Il rifasamento in presenza di impianti fotovoltaici

Rifasare è una pratica impiantistica importante per consentire di ottemperare agli obblighi dall’ARERA, ma anche per centrare obiettivi di efficienza energetica. Se l’impianto elettrico è collegato a un generatore fotovoltaico in parallelo alla rete, sono necessari accorgimenti tecnici per far funzionare correttamente il sistema di rifasamento.

L’ARERA con delibera 654/2015/R/eel, Al­legato A, ha fissato le regole relative al minimo fattore di potenza, corri­spondente alla massima energia reattiva prelevata dalla rete, per gli utenti non domestici che pre­levano energia:

• in media tensione;
• in bassa tensione con poten­za disponibile P_dis > 16,5 kW (corrispondenti a una potenza contrattualmente impegnata, P_imp > 15 kW).

Gli utenti non domestici in bas­sa tensione con P_imp  minore o uguale a 15 kW e quelli domestici non devono pre­occuparsi del rifasamento.

Il Distributore si riserva la facoltà di far adeguare agli utenti i pro­pri impianti o di sospendere l’e­rogazione del servizio in uno dei seguenti casi:

• il fattore di potenza medio men­sile è inferiore a 0,7;
• il fattore di potenza istantaneo (in corrispondenza del massi­mo carico nelle fasce F1 e F2) è inferiore a 0,9;
• il carico è prevalentemente ca­pacitivo (in genere per eccesso di rifasamento).

Inoltre, sono previsti corrispet­tivi penali in bolletta se il fatto­re di potenza medio mensile (in ciascuna fascia F1 ed F2) scende sotto il valore limite di 0,95. Nulla è previsto se tale limite è supera­to in fascia F3.

Le penali vengono aggiornate dall’autorità il 1° gennaio di ogni anno.

Dal 1° aprile 2023 verranno ap­plicati corrispettivi anche per chi immette energia reattiva in rete ma solamente in fascia F3: il loro valore sarà uguale ai corrispetti­vi per il prelievo dalla rete di e­nergia reattiva con fattore di po­tenza minore di 0,8.

Ma in cosa consiste il rifasamento e perché è importante rifasare?

In regime sinusoidale, ogni volta che un carico elettrico non è pu­ramente resistivo ma presenta u­na parte “reattiva” tra la tensio­ne di alimentazione e la corrente che circola nell’impianto, si viene a creare uno sfasamento angola­re, quantificabile tramite il fatto­re di potenza o cosφ. Ciò capita quando nell’impianto sono presenti componenti indut­tivi come bobine, trasformatori, avvolgimenti dei motori, ecc.

Sfasamento tra tensione e corrente

Se rappresentiamo, come nor­malmente si opera in elettrotec­nica, la tensione e la corrente mediante i corrispondenti vettori rotanti (fasori), la situazione può essere graficamente rappresen­tata come nella parte sinistra di figura 1.

Si nota come la corrente possa essere scomposta in due compenti: una dovuta alla par­te resistiva del carico in fase con la tensione (I_R), l’altra ortogona­le alla tensione dovuta alla par­te reattiva del carico (I_L). La cor­rente totale I, data dalla somma vettoriale di I_R e I_L, risulta sfasata e l’angolo φ in ritardo rispetto al­la tensione. A questo sfasamento fra la tensione e la corrente cor­risponde, dal punto di vista ener­getico, la comparsa nell’impianto di tre forme di potenza:

• potenza attiva: potenza elettri­ca richiesta alla rete dalla parte resistiva del carico e trasforma­ta da questo in potenza utile in uscita (meccanica, termica…);
• potenza reattiva: potenza e­lettrica richiesta alla rete dalla parte reattiva del carico e uti­lizzata da questo per creare il campo magnetico necessario al suo funzionamento ma non tra­sformata in potenza utile;
• potenza apparente: combina­zione della potenza attiva e di quella reattiva, corrispon­dente alla potenza complessi­va richiesta alla rete dal carico complessivo.

Dalla parte destra della figura 1 è possibile visua­lizzare quanto sopra descritto e desumere, tramite semplici passaggi di trigonometria, che:

1. P= S · cosφ = … essendo S= V · I … = V · I · cosφ
2. Q= S · sinφ = … essendo S= V · I … = V · I · sinφ

Mettendo a rapporto le due rela­zioni, si ottiene:

tgφ = sinφ / cosφ = Q / P.

La relazione finale esprime ma­tematicamente il concetto se­condo cui l’angolo di sfasamento tra V e I dipende da quanta po­tenza reattiva Q è assorbita dalla rete rispetto a quella attiva P.

Rifasare l’impianto significa, quindi, ridurre la potenza reat­ tiva a parità di potenza attiva. Per rifasare è necessario intro­durre nell’impianto un compo­nente in grado di ridurre l’an­golo al di sotto della soglia im­posta dall’autorità che vale φ = arcos (0,95) = 18,2°. Il capaci­tore andrà inserito in parallelo al carico o ai carichi (a gruppi omo­genei o tutti) da rifasare.

Rifasare un impianto: efficacia e metodi

La figura 2 mette in evidenza la situazione delle potenze pri­ma (triangolo a sinistra) e dopo (triangolo a destra) del rifasa­mento: la potenza reattiva Q ini­zialmente assorbita dall’impian­to, si riduce al valore Qr grazie alla potenza reattiva di segno opposto fornita dal sistema di rifasamento, Qc. La potenza at­tiva, invece – richiesta dagli uti­lizzatori per funzionare – rimane invariata. Conseguentemente la potenza apparente si riduce da S a Sr e numericamente si avvicina al valore di P consentendo quindi al Servizio Elettrico Nazionale di veicolare sulla sua rete correnti commisurate al valore di corren­te utile assorbito dagli utilizzato­ri.

L’angolo di sfasamento si ridu­ce dal valore φ al valore φr con il cosφr che si avvicina all’unità. Vi sono diversi metodi per imple­mentare il rifasamento:

• rifasamento distribuito: consi­ste nell’inserimento di una bat­teria di capacitori di rifasamen­to in parallelo a ogni carico che presenta una reattanza indutti­va (normalmente i motori);
• rifasamento parziale: prevede il rifasamento a gruppi di utilizza­tori dalle caratteristiche funzio­nali confrontabili;
• rifasamento centralizzato a po­tenza costante: agisce rifasan­do l’intero carico reattivo con un’unica batteria di rifasamen­to, normalmente inserita all’ori­gine della distribuzione;
• rifasamento centralizzato auto­matico: agisce rifasando l’inte­ro carico reattivo con un’unica batteria di rifasamento dotata però di una centralina elettro­nica in grado di parzializzare, mediante inserimento a gra­dini, la reattanza capacitiva in funzione del valore istantaneo del fattore di potenza introdot­to dal carico induttivo; normal­mente il sistema di rifasamento è inserito all’origine della distri­buzione;
• rifasamento misto: consiste in un’applicazione dei diversi me­todi di rifasamento all’interno dello stesso impianto da rifa­sare.

Gli elementi che indirizzano la scelta progettuale su una del­le soluzioni sopra elencate sono molteplici. Tra essi va citata si­curamente l’economia dell’inter­vento che tende a salire con la delocalizzazione del rifasamen­to e a scendere con la sua cen­tralizzazione. Anche i relativi be­nefici variano in funzione della capillarità dell’installazione dei capacitori di rifasamento: più si spinge l’inserimento di tali com­ponenti verso il singolo carico, tanto più si relega a valle la cir­colazione della corrente reatti­va (I_R), ottimizzando in tal modo il dimensionamento di tutti i cir­cuiti a monte in cui circola solo la componente attiva (I_A). Più ci si mantiene a monte tanto più si consente alla corrente reattiva di circolare nei vari circuiti dell’im­pianto con conseguenti sovra­dimensionamento delle sezioni dei cavi e aumento delle perdite per effetto Joule. Il tutto a pari­tà di effetto rifasante.

La figura 3 chiarisce questi concetti nell’i­potesi che il rifasamento sia a cosφ = 1.

Rifasamento e fotovoltaico

Come la presenza di un generatore fotovoltaico può alterare i meccanismi appena sopra descritti?

Si consideri il caso – assai fre­quente – di un impianto esisten­te in cui viene installato un ge­neratore fotovoltaico che, nor­malmente, fornisce solo potenza attiva. Mentre la potenza reatti­va richiesta alla rete è sempre la stessa, quella attiva diminuisce della quantità pari a quella for­nita dal generatore fotovoltaico, come è raffigurato nella figura 4.

Se l’impianto utilizzatore non è rifasato, è possibile dimostrare tramite semplici passaggi calcoli che la condizione limite che com­porta l’addebito dei corrispettivi in bolletta per la reattiva passa da φ_lim-R  = 18,2° al valore φ_lim-I = arctg [0,33 · (1 – P_FV / P_I)] che di­pende da:

• P_I: potenza attiva assorbita dai carichi;
• P_FV: potenza attiva fornita dal FV.

Come si può osservare, i valo­ri limite lato rete e lato utente sono differenti e coincidono so­lo nel caso in cui risulta P_FV pa­ri a zero. Inoltre, è evidente che: φ_lim-I < φ_lim-R e, quindi, cosφ_lim-I > cosφ_lim-R.

La presenza del generatore FV rende quindi più stringenti per l’utente le condizioni da rispet­tare per evitare i corrispettivi ta­riffari. Tali condizioni diventano inoltre tanto più severe tanto è maggiore la taglia del generato­re FV rispetto alla potenza attiva assorbita. Se si vuole rifasare l’impianto basta basarsi su questo nuovo limite per regolare opportuna­mente la centralina del sistema di rifasamento, qualora si utilizzi quello automatico centralizzato.

Se invece l’impianto utilizzatore è rifasato e la centralina del si­stema di rifasamento ha il TA a valle del FV (si veda la figura 4), questa sarà stata regolata in modo tale da garantire un valore di cosφ_set > 0,95. In base a tale set point, il sistema di rifasamento fornisce un contributo reattivo pari a Q_RIF = P_I · (tgφ_I– tgφ_set ), do­ve:

• P_I: potenza attiva assorbita dai carichi (rete);
• φ_I: angolo di sfasamento prima del rifasamento;
• φ_set : angolo di sfasamento fina­le.

Analogamente al caso preceden­te, la presenza del generatore fotovoltaico comporta una va­riazione della condizione limite di assoggettabilità dell’utente ai corrispettivi tariffari che diventa: φ_lim-I = arctg [0,33 · (1 – P_FV / P_I)].

È necessario verificare che il va­lore di regolazione della centra­lina del sistema di rifasamen­to sia ancora idonea a coprire il fabbisogno di reattiva relativo al nuovo limite: φ_set < φ_lim-I e, quindi cosφ_set > cosφ_lim-I.

La verifica può comportare il semplice aggiornamento del set point della centralina del sistema di rifasamento oppure l’aumento della capacità dei condensatori. Nel caso in cui i TA della centra­lina fossero inseriti a monte del generatore fotovoltaico (lato re­te) non è necessario variare la ta­ratura della centralina – il rifasa­tore opera direttamente sul rap­porto Q_R / Q_P– ma potrebbe es­sere necessario incrementare la capacità dei condensatori.­