Enabling technologies and services for the green transformation of the Italian electric power system [Tecnologie e servizi abilitanti per la trasformazione verde del sistema elettrico italiano]

Due to climate change in recent decades, there is an urgent need to adopt strategies to contain its development and effects on our planet. To this end, the international community has been mobilising since 1997, with the Kyoto protocol, and has renewed its commitment, as with COP 21 in 2015, in the following years. The European Union is certainly very active on this issue, and to this end has undertaken its own strategies through targeted policies such as those contained in the Clean Energy for all Europeans Package, the European Green Deal and Fit for 55. Recognised as one of the major causes of climate change, the energy sector is the subject of major changes in the above-mentioned policies, which have traced the trajectories to be followed for the reduction of CO2 emissions, leading to a sustainable and green electric power system. This research work is developed in the general context of the green energy transition, a highly topical issue concerning national and international power systems, that requires a collaborative approach among countries to ensure the safety and stability of the interconnected power system. In this context, a rapid and important increase in the electrical power generation installed from non-programmable renewable energy sources has been envisaged. To allow the integration of an increasingly high quantity of electricity production from non-programmable renewable energy sources a rapid and profound modification of the today electrical power systems is necessary. The paradigm shift needed to accomplish the energy transition process requires the use of new technologies based on the use of electronic converters that can work in tune with each other and with the rotating machines already in the grid. These technologies include FACTS (such as STATCOM), photovoltaic and wind generators, battery energy storage systems, and HVDC systems. A common feature of the above technologies is the use of inverters as an interface with the grid, so new control methodologies for inverters are being developed, such as the promising grid forming control. Thus, here a study with a systems approach applied to full-scale power systems is proposed to evaluate the benefits that new and existing technologies can bring. In particular, the benefits due to the use of STATCOM and grid forming inverters will be assessed considering the transient stability of an electrical power system, taking into account the main impacts of non-programmable renewable energy sources, such us the reduction of the system inertia.

A causa dei cambiamenti climatici degli ultimi decenni, è urgente adottare strategie per contenerne lo sviluppo e gli effetti sul nostro pianeta. A tal fine, la comunità internazionale si è mobilitata fin dal 1997, con il protocollo di Kyoto, e ha rinnovato il suo impegno, come con la COP 21 del 2015, negli anni successivi. L'Unione Europea è certamente molto attiva su questo tema e a tal fine ha intrapreso le proprie strategie attraverso politiche mirate come quelle contenute nel Pacchetto Energia Pulita per tutti gli Europei, nell'European Green Deal e nel Fit for 55. Riconosciuto come una delle principali cause del cambiamento climatico, il settore energetico è oggetto di importanti cambiamenti nelle politiche sopra citate, che hanno tracciato le traiettorie da seguire per la riduzione delle emissioni di CO2, portando a un sistema elettrico sostenibile e verde. Questo lavoro di ricerca si sviluppa nel contesto generale della transizione energetica verde, un tema di grande attualità per i sistemi elettrici nazionali e internazionali, che richiede un approccio collaborativo tra i Paesi per garantire la sicurezza e la stabilità del sistema elettrico interconnesso. In questo contesto, è stato previsto un rapido e importante aumento della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili non programmabili. Per consentire l'integrazione di una quantità sempre più elevata di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili non programmabili è necessaria una rapida e profonda modifica degli attuali sistemi elettrici. Il cambio di paradigma necessario per realizzare il processo di transizione energetica richiede l'utilizzo di nuove tecnologie basate sull'impiego di convertitori elettronici in grado di lavorare in sintonia tra loro e con le macchine rotanti già presenti nella rete. Queste tecnologie comprendono i FACTS (come gli STATCOM), i generatori fotovoltaici ed eolici, i sistemi di accumulo dell'energia a batteria e i sistemi HVDC. Una caratteristica comune di queste tecnologie è l'uso degli inverter come interfaccia con la rete, per cui si stanno sviluppando nuove metodologie di controllo per gli inverter, come il promettente controllo di formazione della rete. Pertanto, in questa sede viene proposto uno studio con un approccio sistemico applicato a sistemi di potenza in scala reale per valutare i benefici che le tecnologie nuove ed esistenti possono apportare. In particolare, i benefici dovuti all'uso di STATCOM e inverter grid forming saranno valutati considerando la stabilità transitoria di un sistema elettrico, tenendo conto dei principali impatti delle fonti di energia rinnovabile non programmabili, come la riduzione dell'inerzia del sistema.