Progetto modulatore vettoriale generalizzato per convertitori multilivello tolleranti ai guasti

The growing development and use of solid-state devices, which have become more cost-effective due to economies of scale, and the increasing use of power electronics for static energy conversion have driven research toward optimized solutions tailored to the specific application needs of each field. This push for research is also driven by the increasing adoption of static conversion systems in the renewable energy sector, such as DC-AC converters for photovoltaic systems and AC-AC converters for wind farms utilizing wind turbines. This also includes the direct current (HVDC) transmission sector, which, along with Power Quality, likely represents the final frontier of static conversion, a field in which research will be pushed to the highest levels; all applications relate to the energy infrastructure on a national scale, with applications also extending to the infrastructure relating to electric vehicle charging stations and railway substations. Thanks to the intrinsic modularity of the various configurations, starting from a basic element (Basic Cell), static multilevel converter systems enable operation with multiple voltage levels, thereby achieving a better approximation of the desired waveform and, under certain specific conditions, even operating in the event of a fault. This doctoral thesis examines the various types and topologies of multilevel converters, analyzing the modulation techniques that can be applied to these static conversion systems. The work carried out is presented, focusing on the design of a generalized approach to vector modulation (SVPWM) applied to the case of Cascaded H-Bridge Multilevel Converters. This approach builds upon the present bibliographic study and aims to propose a model that can be applied in a generalized manner to N-level converters. Finally, the model created was tested and validated on a four-H-bridge per phase (9-level) configuration in a real-time system.

Il crescente sviluppo e impiego dei dispositivi a stato solido resi sempre più economicamente vantaggiosi da pianificate economie di scala, insieme all’utilizzo sempre più spinto dell’elettronica di potenza per applicazioni di conversione statica dell’energia, hanno veicolato la ricerca verso soluzioni sempre più ottimizzabili a seconda delle particolari necessità del singolo campo applicativo. Tale spinta alla ricerca è dovuta anche ad un impiego sempre più massiccio di sistemi di conversione statica nel settore delle energie rinnovabili come nel caso di convertitori DC-AC per gli impianti fotovoltaici, di convertitori AC-AC per gli impianti eolici che utilizzano aerogeneratori, senza dimenticare il settore della trasmissione dell’energia elettrica in corrente continua (HVDC) che insieme al settore della Power Quality rappresentano probabilmente l’ultima frontiera della conversione statica verso cui la ricerca verrà spinta ai massimi livelli: tutte applicazioni riconducibili all’infrastruttura energetica su scala nazionale con applicazioni anche all’infrastruttura relativa alle stazioni di ricarica delle auto elettriche e delle sottostazioni ferroviarie. I sistemi di conversione statica multilivello, grazie alla modularità intrinseca delle diverse configurazioni, partendo da un elemento base (Basic Cell), permettono di operare con molteplici livelli di tensione ottenendo quindi una miglior approssimazione della forma d’onda desiderata nonché di lavorare, in certe particolari condizioni, anche in caso di guasto. Nella tesi di dottorato vengono analizzate le diverse tipologie e topologie di convertitori multilivello e vengono esaminate le diverse tecniche di modulazione utilizzabili con questi sistemi di conversione statica. Viene presentato il lavoro svolto incentrato sulla progettazione di un approccio generalizzato alla modulazione vettoriale (SVPWM) applicata al caso dei Cascaded H Bridges Multilevel Converters partendo dallo studio bibliografico presente e cercando di proporre un modello che possa essere applicato in maniera generalizzata a convertitori a N-livelli. Infine, è stato testato e validato il modello creato su una configurazione a quattro ponti H per fase (9 livelli) su un sistema real time.