Stato dell'arte e prospettive di sviluppo dei sistemi solid state transformer nelle reti elettriche

The functional limits of conventional transformers are highlighted when operating in the “smart” distribution network, especially in presence of large distributed generation based on, renewable sources. This thesis looks at an innovative system: the Solid State Transformer (SST) that compared to conventional transformers allows a significant capability in the electricity flow and power quality control. So this system is such likely to use when request a more effective management and regulation of the electrical system are requested. The elaborate, based on an in-depth bibliographic research, carries out a general overview on the State-of-the-art of SST systems and their architecture, taking into account functional and constructive aspects of their main components: the high-frequency transformer and the power electronics housed in its input and output stages. The performance obtainable from SST systems in the control of the main parameters of distribution networks are analyzed: voltage and frequency regulation, power factor control, managing energy flows and asynchronous network connection. The development perspective of SST are investigated on the basis of a comparative assessment with conventional transformers in terms of efficiency, reliability, cost and performance in applications with higher added value for distribution networks.

I trasformatori convenzionali presentano limitazioni funzionali in una prospettiva di operatività delle reti elettriche di distribuzione ispirate ai criteri delle Smart Grid, soprattutto considerando l’odierno consistente sviluppo della generazione distribuita, in particolare da fonte rinnovabile. La presente tesi prende in considerazione un sistema innovativo: il Solid State Transformer (SST) che rispetto ai trasformatori convenzionali offre notevoli possibilità di controllo del flusso e della qualità dell’energia elettrica, e come tali suscettibile di utilizzo quando viene richiesta una più efficace gestione e regolazione del sistema elettrico. Il presente elaborato, basato su un’approfondita ricerca bibliografica, effettua una panoramica generale sullo stato dell’arte dei sistemi SST e delle relative architetture, prendendo in considerazione gli aspetti funzionali e costruttivi degli elementi costitutivi del sistema SST: il trasformatore ad alta frequenza e l’elettronica di potenza costituente gli stadi di ingresso e uscita. Vengono quindi analizzate le prestazioni ottenibili ai fini di un controllo ottimizzato dei principali parametri caratterizzanti la gestione delle reti di distribuzione: regolazione di tensione e frequenza, controllo del fattore di potenza, gestione dei flussi di energia, connessione asincrona delle reti. Il presente lavoro analizza le prospettive di sviluppo dei sistemi SST sulla base di una valutazione comparata con i trasformatori convenzionali in termini di efficienza, affidabilità, costo e prestazioni nelle applicazioni a maggior valore aggiunto per le reti di distribuzione.