Analysis and control of three-phase inverters feeding unbalanced loads

Nowadays microgrids are spreading more and more around territory, promoting the development of the distributed generation and the integration of RES with the existing distribution grid, towards a more sustainable future that aims at the reduction of CO2 emissions, in favour of renewable energy sources and the so-called Smart Grids. Among the critical issues about the generation by RES there is the use of interface static converters for the connection to the microgrid, which often need the implementation of specific control techniques to guarantee the regulation and the stability of the grid itself; in particular, the unbalance of loads, which is quite common in microgrids, has a negative impact on the entire system. In this thesis work the analysis and control of three-phase inverters feeding unbalanced loads is presented. One of the solutions studied for this kind of problem considers the use of a particular interface three-phase inverter, where an additional leg gives the connection point for the load’s neutral point through the neutral conductor. Two kinds of configuration are analysed: the first one considers the use of two series capacitors on the fourth leg, guaranteeing the stabilization of the nominal voltage across the load; the second one is characterized by a fourth leg identical to the others, which gives the controllability of the load’s neutral point, bringing the system to balanced conditions. The analysis about the former converter’s topology is focused on the evaluation of the improvement given by inserting an inductance on the neutral conductor, giving as result a symmetric and balanced load voltage system. The latter one concentrates on the inverter’s control scheme and modulation technique, analysing two different PI regulators design methods. The first modelling method is based on the traditional designing techniques for SISO systems; the search for a better system response has brought to a different view of the system itself, employing more complex design methods for MIMO systems. The analysis criterion has not completely given the desired results, laying foundations and questions for possible future developments.

Al giorno d’oggi le microreti stanno trovando sempre più diffusione sul territorio, favorendo la crescita della generazione distribuita e l’integrazione delle FER con la rete di distribuzione esistente, verso un futuro più sostenibile che punti alla riduzione delle emissioni di CO2, a favore delle fonti energetiche rinnovabili e delle cosiddette Smart Grids. Tra le criticità riguardanti la generazione da FER vi è l’impiego di convertitori statici di interfaccia con la microrete, che spesso richiedono lo sviluppo di specifiche tecniche di controllo per garantire la regolazione e la stabilità della rete stessa; in particolare, lo squilibrio dei carichi, che è abbastanza comune nelle microreti, ha un impatto negativo sull’intero sistema. In questo lavoro di tesi viene presentata l’analisi e il controllo di inverter trifase che alimentano carichi squilibrati. Una delle soluzioni pensata per questo tipo di problema prevede l’utilizzo di un particolare inverter trifase di interfaccia, dove vi è un quarto ramo addizionale che garantisce il punto di connessione del centro stella del carico attraverso il conduttore di neutro. Si analizzano due tipi di configurazione: la prima soluzione prevede l’utilizzo di due condensatori in serie sul quarto ramo, garantendo la stabilizzazione della tensione nominale al carico; la seconda è caratterizzata da una quarta gamba identica alle altre tre, che permette il controllo del centro stella del carico, portando il sistema in condizioni bilanciate. L’analisi della prima tipologia di convertitore è focalizzata sulla valutazione del miglioramento dato dall’inserzione di un’induttanza sul conduttore di neutro, dando come risultato un sistema di tensioni al carico simmetrico ed equilibrato. La seconda si concentra sullo schema di controllo e la tecnica di modulazione dell’inverter, analizzando due diversi metodi per il dimensionamento dei regolatori PI. Il primo metodo è basato sulle tradizionali tecniche di dimensionamento per sistemi SISO; la ricerca di una migliore risposta da parte del sistema ha portato a una valutazione differente del sistema stesso, adoperando tecniche di dimensionamento più complesse per sistemi MIMO. Il criterio di analisi non ha portato completamente ai risultati desiderati, ponendo le basi e gli interrogativi per possibili sviluppi futuri.