Evaluation of Power Converters Control Problems due to Grid Synchronization

Power Quality (PQ) is a significant topic in electrical engineering due to its great importance in affecting the overall operation condition of a grid and its connected electrical equipment. The shift from traditional power systems to sustainable power generation has led to the introduction of a wide range of new challenging PQ issues, and different standards and PQ systems have been introduced to handle and address these PQ issues effectively. A significant advancement in this research field is the Open Unified Power Quality Conditioner (Open-UPQC), presented and designed to address some challenges faced by modern electrical networks. Although the current performance of the Open-UPQC Series unit is acceptable, there is a need for further advancements and optimization so as to enhance its performance. Grid connected power converters mainly working based on measurements and synchronization data to perform their control actions. Any error in synchronization causes the system to work not in efficient and effective condition or introduces more PQ issues in the connected grid. To dealt with the mentioned challenges and limitations, the main aim of this thesis is to enhance the overall performance of the system by introducing the operational constraints, validating and analysis of the Zero-Crossing Detection (ZCD) synchronization method currently in use. In addition, a novel approach involves implementing a new Single Phase Locked Loop (SPLL) synchronization method. Eventually, this method was validated via a comparative analysis with existing synchronization methods in the context of Open-UPQC Series Unit in an effort to facilitate independent and efficient operation by ensuring a fast response to the transient events and system-wide coordination. The simulations represent the robustness and effectiveness of the methods proposed in this thesis. The results show high improvement in system dynamics, stability, system responses to changes, lower power consumption, reduced system losses, and lower power injection under completely the same conditions as the existing system.

La qualità dell’energia elettrica definita Power Quality (PQ), rappresenta un argomento significativo nell'ingegneria elettrica, data la sua grande importanza nell'influenzare le condizioni operative complessive di una rete e dei dispositivi elettrici ad essa connessi. Il passaggio dai sistemi di generazione tradizionali alla produzione di energia sostenibile ha portato all'introduzione di una vasta gamma di nuove e complesse sfide relative alla PQ, e diversi standard e sistemi di PQ sono stati introdotti per gestire ed affrontare efficacemente queste problematiche. Un progresso significativo in questo campo di ricerca è l’Open Unified Power Quality Conditioner (Open-UPQC), presentato e progettato per affrontare alcune delle sfide incontrate dalle moderne reti elettriche. Sebbene l'attuale prestazione dell'unità serie dell’Open-UPQC sia accettabile, sono necessari ulteriori avanzamenti e ottimizzazioni per migliorarne le prestazioni. I convertitori di potenza collegati alla rete per eseguire le loro azioni di controllo lavorano principalmente basandosi su misurazioni e dati di sincronizzazione. Qualsiasi errore nella sincronizzazione causa un funzionamento del sistema non efficiente e non efficace, o introduce ulteriori problemi di PQ nella rete collegata. Per affrontare le sfide e le limitazioni menzionate, l'obiettivo principale di questa tesi è migliorare le prestazioni complessive del sistema introducendo vincoli operativi, validando e analizzando il metodo di sincronizzazione di Zero-Crossing Detection (ZCD) attualmente in uso. Inoltre, un approccio innovativo comporta l'implementazione di un nuovo metodo di sincronizzazione Single Phase Locked Loop (SPLL). Questo metodo è stato validato tramite un'analisi comparativa con i metodi di sincronizzazione esistenti nel contesto dell'unità serie dell’Open-UPQC, nel tentativo di facilitare un funzionamento indipendente ed efficiente, assicurando una risposta rapida agli eventi transitori e un coordinamento a livello di sistema. Le simulazioni dimostrano la robustezza e l'efficacia dei metodi proposti in questa tesi. I risultati evidenziano un notevole miglioramento nella dinamica del sistema, nella stabilità, nelle risposte del sistema ai cambiamenti, nel minor consumo di energia, nella riduzione delle perdite di sistema e in una minore iniezione di potenza, in condizioni completamente identiche a quelle del sistema esistente.