Power Electronic Devices for Power Quality and Custom Power to Enable End-Users and Distribution System Operators in Low Voltage Smart Grids : The Evolution of Open-UPQC

Electrical Power System is in an ongoing transformation towards becoming a sustainable energy supply network shifting towards new paradigms called Smart Grids and Microgrids. The majority of this transformation is happening in Low Voltage (LV) networks where the End-Users and the Distribution System Operators (DSOs) emerge as key stakeholders. Due to this, the End-User forms a new entity called Prosumer and the role of DSOs changes from an energy supplier to a service provider managing the network. Under this new framework of Smart Grids, Prosumers must be capable of micro-generation and manage their energy production/utilization. In addition, they have to participate in ancillary services like demand response and grid support. They also need to be an ideal load connected to the network by managing their reactive power and harmonic injections. Under certain conditions they must also be able to operate in islanded mode. On the other hand the DSOs face challenges related to the network operation and management, where power quality is a major issue. Power quality issues for DSOs can mainly be attributed to the Voltage. These can be characterized as swells/sags, flickers, deviations in the voltage from nominal value. Moreover, given the LV network is less monitored, DSOs require a system which can provide visibility and controllability of the network within the Smart Grid framework. In order to address the issues mentioned, the novel concept of Open-Unified Power Quality Conditioner (Open-UPQC) is a promising solution, both from End-User and the DSOs perspectives within the context of Low Voltage (LV) Smart Grids. The aim of this PhD research is to advance the technology of Open-UPQC which consists of Shunt Units which enables the End-Users and the Series Unit which enables the DSOs for the Smart Grids. This thesis provides promising algorithms and system designs for the Open-UPQC. For the Shunt Unit, capabilities to harvest the solar energy from Photovoltaics are integrated to address residential prosumers, and a new three-phase unit is designed to address the medium power prosumers. These advancements provide desirable functionalities to the End-User transition to prosumer and an easier integration into the Smart Grid framework. For the Series Unit, novel algorithms which allow voltage compensation in the active bidirectional network, deterministic active power management, Fault Current Limiting (FCL) are designed. These novel algorithms make the Series Unit an effective device and a powerful tool for DSOs in managing the network voltage and hence power quality. The advancements to Open-UPQC are validated using simulations and experimentally validated in the real network for the Series Unit. The results demonstrate the novel designed capabilities of the Open-UPQC, equipping the End-Users and DSOs for the LV Smart Grids. The designed algorithms and systems are of particular interest both in industry and academia. Given the contributions from this research work to Open-UPQC, it can be considered a major iteration which can be further advanced and tested in real network.

Il sistema elettrico è in continua trasformazione per diventare una rete di approvvigionamento energetico sostenibile, passando a nuovi paradigmi chiamati Smart Grids e Microgrids. La maggior parte di questa trasformazione sta avvenendo nelle reti a bassa tensione (BT), dove gli utenti finali e i gestori dei sistemi di distribuzione (DSO) emergono come soggetti chiave. In questo modo, l'utente finale forma una nuova entità chiamata prosumer e il ruolo dei DSO cambia da fornitore di energia a fornitore di servizi di gestione della rete. In questo nuovo quadro di Smart Grids, i prosumer devono essere in grado di fare microgenerazione e di gestire la loro produzione/utilizzo di energia. Inoltre, devono partecipare a servizi ausiliari come la risposta alla domanda e il supporto alla rete. Devono anche essere un carico ideale connesso alla rete, gestendo la loro potenza reattiva e le iniezioni di armoniche. In determinate condizioni, devono anche essere in grado di operare in modalità isolata. D'altra parte, i DSO devono affrontare sfide legate al funzionamento e alla gestione della rete, dove la qualità dell'energia è un problema importante. I problemi di qualità dell'energia per i DSO possono essere attribuiti principalmente alla tensione. Questi possono essere caratterizzati come swell/sag, flicker, deviazioni della tensione dal valore nominale. Inoltre, dato che la rete BT è poco monitorata, i DSO necessitano di un sistema in grado di fornire visibilità e controllabilità della rete nel quadro delle Smart Grid. Per affrontare i problemi menzionati, il nuovo concetto di condizionatore di qualità dell'alimentazione aperto e unificato (Open-UPQC) è una soluzione promettente, sia dal punto di vista dell'utente finale che dei DSO, nel contesto delle Smart Grid a bassa tensione (BT). L'obiettivo di questa ricerca di dottorato è quello di far progredire la tecnologia dell'Open-UPQC, che consiste in unità shunt che abilitano gli utenti finali e in unità serie che abilitano i DSO per le Smart Grid. Questa tesi fornisce algoritmi e progetti di sistema promettenti per l'Open-UPQC. Per quanto riguarda l'unità Shunt, sono state integrate capacità di raccolta dell'energia solare dal fotovoltaico per soddisfare i consumatori residenziali e una nuova unità trifase è stata progettata per soddisfare i consumatori di media potenza. Questi progressi forniscono funzionalità auspicabili per la transizione dell'utente finale a prosumer e una più facile integrazione nel quadro delle Smart Grid. Per l'unità serie sono stati progettati nuovi algoritmi che consentono la compensazione della tensione nella rete attiva bidirezionale, la gestione deterministica della potenza attiva e la limitazione della corrente di guasto (FCL). Questi nuovi algoritmi rendono l'unità serie un dispositivo efficace e un potente strumento per i DSO nella gestione della tensione di rete e quindi della qualità dell'energia. I progressi dell'Open-UPQC sono stati validati mediante simulazioni e validati sperimentalmente sulla rete reale per l'unità in serie. I risultati dimostrano le nuove funzionalità dell'Open-UPQC qui sviluppato. che fornisce agli utenti finali e ai DSO le Smart Grid in BT. Gli algoritmi e i sistemi progettati sono di particolare interesse sia per l'industria che per il mondo accademico. Considerati i contributi di questo lavoro di ricerca all'Open-UPQC, esso può essere considerato un avanzamento importante che può essere ulteriormente sviluppato e testato in una rete reale.