Studt of a SMES interface device for eletrical LV distribution grid

DRYSMES4GRID is an ambitious project, financed by the Italian Minister of Economic Development, which has planned to demonstrate, through the realization of a prototype, the industrial feasibility of a DRY-SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) system made by magnesium diboride (MgB2). This device has to be interfaced to the electric grid with the use of electronic power converters. This project is the result of a cooperation between: Columbus Superconductors which will realize the superconductive material, University of Bologna which is an expert in designing of SMES, ICAS and CNR-SPIN for studying the superconductive material and RSE for interfacing the SMES with the electric grid. This thesis, developed in RSE, aims to achieve a preliminary study of a power electronic interface which connects the storage system with the electric grid. The interface device and the SMES will have to work as a compensator during the normal operating condition and to protect a critical load after a short-duration voltage dip. The thesis starts with the descriptive analysis of the superconductive material. This knowledge will be used for the comprehension of the superconductive storage, focusing on the advantages and disadvantages of the system. It will describe the state of art of the main SMES applications in the electric field. Ones the technological background will be clear, the two devices used for the interfacing will be studied. The chopper for the power modulation of the energy stored in the SMES, and the three-phase inverter for the direct power exchange with the grid and the load. For each of them will be analysed the control system. The interface device will be developed, starting from a prototype designed in RSE. The model will be designed in order to verify the performances of the system.

DRYSMES4GRID è un ambizioso progetto finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico che intende dimostrare, attraverso la realizzazione di un dimostratore, la fattibilità industriale di sistemi DRY-SMES (Superconductive Magnetic Energy Storage) realizzati mediante Diboruro di Magnesio (MgB2), interfacciati alla rete tramite convertitori di potenza. Il progetto è frutto di una collaborazione tra: Columbus Superconductors il quale realizzerà il materiale superconduttore, Università di Bologna esperta in progettazione e controllo SMES, ICAS e CNR-SPIN per lo studio del materiale superconduttivo e RSE per la parte di interfacciamento con la rete. La presente tesi svolta in RSE si pone come obiettivo lo studio preliminare di un interfacciamento tra il sistema di accumulo (SMES) e la rete elettrica, basato sul controllo di dispositivi di elettronica di potenza. Il sistema di accumulo superconduttivo e il suo sistema di controllo dovrà essere in grado di svolgere funzioni di compensazione, durante le normali condizioni di rete ed in caso di buchi di tensione inferiori al secondo, proteggere un carico sensibile. La tesi si articola partendo dall’analisi descrittiva dei materiali superconduttori. Tali conoscenze verranno applicate all’accumulo superconduttivo (SMES), mostrando i vantaggi e gli svantaggi della tecnologia. Si procederà poi alla presentazione delle soluzioni sviluppate ad oggi, per utilizzare lo SMES come supporto della rete elettrica. Una volta chiarito il contesto tecnologico si studieranno in dettaglio i due principali dispositivi funzionali all’interfacciamento: il chopper per la modulazione della potenza dello SMES e l’inverter per lo scambio diretto con la rete e il carico. Per ciascuno di essi verranno analizzate le rispettive tecniche di controllo. Completata la fase di studio preliminare, verrà sviluppato, partendo da un compensatore universale studiato in RSE, un modello per verificare le prestazioni del dispositivo nella configurazione finale.