Robust and Model Predictive Control applied to DC/DC converters and Shunt Active Filters

Nowadays, the electricity demand increases day by day. People often use it with superficiality and underestimating how much it is valuable. Until a few decades ago, the power generation was centralized and depended on the exploitation of fossil resources. The finite nature of fossil fuels, along with the environmental effects of their exploitation, have brought the scientific community to find alternative energy sources less polluting and easily available. The development and dissemination of renewable energy sources have marked the end of a centralized electricity grid in favor of a distributed one, which allows: bi-directional power flows, priority dispatching of renewable sources, flattening of the load diagram, energy trade between micro smart-grids, active users in the production and management process. In the generation of electrical energy from renewable sources is necessary the use of power electronic converters to adapt source and load needs. In fact, the sources have variable levels of voltage and current in dependence of the source and the weather conditions; the load instead requires a constant value of current or voltage even if it changes itself. In the generation of electricity from fuel cells, photovoltaic and wind power, the step-up DC/DC converters are really important. In this class of direct current converters belong different circuit topologies which differ in: the number of components, the efficiency, the volume, the weight, the number of the switching elements, the reliability. The interconnection between the elements that make up a given circuit topology determines the electrical characteristics of the system: the converter gain expressed as ratio of the output voltage and the input; the ripple of the input current; ripple of the output voltage. The characteristics of the power source are necessary to interface the converter that allows the optimal use and management of the source. Generally, the step-up converter has an inductance which is connected in series with the source. This fact, for one hand ensures a reduction of the input current ripple and for another hand it is source of Joule losses due to its parasitic resistance, ESR. Anyway, the use of inductors with small parasitic resistance introduces control system issues because it affects the static gain and its sensitivity to parameter variations. In literature, there are different topologies of high-gain step-up converters which were not considered for technological reasons. The technology development has allowed and will allow, now and even more in the future, the presence of low-loss inductors in the market that will allow the design of converters with high-gain and efficiency (Yang et al. 2007), (Li & Lee 2012). With this fact, will be possible to review many topologies that have been discarded in the past. In this thesis, the class of quadratic boost converters, QBC, it has been studied. More exactly, two new topologies of QBCs for fuel cells and photovoltaic or wind power have been studied. Defined the principle of operation and the equations which allow to design the power stage, the mathematical model has been determined considering and comparing different modeling approaches. The mathematical model of the power stage has been determined using a classical (Middlebrook & Cuk 1976) and modern (Goebel et al. 2009) circuit oriented control system approach and a black-box approach by nonlinear parameter identification techniques (Haber & Keviczky 2012; Haber & Keviczky 1999). The mathematical model of the converters has been used for the tuning of linear and robust controllers in order to face up with the parametric and modeling uncertainty. In order to improve the power quality in the case of grid-connected applications, it is analyzed an active filter which is controlled using finite state model predictive control and a new finite state model predictive control technique with control signal modulation.

Al giorno d'oggi, la domanda di energia elettrica incrementa giorno per giorno. La gente spesso la usa con superficialità sottovalutando quanto essa sia preziosa. Fino a qualche decennio fa, la generazione di energia elettrica era centralizzata e dipendeva dallo sfruttamento delle risorse fossili. La limitatezza delle fonti fossili, insieme agli effetti ambientali del loro sfruttamento, hanno portato la ricerca a trovare vettori energetici alternativi poco inquinanti e facilmente reperibili. Lo sviluppo e la diffusione delle fonti energetiche rinnovabili hanno sancito la fine di una rete elettrica centralizzata a favore di una nuova idea di rete elettrica di tipo distribuita che permette di avere: flussi di potenza bidirezionali, priorità di dispacciamento delle fonti rinnovabili, appiattimento del diagramma di carico, scambi energetici tra le micro smart-grid, utilizzatori attivi nel processo di produzione e gestione. Nella generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili è necessario l'uso di convertitori elettronici di potenza per adattare le esigenze della sorgente a quelle del carico. Infatti, le sorgenti presentano livelli di tensione e corrente variabili in dipendenza della tipologia stessa ma anche dalle condizioni meteo-climatiche; di contro, il carico richiede livelli di tensione o corrente costanti a fronte di variazioni anche brusche del carico stesso. Nell'ambito delle generazione di energia elettrica da celle a combustibile, impianti fotovoltaici ed eolici, grande importanza rivestono i convertitori elettronici di potenza dc/dc di tipo elevatore. A questa categorie di convertitori a corrente continua appartengono diverse topologie circuitali che differiscono per il numero di componenti, l'efficienza, il volume, il peso, il numero degli elementi di commutazione, l'affidabilità. L'interconnessione tra gli elementi che costituiscono una data topologia circuitale determina inoltre le caratteristiche elettriche del sistema: guadagno del convertitore espresso come rapporto tra la tensione d'uscita e quella d'ingresso; ondulazione della corrente d’ingresso; ondulazione della tensione d'uscita. Note le caratteristiche della sorgente elettrica, è necessario interfacciare il convertitore che consente l'uso e la gestione ottimale della fonte stessa. I convertitori innalzatori presentano generalmente un'induttanza, connessa in serie con la sorgente, che da un lato assicura una riduzione delle ondulazioni della corrente d'ingresso e dall'altro è fonte di perdite Joule a causa della sua resistenza parassita, ESR. L'utilizzo d'induttori con resistenza parassita piccola tuttavia introduce delle problematiche relative al controllo del convertitore stesso poiché influenza il guadagno statico e la sua sensibilità rispetto alle variazioni parametriche. Esistono diverse topologie di convertitori elevatori ad elevato guadagno che per motivi tecnologici in passato non sono stati considerati. Lo sviluppo tecnologico ha permesso e permetterà, oggi e ancora di più nel futuro, la presenza nel mercato di induttori aventi basse perdite (Yang et al. 2007), (Li & Lee 2012) che consentiranno di progettare convertitori ad elevati guadagni ed efficienza, e di riconsiderare molte topologie che in passato sono state abbandonate. In questo lavoro di tesi è stato approfondito lo studio della classe dei convertitori dc/dc elevatori quadratici. In particolare sono state studiate due nuove topologie che presentano caratteristiche differenti e trovano applicazione nella generazione di energia da celle a combustibile e da impianti fotovoltaici/eolici. Definito il principio di funzionamento e le equazioni che consentono il progetto dello stadio di potenza è stato determinato il modello matematico valutando e confrontando diversi approcci di modellazione. Il modello matematico dello stadio di potenza è stato determinato seguendo un approccio sistemistico classico (Middlebrook & Cuk 1976) e moderno (Goebel et al. 2009) orientato al circuito e, attraverso tecniche di identificazione parametrica non lineare (Haber & Keviczky 2012; Haber & Keviczky 1999). Il modello matematico dei convertitori è stato utilizzato per la sintesi di controllori lineari classici e di tipo robusto per contrastare l'incertezza parametrica e di modellazione del sistema. Al fine di migliorare la qualità della potenza iniettata in rete nel caso di impianti connessi alla rete, viene analizzato il controllo di un filtro attivo mediante controllo predittivo a stati finiti e una innovativa tecnica di controllo predittivo a stati finiti con modulazione del segnale di commando.