L’insegnamento contiene una trattazione ampia sulle problematiche emergenti nel contesto dell’evoluzione dei sistemi elettrici, nella transizione verso una crescente utilizzazione del vettore elettrico in numerose applicazioni. Il concetto di sistema "smart" elettrico ed energetico si riferisce alle nuove modalità di funzionamento, anche prevedendone l’interoperabilità con altri sistemi (es. trasporti) per assicurare prestazioni socialmente accettabili e sostenibili (in termini di efficienza energetica e riduzione dell’impatto ambientale), insieme all’efficienza economica, alla sicurezza e all’affidabilità.
Il programma dell’insegnamento inizia con una panoramica sulla struttura e sul funzionamento delle reti elettriche moderne e future (smart grid) con una particolare attenzione alla distribuzione in Media Tensione e in Bassa Tensione, e all’utilizzazione dell’energia elettrica. Viene presentato un modello concettuale delle smart grid, in cui vengono analizzati vari aspetti (tecnologie, energia, dati, mercati, ecc.) e le loro interazioni. Sono illustrate alcune importanti funzioni "smart" per l’esercizio dei sistemi di distribuzione, enfatizzando il concetto di interoperabilità tra i vari sistemi e attori (compresi veicoli elettrici, produttori/consumatori, operatori del sistema, risorse distribuite di energia, ecc.).
L’impatto dell’introduzione nelle reti elettriche delle risorse distribuite (generazione distribuita, accumulo e gestione della domanda) viene evidenziato attraverso una trattazione teorica e l’impiego di vari esempi applicativi. Dal punto di vista del sistema locale, vengono trattate le strutture dei sistemi elettronici di potenza per la conversione dell’energia, considerando convertitori sia lato sorgente, sia lato rete. Per capire meglio i concetti e le applicazioni della conversione elettronica di potenza, è prevista un’attività sperimentale tenute presso il laboratorio del Dipartimento Energia. Vengono svolte alcune attività presso il laboratorio informatico, con l’impiego di appropriati software di calcolo.

Lo studente che supera l’esame avrà acquisito un insieme di conoscenze che lo mettono in grado di dialogare con gli operatori del sistema elettrico utilizzando la corretta terminologia e mostrando adeguata preparazione nella discussione delle problematiche di base. Avrà inoltre acquisito una consapevolezza sul ruolo e sull’impatto dell’evoluzione tecnologica che riguarda i sistemi elettrici, anche in presenza di risorse distribuite.
Gli obiettivi minimi riguardano:
- impiego della terminologia corretta per trattare problemi riguardanti le smart grid;
- capacità di interpretare le problematiche legate all’introduzione delle risorse distribuite nelle reti elettriche.

Le precedenze raccomandate comprendono la conoscenza del calcolo matriciale, dell’algebra dei numeri complessi, delle nozioni base di elettrotecnica (circuiti in corrente continua, circuiti in corrente alternata monofase e trifase) e dei principi di funzionamento delle macchine elettriche (alternatore e trasformatore).

PARTE 1 (20 ore): Struttura dei sistemi elettrici e scenari emergenti
Strutture dei sistemi di trasmissione e di distribuzione dell’energia elettrica. Paradigmi emergenti (smart grid, risorse distribuite di energia, virtual power plant, microreti, sistemi multi-energia, prosumer). Modello concettuale di una smart grid. Funzioni smart e interoperabilità di diversi sistemi. Modelli delle reti elettriche in condizioni stazionarie. Calcolo dei flussi di potenza. Evoluzione tecnica delle infrastrutture di rete. Reti elettriche attive. Concetti di Demand Side Management. Concetti di smart metering. Advanced Metering Infrastructure (AMI). Note sui mercati energetici. Evoluzione delle strutture tariffarie verso le tariffe in tempo reale. Impiego di programmi di calcolo dei flussi di potenza per la soluzione di problemi di rete.

PARTE 2 (20 ore): Risorse distribuite di energia
Definizioni (generazione distribuita, accumulo distribuito, gestione della domanda). Indicatori della diffusione delle risorse distribuite. Limiti alla diffusione delle risorse distribuite (stiffness ratio, hosting capacity). Cenni sulle soluzioni tecnologiche. Evoluzione normativa per la connessione delle risorse distribuite in rete. Codice di rete e relativi allegati. Indicazioni dalle norme CEI 0-16 e CEI 0-21. Modalità operative della generazione locale connessa in rete. Schema generale dei dispositivi di protezione con possibilità di funzionamento in isola. Gestione del carico elettrico. Misura delle curve di carico e caratterizzazione degli utenti. Opzioni per la partecipazione degli utenti alla gestione del carico. Demand response: programmi e benefici attesi. Accumulo distribuito. Motivi per lo sviluppo dei sistemi di accumulo. Applicazioni tipiche nei sistemi smart grid. Veicoli elettrici: Vehicle to Grid (V2G) e Grid to Vehicle (G2V). Stazioni di ricarica e parcheggi attrezzati. Note sui modelli di traffico. Problemi di ottimizzazione del funzionamento delle reti con sistemi di accumulo e veicoli elettrici. Impatto dei veicoli elettrici connessi in rete, aspetti di esercizio e pianificazione. Studi di scenario nei sistemi di distribuzione con generazione locale.

PARTE 3 (20 ore): Elettronica di potenza per smart grid
Struttura di un sistema di conversione della potenza per la generazione distribuita: convertitori lato rete e lato sorgente. Esempi di sorgenti di energia distribuita (microturbine a gas, microidro, generatori eolici, sistemi fotovoltaici e celle a combustibile). Convertitori di interfacciamento con la rete. Topologie di potenza, inverter monofase e trifase, filtri di uscita. Funzionamento in parallelo con la rete come sorgente di tensione controllata in corrente. Schemi di controllo. Funzionamento in isola oppure in parallelo con una microrete come sorgente di tensione. Droop control. Standard di collegamento in rete di convertitori elettronici di potenza per la generazione distribuita (IEEE 519, UL1741, IEC 61000-3-12, VDE 0126-1-1). Convertitori lato sorgente: convertitori AC/DC per generatori eolici e relativi schemi di controllo in impianti eolici e microturbine; convertitori di potenza DC/DC per pannelli fotovoltaici e celle a combustibile, e relativi schemi di controllo.

I contenuti dell’insegnamento vengono presentati durante le lezioni, con eventuali esempi numerici o di calcolo.
Sono previste esercitazioni di laboratorio informatico e sperimentale, in particolare:
- 12 ore di esercitazione nel laboratorio informatico con impiego di programmi di calcolo per l’analisi di sistemi elettrici con risorse distribuite.
- 3 ore di laboratorio sperimentale: verifica delle prestazioni di un convertitore front-end trifase da 15 kVA con filtro LCL verso rete, alimentato in DC da un emulatore di batteria.

Appunti dalle lezioni e documentazione disponibile sul portale della didattica.
Non esiste alcun testo commerciale che comprenda integralmente gli argomenti trattati.
Testi di riferimento:
Nick Jenkins, Ron Allan, Peter Crossley, Daniel Kirschen, Goran Strbac, 'Embedded generation', IET (ISBN 978-0-85296-774-4), 2000.
Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodriguez, "Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems", Wiley 2011, ISBN: 978-0-470-05751-3.
D.N. Gaonkar (ed.), Distributed Generation, Intech (ISBN 978-953-307-046-9), 2010. Disponibile gratuitamente all’indirizzo http://sciyo.com/books/show/title/distributed-generation.

Nei due appelli della sessione invernale l’esame consiste in una prova scritta. Nelle altre sessioni, la prova è orale, e le date sono concordate con la Commissione all’interno del periodo di sessione.
Per la prova scritta, gli studenti sono chiamati a rispondere a un insieme di domande che riguardano tutto il programma svolto, fornite su supporto scritto, che possono contenere anche esercizi numerici. La prova scritta dura 2 ore. L’ora di consegna viene riportata sulla lavagna all’inizio della prova. Si richiede di tenere in evidenza un documento valido con fotografia. Durante la prova viene identificata e riportata su un foglio la localizzazione degli studenti. Durante la prova non è permesso uscire, se non ritirandosi o dopo la consegna definitiva dell’elaborato. Nel caso di ritiro il testo della prova deve essere riconsegnato con l’indicazione di nome e cognome negli appositi spazi e con la scritta "RITIRATO". Alla consegna della prova il testo, con indicazione di nome e cognome, deve essere inserito nell’elaborato. Durante la prova è possibile usare soltanto fogli nuovi, penna e calcolatrice. Non sono ammessi personal computer, né tablet, né l’uso di apparecchi per scattare fotografie. Il materiale didattico, gli indumenti e gli effetti personali non devono rimanere sul piano di lavoro né sotto il banco, e devono essere posti in posizione non raggiungibile. Non è consentito consultare altre persone o altro materiale. Per chi viene sorpreso con materiale non consentito sul piano di lavoro o sotto il banco, è previsto l’immediato annullamento della prova con allontanamento dall’aula. Tutte le eventuali domande devono essere rivolte a un membro della Commissione che, in caso di risposte di interesse generale, provvede a informare tutti i presenti. I risultati vengono comunicati attraverso il portale della didattica. Gli studenti avranno la possibilità di visionare l’elaborato corretto entro la fine della sessione di esami in corso.
Per la prova orale, viene posta una domanda per ciascuna delle parti del corso indicate nel programma. La valutazione finale riguarda il livello delle conoscenze e competenze raggiunto sulle varie parti del programma.
L'esame viene superato se sono stati raggiunti gli obiettivi minimi indicati nella sezione "Risultati di apprendimento attesi". Il mancato raggiungimento di uno o più obiettivi minimi comporta il non superamento dell'esame.