Distribution grids evolution: towards hybrid AC/DC and DC power distribution systems with islanding capability

Electric power systems are experiencing a transition towards sustainable energy, which requires a significant update of system structure and control in order to make the introduction of renewable energy sources an opportunity rather than a challenge. In this context, the present Thesis is focused on power systems evolution and investigates three aspects in particular. The first aspect of interest is the introduction of innovative functionalities in traditional AC power systems, including islanding capability and hierarchical control structures, in order to take advantage of distributed generation to increase power supply quality and reliability. Successively, hybrid AC/DC power systems are considered, with particular attention to their configuration and to the possible high-frequency disturbances which can affect such a system. Lastly, a perspective on high-performance hybrid power systems based on multiport converters is outlined: converters topology and control are analyzed and their application to distribution system is discussed, with particular attention to system protection and reliability. The results presented in the following outline interesting development perspectives on the three considered aspects, encouraging further studies. In particular, the solution proposed for AC, hybrid and DC power systems exhibit significant advantages over the standard practice and are technically feasible, excluding regulatory issues.

I sistemi elettrici si trovano nel mezzo di una transizione verso forme di energia sostenibile, che richiede una significativa rivisitazione della struttura e del controllo dei sistemi stessi al fine di rendere l’introduzione di fonti energetiche rinnovabili una opportunità piuttosto che una sfida. In questo contesto, la presente Tesi è focalizzata sull’evoluzione dei sistemi elettrici e ne affronta tre aspetti in particolare. Il primo aspetto di interesse è l’introduzione di funzionalità innovative nei tradizionali sistemi di distribuzione in CA, tra cui la possibilità di esercizio in isola e l’introduzione di strutture di controllo gerarchiche, al fine di trarre vantaggio dalla presenza di generazione distribuita per migliorare qualità e continuità della tensione. Successivamente, si vanno a studiare i sistemi elettrici ibridi CA/CC, con particolare attenzione rivolta alla configurazione del sistema e ai possibili disturbi ad alta frequenza che in tale sistema possono manifestarsi. In ultimo, si va a delineare una possibile linea di sviluppo per sistemi di distribuzione ad alte prestazioni, costituito dalla realizzazione di sistemi radiali e/o zonali basati su convertitori multiporta: si analizzano topologia e controllo dei convertitori e si discute la loro applicazione ai sistemi di distribuzione, con particolare attenzione rivolta ad affidabilità e sistemi di protezione. I risultati esposti nello sviluppo di questa Tesi delineano interessanti prospettive di sviluppo per ciascuno degli aspetti investigati, incoraggiando ulteriori studi. In particolare, le soluzioni proposte per sistemi in CA, ibridi e in CC dimostrano significativi vantaggi rispetto alle soluzioni tradizionali e sono tecnicamente valide e realizzabili, a meno delle questioni normative.