Power Quality analysis and mitigation in RES-rich distribution networks: a PCC-centered compliance framework and grid codes

This thesis examines power quality (PQ) issues associated with the increasing penetra tion of converter-interfaced renewable energy sources (RES) in distribution networks. As synchronous machines are progressively displaced by power-electronic interfaces, operat ing conditions at the Point of Common Coupling (PCC) evolve, potentially giving rise to harmonic distortion, voltage unbalance, flicker-related voltage fluctuations, and direct current (DC) injection. The study provides a traceable, standards-consistent synthesis of the literature, linking commonly reported PQ indices to their underlying physical drivers and to the evalua tion logic adopted in major standards and grid codes (e.g., IEEE 519, IEEE 1547, and EN 50160). Particular attention is devoted to inverter–network coupling: the interaction between inverter emissions and the frequency-dependent network impedance can produce resonance-driven amplification of selected spectral components, even when individual de vices satisfy emission-oriented criteria. Mitigation options are then assessed across a range of solutions, from passive filtering to active architectures such as Unified Power Quality Conditioners (UPQC) and inverter embedded control functions. Overall, the evidence synthesis supports the view that PQ compliance in converter-dominated grids is primarily shaped by site-specific system in teractions rather than by isolated device performance. Finally, the thesis highlights lim itations of current monitoring and reporting practices and motivates future directions including impedance-aware control and digital-twin-based PQ supervision.

Questa tesi analizza le problematiche di qualità della potenza (Power Quality, PQ) as sociate alla crescente penetrazione di fonti energetiche rinnovabili (RES) interfacciate tramite convertitori nelle reti di distribuzione. Con la progressiva sostituzione delle mac chine sincrone con interfacce di elettronica di potenza, le condizioni operative al Punto di Accoppiamento Comune (PCC) evolvono, con possibili effetti quali distorsione armonica, sbilanciamento di tensione, fluttuazioni di tensione legate al flicker e iniezione di corrente continua (DC). Lo studio propone una sintesi tracciabile e coerente con gli standard, collegando gli in dici di PQ più frequentemente riportati ai rispettivi meccanismi fisici e alla logica di valutazione adottata nei principali standard e codici di rete (ad esempio, IEEE 519, IEEE 1547 ed EN 50160). Particolare attenzione è dedicata all’accoppiamento inverter rete: l’interazione tra le emissioni degli inverter e l’impedenza di rete dipendente dalla frequenza può generare un’amplificazione, guidata dalla risonanza, di specifiche compo nenti spettrali, anche quando i singoli dispositivi rispettano criteri orientati alle emissioni. Le opzioni di mitigazione sono quindi valutate su un insieme di soluzioni, dai filtri passivi alle architetture attive quali gli Unified Power Quality Conditioners (UPQC) e alle fun zioni di controllo integrate negli inverter. Nel complesso, la sintesi delle evidenze supporta l’idea che la conformità ai requisiti di PQ nelle reti dominate dai convertitori sia determi nata principalmente da interazioni di sistema specifiche del sito, più che dalle prestazioni dei singoli dispositivi considerati isolatamente. Infine, la tesi evidenzia i limiti degli at tuali approcci di monitoraggio e di reporting e motiva direzioni future quali il controllo consapevole dell’impedenza e la supervisione della PQ basata su digital twin.