EMI analysis in power electronic converters : modeling and measurement

The integration of renewable energy systems in power distribution networks brings potential electromagnetic compatibility (EMC) issues. Therefore, it is important to investigate the modeling, propagation, measurement, and mitigation of conducted emissions (CE) due to renewable energies. This thesis fits into this line of research with three main objectives: EMI modeling techniques of power converters, design of novel line impedance stabilization networks (LISN) for low-frequency CE measurement, and enhanced single-probe setup for the measurement of in-circuit impedance. First, the available black-box modeling procedures in the literature are compared regarding their required measurement setups, advantages, and limitations. A setup employing a LISN to extract the active part of the black-box model is proposed, which is used to model a PV-inverter system to predict its emissions propagating to the power grid. One application of the black-box model of PV inverter is discussed, focusing on the cable effects on the aggregated CE in a power distribution network. This modeling technique is further extended to unterminated conditions, which can predict the emissions on both the ac and dc sides of the PV inverter. Based on the unterminated model, the applicability of the black-box modeling techniques for converters driven by random modulation strategies is investigated. Besides, two limitations of the black-box modeling approach are discovered, which exhibit the necessity to explore the other two topics. One limitation is the frequency gap from 2 kHz to 150 kHz, which is not regulated synergistically between power quality and EMC standards. Thus, for this frequency gap, the existing LISN specified in CISPR 16 cannot provide a stable impedance against possible impedance variations of power utilities, which leads to unrepeatable CE measurement results. Therefore, the setup with a LISN involved for black-box techniques requires additional effort to obtain an accurate model for the low-frequency range. A novel LISN for CE measurement from 2 kHz to 30 MHz is designed by multi-objective optimization to solve this issue. Besides, the nominal tolerances of resistors and capacitors in the proposed LISN are selected by running a sensitivity analysis. Furthermore, two inductors involved in the novel LISN are optimally designed to obtain a higher self-resonance frequency (SRF) with a practical volume. Eventually, the two-phase LISN prototype is constructed and characterized. Another limitation is that the black-box modeling approach assumes the device for modeling is a linear time-invariant (LTI) system. It is found that the presence of large passive components (such as LCL filters of inverters) at the terminal of systems can mask the inherent non-linear and time-variant behavior of power switches, which makes the LTI assumptions approximately satisfied so that the black-box modeling approach is applicable. However, this assumption should be verified a-prior to the application of black-box modeling. A method is proposed in this thesis to test the LTI assumption, which requires the comparison of the differential mode (DM) impedance under different operating conditions. To this end, an enhanced single-probe setup for in-circuit impedance measurement is proposed, which can be used to measure the modal impedance of energized devices. Besides, the obtained in-circuit modal impedance can be used to assess the actual insertion loss (IL) of commercial EMI filters. For example, the modal ILs of two three-phase EMI filters in a motor drive system are predicted and compared with the ILs derived in a standard setup.

L'integrazione di sistemi di energia rinnovabile nelle reti di distribuzione dell'energia comporta potenziali problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC). Pertanto, è importante studiare la modellazione, la propagazione, la misurazione e la mitigazione delle emissioni condotte (CE) dovute alle energie rinnovabili. Questa tesi si inserisce in questa linea di ricerca con tre obiettivi principali: tecniche di modellazione EMI dei convertitori di potenza, progettazione di nuove reti di stabilizzazione dell'impedenza di linea (LISN) per la misura CE a bassa frequenza e configurazione avanzata a sonda singola per la misura di in-circuit impedenza. In primo luogo, le procedure di modellazione black-box disponibili in letteratura vengono confrontate per quanto riguarda le impostazioni di misurazione, i vantaggi e i limiti richiesti. Viene proposta una configurazione che impiega un LISN per estrarre la parte attiva del modello black-box, che viene utilizzato per modellare un sistema di inverter fotovoltaici per prevedere le sue emissioni che si propagano alla rete elettrica. Viene discussa un'applicazione del modello black-box dell'inverter fotovoltaico, concentrandosi sugli effetti del cavo sulla CE aggregata in una rete di distribuzione dell'energia. Questa tecnica di modellazione è ulteriormente estesa a condizioni non terminate, che possono prevedere le emissioni su entrambi i lati ca e cc dell'inverter fotovoltaico. Sulla base del modello non terminato, viene studiata l'applicabilità delle tecniche di modellazione black-box per convertitori guidati da strategie di modulazione casuale. Inoltre, vengono scoperti due limiti dell'approccio di modellazione black-box, che mostrano la necessità di esplorare gli altri due argomenti. Una limitazione è il gap di frequenza da 2 kHz a 150 kHz, che non è regolato sinergicamente tra la qualità dell'energia e gli standard EMC. Pertanto, per questo intervallo di frequenza, il LISN esistente specificato nel CISPR 16 non può fornire un'impedenza stabile rispetto a possibili variazioni di impedenza delle utenze elettriche, il che porta a risultati di misurazione CE irripetibili. Pertanto, l'impostazione con un LISN coinvolto per le tecniche black-box richiede uno sforzo aggiuntivo per ottenere un modello accurato per la gamma a bassa frequenza. Un nuovo LISN per la misurazione CE da 2 kHz a 30 MHz è progettato dall'ottimizzazione multi-obiettivo per risolvere questo problema. Inoltre, le tolleranze nominali di resistori e condensatori nel LISN proposto vengono selezionate eseguendo un'analisi di sensibilità. Inoltre, due induttori coinvolti nel nuovo LISN sono progettati in modo ottimale per ottenere una frequenza di auto-risonanza (SRF) più elevata con un volume pratico. Alla fine, il prototipo LISN a due fasi viene costruito e caratterizzato. Un'altra limitazione è che l'approccio di modellazione black-box presuppone che il dispositivo per la modellazione sia un sistema lineare tempo-invariante (LTI). Si è riscontrato che la presenza di componenti passivi di grandi dimensioni (come i filtri LCL degli inverter) al terminale dei sistemi può mascherare il comportamento intrinseco non lineare e variabile nel tempo degli interruttori di potenza, il che rende approssimativamente soddisfatte le ipotesi LTI in modo che il nero è applicabile l'approccio di modellazione a scatola. Tuttavia, questa ipotesi dovrebbe essere verificata prima dell'applicazione della modellazione black-box. In questa tesi viene proposto un metodo per testare l'ipotesi LTI, che richiede il confronto dell'impedenza di modo differenziale (DM) in diverse condizioni operative. A tal fine, viene proposta una configurazione avanzata a sonda singola per la misurazione dell'impedenza in-circuit, che può essere utilizzata per misurare l'impedenza modale dei dispositivi sotto tensione. Inoltre, l'impedenza modale in-circuit ottenuta può essere utilizzata per valutare l'effettiva perdita di inserzione (IL) dei filtri EMI commerciali. Ad esempio, gli IL modali di due filtri EMI trifase in un sistema di azionamento del motore vengono previsti e confrontati con gli IL derivati in una configurazione standard.