentre i veicoli elettrici con capacità V2G hanno partecipato al supporto della rete solo quando era sicuro e appropriato, in base alle loro priorità assegnate.
In scenari di squilibrio di potenza estremo, il sistema è correttamente entrato nella modalità di superamento del limite di potenza. Per eccessi gravi, ha automaticamente ridotto l’uscita dei generatori rinnovabili in modo controllato. Per deficit gravi, ha staccato carichi non critici per mantenere la stabilità del sistema, mentre il CESS forniva il massimo supporto possibile. Queste azioni hanno prevenuto il collasso del sistema e dimostrato la robustezza della strategia nel gestire emergenze del mondo reale.
Le implicazioni di questa ricerca sono di vasta portata. Mentre il mondo si muove verso un futuro dominato dalle energie rinnovabili e dai trasporti elettrici, l’integrazione di questi due sistemi è fondamentale. Questa strategia di controllo fornisce una guida per la creazione di microreti non solo più stabili ed efficienti, ma anche più economiche. Riducendo lo stress sui convertitori di potenza, estendendo la vita utile dei costosi banchi batteria e sfruttando in modo intelligente la capacità di accumulo latente dei veicoli elettrici, il costo totale di proprietà di una microrete può essere significativamente ridotto.
Inoltre, questo approccio empowers i consumatori. I proprietari di veicoli elettrici possono partecipare al mercato energetico, potenzialmente guadagnando entrate dalla batteria del loro veicolo, senza sacrificare l’affidabilità del loro trasporto. Il design centrato sull’utente del sistema, con il suo rigoroso rispetto dei vincoli di SOC definiti dal proprietario, costruisce fiducia e incoraggia un’adozione più ampia della tecnologia V2G.
Il lavoro di Wang Hao, Wu Zhe, Kang Boyang, Li Bin e Li Shaoling rappresenta un balzo in avanti significativo nel controllo delle microreti. Trasforma la relazione tra trasporto ed energia da una semplice dinamica consumatore-produttore a una partnership sofisticata e simbiotica. La loro strategia non è solo un esercizio teorico; è una soluzione pratica e scalabile che può essere implementata in comunità, campus, parchi industriali e località remote in tutto il mondo. Unendo veicoli elettrici e batterie in un unico sistema di accumulo intelligente, hanno tracciato la strada verso un futuro energetico più resiliente, sostenibile e amichevole verso l’utente.
Wang Hao, Wu Zhe, Kang Boyang, Li Bin, Li Shaoling, Scuola di Ingegneria Elettrica e Automazione, Università Politecnica del Henan; Laboratorio Chiave del Henan per il Rilevamento Intelligente e il Controllo delle Attrezzature per le Miniere di Carbone. Pubblicato su una prestigiosa rivista energetica. DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tees.240618