Studio dei regolatori risonanti per convertitori a tensione impressa nell'ambito delle microreti

As distributed renewable resources become more common the electrical grid will need to adapt and move toward a new paradigm. One solution often proposed is to integrate distributed generation through power electronics devices, in particular with the goal of implementing small grids capable of independent operation. These are usually referred to as microgrids. The power converters should be controlled properly in order to ensure the correct load sharing between the different generators. In this work this is achieved through droop control, which ensures stable operation and good power sharing without requiring communication links between the units. Additional control loops are usually required due to the dynamics of the interface filter between the converter and the grid. Precise reference tracking can be achieved by PI controllers operating in a rotating frame synchronous with the reference signal. This common control strategy may prove to be burdening when harmonic compensation is required, since multiple rotating frames would need to be implemented. Good reference tracking can be achieved in the stationary reference frame by means of resonant controllers, which offer high gain at a selected interval of frequencies. The first part of this work focuses on the study of the resonant controller and the challenges that it introduces. Subsequently, a design strategy for the controller parameters is developed. Lastly, stability of the whole system is verified through eigevalues analysis and the proposed system is tested through simulation.

La grande diffusione delle risorse rinnovabili negli ultimi anni rende necessario sviluppare nuovi modelli di rete elettrica che siano in grado di integrare in modo efficiente risorse di generazione distribuite. In tal senso uno degli ambiti principali di studio è quello delle microreti, ossia reti di piccole dimensioni costituite da un certo numero di generatori, sistemi di accumulo e carichi e in grado di operare in modo autonomo. Le diverse unità di generazione sono in genere interfacciate con la rete per mezzo di convertitori statici. A tali convertitori è affidato il compito di regolare le erogazioni di potenza in modo adeguato, in particolare la presenza di più unità in parallelo richiede di implementare un sistema di controllo che assicuri una corretta ripartizione del carico fra di esse. Il metodo scelto in questo lavoro di tesi è il droop control, ossia un sistema di controllo che realizza un comportamento simile a quello dei tradizionali generatori rotanti. in questo modo è assicurato il funzionamento stabile delle unità e una buona ripartizione delle potenze attive e reattive senza bisogno di sistemi di comunicazione centralizzati. Oltre al regolatore di droop è necessario implementare degli anelli di regolazione addizionali per tenere conto delle dinamiche del filtro con cui ciascun convertitore è connesso alla rete. Ciascuno di questi anelli richiede un regolatore che dovrà essere opportunamente dimensionato. Una soluzione comunemente adottata è quella di impiegare regolatori PI in un riferimento rotante alla stessa velocità del vettore di riferimento della tensione, in modo da avere un riferimento costante che i regolatori sono in grado di seguire con errore nullo a regime. In presenza di carichi distorcenti può rendersi necessario limitare le armoniche delle grandezze controllate, in questo caso l'uso di regolatori PI richiede di implementare un diverso riferimento rotante per ciascuna armonica di interesse e risulta quindi oneroso dal punto di vista computazionale. Una possibile soluzione è l'impiego di regolatori risonanti, ossia regolatori che presentano un guadagno elevato in corrispondenza di un ristretto intervallo di frequenze. Questo consente di realizzare il sistema di controllo su assi fissi, tuttavia l'introduzione dei termini risonanti comporta alcune problematiche che devono essere valutate. Ad uno studio di questo tipo si dedica la prima parte del lavoro di tesi. Una volta determinate le criticità di questo tipo di regolatori si tenta di elaborare delle strategie per il loro dimensionamento. Infine si effettua una verifica di stabilità dell'intero sistema mediante l'analisi agli autovalori e si verifica l'efficacia del sistema di controllo mediante simulazioni.