Electromagnetic coexistence issues between power and data lines in power line communication systems used in smart grids

Power Line Communication (PLC) technologies are used in many applications and offer the advantage of utilizing existing power cables for both power and data transmission, thus minimizing cost and complexity. Nevertheless, PLC technology requires further investigation to solve possible co-existence issues due to the noise coming from power electronics converters. This thesis presents an activity carried out to study the interference between coexisting power converters and nearby communication systems such as PLC. Therefore, the thesis first discusses the modelling of noise sources mainly power electronics converters. In this regard, both white-box and black-box modelling techniques are investigated in detail considering their application in predicting electromagnetic interference (EMI) emissions in complex networks such as the Low Voltage (LV) distribution network. More specifically, the white-box modelling approach is implemented to study conducted emission (CE) propagation from the LV network to the main grid with the help of PSpice MATLAB co-simulation, where different noise sources are modelled in PSpice considering parasitic elements and MATLAB Simulink is used to implement control schemes for synchronization. The effects of the shunt capacitors, circuit breakers, transmission lines and power factor of the loads on the CE propagation of the LV network to the main grid are discussed in detail. However, black-box modelling is applied to a three-phase inverter, by implementing an alternative procedure to identify the parameters describing the active part of the model. Besides, two limitations of black-box modelling are investigated. The first regards the need for the system to satisfy the linear and time-invariant (LTI) assumption. The influence of this assumption on prediction accuracy is analyzed with reference to the zero, positive and negative sequence decomposition. It is shown that predictions for the positive/negative sequence are highly influenced by this assumption, unlike those for the zero sequence. The second limitation is related to the possible variation of the mains impedance, which is not satisfactorily stabilized at low frequency, that is outside the operating frequency range of standard line impedance stabilization networks. The thesis also discusses both the simulation and experimental activities towards finding alternative ways of reducing the CE of power converters by using Random Pulse Width Modulation (RPWM) scheme. The analysis is carried out by using PSpice-Simulink co-simulation in order to achieve effective modelling of the converter on the one hand (PSpice), and easy implementation of the modulation scheme on the other hand (Simulink). Both simulation and experimental results entailed that RPWM resulted better attenuation of the noise of power converters compared to the conventional Pulse Width Modulation Scheme (PWM). Besides, this thesis reports the activity carried out to evaluate the interference between randomly modulated power converters and PLC systems. To this end, both software simulations and experimental tests have been carried out with the final goal of understanding the conditions under which RPWM schemes can be considered as an effective alternative to conventional PWM in applications involving PLC systems. In details, the effects of different RPWM parameters such as switching frequency, spreading factor and random number update rate on the G3-PLC are investigated. In addition, different RPWM schemes such as Random Frequency Modulation (RFM) and Random Pulse Position Modulation (RPPM) are compared in terms of performance so to highlight which RPWM is best suited to assure coexistence with PLC systems. The impact of RPWM on the communication channel is evaluated in terms of Frame Error Rate, Channel Capacity and Channel Capacity Loss metrics. Experimental results confirmed that randomly modulated converters with switching frequencies near the G3-PLC bandwidth can cause more significant disturbance and coexistence issues than switching frequencies out of this range. Results also show that the spreading factor and the random number update rate of RPWM have a direct effect on the communication channel. Moreover, a trade-off between EMI reduction and coexistence issues is observed, i.e., RFM, which is very effective for EMI reduction, is found to be very disruptive for G3-PLC compared to alternative random modulation techniques like RPPM. Eventually, the thesis presents an experimental activity aimed at modelling the G3-PLC modems by a black-box modelling approach. Modelling G3-PLC modems is an essential task to investigate electromagnetic compatibility (EMC) issues related to the coexistence of the PLC signal with the high-frequency noise affecting low voltage networks, mainly due to the presence of power converters and non-linear loads. Since detailed information on the modem internal architecture is usually not available to the end-user, this work investigates the possibility to develop behavioral (black-box) models of G3-PLC modems, whose parameters can be estimated starting from measurements carried out at the modem output ports. To this end, suitable test benches are set up, and used for model-parameter extraction as well as for validation purposes. It is proven by experiments that an equivalent representation involving non-ideal voltage sources (i.e., in terms of extended Thevenin/Norton equivalent circuits) is no longer feasible for the transmitting modem, since the presence of a closed-loop control system invalidates the linearity assumption. Hence, while the receiving modem is still modelled through an impedance matrix (since it behaves as a linear device), an alternative representation is proposed for the transmitting modem, which resorts to the use of two ideal voltage sources in accordance with the substitution theorem. Experimental results prove that the proposed modelling strategy leads to satisfactory prediction of the currents propagating on the PLC system in the frequency interval of interest. Hence, it could be used in combination with high-frequency models of the other components in the network to investigate EMC and coexistence of the PLC signal with the high-frequency noise generated by power converters.

Le tecnologie Power Line Communication (PLC) sono utilizzate in molte applicazioni e offrono il vantaggio di utilizzare i cavi di alimentazione esistenti sia per l'alimentazione che per la trasmissione dei dati, riducendo così al minimo i costi e la complessità. Tuttavia, la tecnologia PLC richiede ulteriori indagini per risolvere possibili problemi di coesistenza dovuti al rumore proveniente dai convertitori di elettronica di potenza. Questa tesi presenta un'attività svolta per studiare l'interferenza tra convertitori di potenza coesistenti e sistemi di comunicazione vicini come PLC. Pertanto, la tesi discute dapprima la modellazione di sorgenti di rumore principalmente convertitori di elettronica di potenza. A questo proposito, entrambe le tecniche di modellazione white-box e black-box sono studiate in dettaglio considerando la loro applicazione nella previsione delle emissioni di interferenza elettromagnetica (EMI) in reti complesse come la rete di distribuzione a bassa tensione (LV). Più specificamente, l'approccio di modellazione white-box è implementato per studiare la propagazione delle emissioni condotte (CE) dalla rete BT alla rete principale con l'aiuto della co-simulazione MATLAB di PSpice, in cui diverse sorgenti di rumore sono modellate in PSpice considerando elementi parassiti e MATLAB Simulink viene utilizzato per implementare schemi di controllo per la sincronizzazione. Vengono discussi in dettaglio gli effetti dei condensatori di shunt, degli interruttori automatici, delle linee di trasmissione e del fattore di potenza dei carichi sulla propagazione CE della rete BT alla rete principale. Tuttavia, la modellazione black-box viene applicata ad un inverter trifase, implementando una procedura alternativa per identificare i parametri che descrivono la parte attiva del modello. Inoltre, vengono studiate due limitazioni della modellazione black-box. La prima riguarda la necessità che il sistema soddisfi l'ipotesi lineare e invariante nel tempo (LTI). L'influenza di questa ipotesi sull'accuratezza della previsione viene analizzata con riferimento alla decomposizione di sequenza zero, positiva e negativa. È dimostrato che le previsioni per la sequenza positiva/negativa sono fortemente influenzate da questa ipotesi, a differenza di quelle per la sequenza zero. La seconda limitazione è legata alla possibile variazione dell'impedenza di rete, che non viene stabilizzata in modo soddisfacente a bassa frequenza, cioè al di fuori del range di frequenze operative delle reti di stabilizzazione ad impedenza di linea standard. La tesi discute anche sia la simulazione che le attività sperimentali per trovare modi alternativi per ridurre la CE dei convertitori di potenza utilizzando lo schema RPWM (Random Pulse Width Modulation). L'analisi viene effettuata utilizzando la co-simulazione PSpice-Simulink al fine di ottenere una modellazione efficace del convertitore da un lato (PSpice) e una facile implementazione dello schema di modulazione dall'altro (Simulink). Sia la simulazione che i risultati sperimentali hanno comportato che RPWM risultasse in una migliore attenuazione del rumore dei convertitori di potenza rispetto allo schema PWM (Pulse Width Modulation Scheme) convenzionale. Inoltre, questa tesi riporta l'attività svolta per valutare l'interferenza tra convertitori di potenza a modulazione casuale e sistemi PLC. A tal fine, sono state effettuate sia simulazioni software che test sperimentali con l'obiettivo finale di comprendere le condizioni in cui gli schemi RPWM possono essere considerati un'efficace alternativa al PWM convenzionale nelle applicazioni che coinvolgono sistemi PLC. In dettaglio, vengono studiati gli effetti di diversi parametri RPWM come la frequenza di commutazione, il fattore di diffusione e la frequenza di aggiornamento dei numeri casuali sul PLC G3. Inoltre, diversi schemi RPWM come Random Frequency Modulation (RFM) e Random Pulse Position Modulation (RPPM) vengono confrontati in termini di prestazioni in modo da evidenziare quale RPWM è più adatto a garantire la coesistenza con i sistemi PLC. L'impatto di RPWM sul canale di comunicazione viene valutato in termini di metriche Frame Error Rate, Channel Capacity e Channel Capacity Loss. I risultati sperimentali hanno confermato che i convertitori modulati in modo casuale con frequenze di commutazione vicine alla larghezza di banda del PLC G3 possono causare disturbi e problemi di coesistenza più significativi rispetto alle frequenze di commutazione al di fuori di questo intervallo. I risultati mostrano anche che il fattore di diffusione e la velocità di aggiornamento del numero casuale di RPWM hanno un effetto diretto sul canale di comunicazione. Inoltre, si osserva un compromesso tra riduzione EMI e problemi di coesistenza, ovvero RFM, che è molto efficace per la riduzione EMI, risulta essere molto dirompente per G3-PLC rispetto a tecniche di modulazione casuale alternative come RPPM. Infine, la tesi presenta un'attività sperimentale finalizzata alla modellazione dei modem G3-PLC mediante un approccio di modellazione black-box. La modellazione dei modem G3-PLC è un compito essenziale per studiare i problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC) relativi alla coesistenza del segnale PLC con il rumore ad alta frequenza che colpisce le reti a bassa tensione, principalmente a causa della presenza di convertitori di potenza e carichi non lineari. Poiché le informazioni dettagliate sull'architettura interna del modem non sono solitamente disponibili per l'utente finale, questo lavoro indaga la possibilità di sviluppare modelli comportamentali (black-box) di modem G3-PLC, i cui parametri possono essere stimati a partire da misurazioni effettuate presso il porte di uscita del modem. A tal fine vengono allestiti idonei banchi di prova, utilizzati sia per l'estrazione dei parametri del modello che per la validazione. È dimostrato sperimentalmente che una rappresentazione equivalente che coinvolge sorgenti di tensione non ideali (cioè in termini di circuiti equivalenti Thevenin/Norton estesi) non è più fattibile per il modem trasmittente, poiché la presenza di un sistema di controllo ad anello chiuso invalida la linearità assunzione. Quindi, mentre il modem ricevente è ancora modellato attraverso una matrice di impedenza (poiché si comporta come un dispositivo lineare), per il modem trasmittente viene proposta una rappresentazione alternativa, che ricorre all'utilizzo di due sorgenti di tensione ideali in accordo con il teorema di sostituzione. I risultati sperimentali dimostrano che la strategia di modellazione proposta porta a una previsione soddisfacente delle correnti che si propagano sul sistema PLC nell'intervallo di frequenza di interesse. Pertanto, potrebbe essere utilizzato in combinazione con modelli ad alta frequenza degli altri componenti della rete per studiare l'EMC e la coesistenza del segnale PLC con il rumore ad alta frequenza generato dai convertitori di potenza.