Studio e progettazione di un controllo robusto per un convertitore AC/DC bidirezionale trifase a tre livelli

The thesis addresses the modeling and the design of robust control strategies for a three-level bidirectional AC/DC converter intended for applications such as fast-charging stations for electric vehicles, renewable energy systems, energy storage solutions, and energy community interfaces. The increasing deployment of renewable sources and electric vehicles poses significant challenges to the stability and quality of the power grid. The chosen topology is a Neutral Point Clamped (NPC) three-level converter capable of reducing harmonic distortion (THD) and stress on switching devices compared to traditional two-level converters. A mathematical model based on the Generalized Average Model (GAM) was developed and subsequently linearized around specific operating points for robust control synthesis. A cascade control has been synthesized using two robust control techniques: the H_∞ Loop shaping design procedure and the H_∞ synthesis optimized on S/KS/T cost functions and S/KS/T cost with weighted external disturbances. The obtained controllers were analyzedanalysed for stability through both theoretical analysis and simulations on the real system, and their performance was compared.

La tesi affronta la modellazione e la progettazione di strategie di controllo robusto per un convertitore AC/DC bidirezionale trifase a tre livelli, destinato ad applicazioni quali stazioni di ricarica rapida per veicoli elettrici, sistemi di generazione da fonti rinnovabili, accumulo energetico e interfaccia per comunità energetiche. L’incremento della diffusione delle fonti rinnovabili e delle auto elettriche comporta forti stress e problemi di gestione della stabilità e della qualità della rete elettrica. La topologia scelta è quella di un convertitore a tre livelli Neutral Point Clamped (NPC) in grado di ridurre la distorsione armonica (THD) e lo stress dei dispositivi di commutazione rispetto ai tradizionali convertitori a due livelli. È stato sviluppato un modello matematico basato sul Generalized Average Model (GAM), poi linearizzato intorno a punti operativi specifici per la sintesi del controllo robusto. È stato sintetizzato un controllo a cascata tramite due tecniche di controllo robusto: la H_∞ Loop shaping design procedure e la sintesi H_∞ ottimizzata su funzioni di costo S/ KS/T e costo S/ KS/T con disturbi esterni pesati. I controllori ottenuti sono stati analizzati nella stabilità tramite analisi teoriche e simulazioni sul sistema reale e sono stati messi a confronto per valutarne le prestazioni.