Modeling of a photovoltaic DC-AC inverter and its relevant EMI filters for conducted emission analysis

The thesis work focuses on the ElectroMagnetic Compatibility (EMC) field, with particular reference to the problem of conducted emissions of a DC-AC power converter. Over the years, this problem has become increasingly stringent and important due to the exponential increase of high performance power electronic devices. The aim of the thesis is to measure the emission level conducted, with reference to the industrial limits set by the EMC standards, of a DC-AC inverter for photovoltaic applications and to create a preliminary software model for the characterization and analysis of these conducted emissions. The work is done in several steps. First of all, the functional model of the DC-AC inverter is implemented in PSpice ambient, a software for the electric circuit systems analysis. This model contains the real elements of the converter under test and the main modulation techniques installed in it. Subsequently, the focus moves on the elements that make up the converter system: first of all the EMI filters inserted on the AC and DC side of the inverter. They are electromagnetic compensation filters characterized by curves that express the ability of the filter to attenuate the common-mode and differential-mode noisy components of the object to which they are associated. Since this is an intrinsic characteristic, it takes into account all the couplings and parasitism that can be created inside the filter. A study of the parasitic components is carried out to find the real attenuation curves of the filters used. Once the system was characterized by its constituent elements and its nominal operating values, per-compliance tests were carried out at the Engie EPS laboratory located in Delebio (SO). In these tests the level of inverter conducted emissions is tested for compliance with IEC 61000-6-4 standard. As a last point, PSpice simulations are performed which partially reproduce the real test bench used in the laboratory, to verify, graphically, the contributions of emission given by the modulation parameters of the inverter, the parameters of the cables on the AC side and the capacitor banks CY on the AC side of the inverter and, to make a comparison between the software model and measurements in the field, which allows to obtain valuable information for a more detailed description of the complex system analysed.

Il lavoro di tesi si focalizza sul campo della compatibilità elettromagnetica, con particolare riferimento al problema delle emissioni condotte di un convertitore di potenza DC-AC. Questo problema, con il passare degli anni, è diventato sempre più stringente e importante a causa dell'aumento esponenziale di dispositivi elettronici di potenza ad alte prestazioni. Lo scopo della tesi è quello di misurare il livello di emissione condotta, con riferimento ai limiti industriali previsti dalle normative EMC, di un inverter DC-AC per applicazioni fotovoltaiche e creare un modello software preliminare per la caratterizzazione e l'analisi di tali emissioni condotte. Il lavoro è realizzato in diversi passaggi. Innanzitutto viene implementato il modello funzionale dell'inverter DC-AC in PSpice, software per l'analisi circuitale di sistemi elettrici. Questo modello contiene gli elementi reali del convertitore in esame e le principali tecniche di modulazione in esso installate. Successivamente, l'attenzione si sposta sugli elementi che compongono il sistema convertitore: in primis i filtri EMI inseriti sul lato AC e DC dell'inverter. Essi sono filtri di compensazine elettromagnetica caratterizzati da curve che esprimono l'abilità del filtro nell'attenuare le componenti di disturbo di modo comune e differenziale dell'oggetto a cui sono associati. Essendo questa una caratteristica intrinseca, essa tiene conto di tutti gli accoppiamenti e parassitismi che si possono creare all'interno del filtro. Viene effettuato uno studio dei componenti parassiti per trovare le reali curve di attenuazione dei filtri utilizzati. Una volta caratterizzato il sistema con i suoi elementi costituenti e i suoi valori nominali di funzionamento, si sono effettuate delle prove di pre-compliance presso il laboratorio di Engie EPS sito in Delebio (SO). In queste prove si testa il livello di emissioni condotte dell'inverter per il rispetto delle norme IEC 61000-6-4. Come ultimo punto vengono svolte delle simulazioni PSpice che riproducono parzialmente il banco prova reale utilizzato in laboratorio, per verificare, a livello grafico, i contributi di emissione dati dai parametri di modulazione dell'inverter, dai parametri dei cavi sul lato AC e dai banchi di condensatori CY sul lato AC dell'inverter e, per effettuare una comparazione tra modello software e misure sul campo, che permetta di ottenere indicazioni preziose per una caretterizzazione più dettagliata del complesso sistema analizzato.