CONTROLLO DELLA CONVERSIONE DELL'ENERGIA ELETTRICA IN MICRORETI INTELLIGENTI

The depletion of fossil fuels and environmental impacts due to their exploitation have led the researchers to find others alternative energy carriers which are not many polluting and easily available. The development of renewable energy sources and the growing interest in energy efficiency have allowed the integration of a new energy distribution system which is not anymore centralized but based on distributed generation. In other words, the system can be seen as local generations and associated loads as a subsystem commonly called in the literature microgrid (µG). As a result, a μG (Fig.1) can be considered as a set of loads and energy sources operating as a single system [1] and which presents several advantages such as: an economic efficiency due to the new energy concept of prosumer (reduction of energy transport costs due to the fact that the consumer matches with the figure of the energy producer himself), the optimization of the resource use (gaining from the ever-increasing use of renewable sources), the power quality enhancement and a lower environmental impact. A μG can operate in two different ways: stand-alone (i.e. disconnected from the national electricity grid), or grid-connected. So that a μG can be called smart, it is needed to monitor the energy demand / supplied energy and to optimize the use of the different distributed generators and loads: this feature makes the μG intelligent and, therefore, we talk about Smart Microgrid (SMG). The national electricity grid, renewable sources, loads and any storage devices present in a SMG must contribute to the intelligent energy exchange with a coordinated operation, in order to reach efficiency objectives, management costs, etc. In the electricity generation from renewable sources, it is therefore needed to use power converters in order to fit the needs of the source to those of the loads. On one hand, the sources have fluctuating voltage and current levels depending on the source type itself, but also on the weather-climatic conditions. On the other hand, the load requires constant voltage or current levels in order to cope with sudden load changes [2]. Power converters are used wherever there is a need to change the characteristics of electric power, for example by varying the voltage and current levels, the waveform or the frequency, to fit the characteristics of the source (national power grid, renewable sources or storage devices) to those of the load (or of the storage system) [3], [4]. It should be considered, however, that the performance of such converters, sometimes unsatisfactory if controlled by classical control techniques, can be significantly increased by using more sophisticated control techniques. We understand, therefore, that the core of a SMG, once the hardware is defined, is the communication and control system on which the optimization of the energy distribution and the waste reduction depend [5]. In thi Ph.D. Thesis work, we will focus on two specific power converters: step-up and step-down converters. The first topology allows interfacing the electrical grid with the DC bus to which all the loads are connected; whereas the second topology allows decreasing the high DC bus voltage in order to supply an electrolyzer (requiring a low DC voltage). The electrolyzer is a chemical device allowing splitting de-ionized water into hydrogen and oxygen. In case of excess energy produced by the renewable energy sources, the electrolyzer can use this energy to produce hydrogen through the step-down converter. The stored energy in hydrogen tanks could be used by a fuel cell, allowing balancing the DC bus in case of energy insufficiency from the renewable energy sources. The work is divided into two parts. In the first part (chapter 1 - chapter 4), the study of an AC/DC converter will be addressed, from which the model will be derived, starting from which different types of controllers will be determined; the results will be validated both in simulation and experimentally through the realization of a prototype. In the second part (chapter 5 - chapter 8), we will focus on the step-down DC/DC converter, interfacing the DC bus with the electrolyzer. First of all, the mathematical model of the electrolyzer covering the electrical domain will be developed and validated by carrying out experimental tests. Then, the purpose is to develop and design robust control laws and finally, to validate both simulations and experimentally the step-down converter associated with the developed control laws. In Fig.2 the two studied power converters within the microgrid are highlighted.

La limitatezza delle fonti fossili, insieme agli effetti ambientali del loro sfruttamento, hanno portato la ricerca a trovare fonti energetiche alternative poco inquinanti e facilmente reperibili. Lo sviluppo delle fonti rinnovabili e la crescente attenzione verso l’efficienza hanno permesso l'integrazione di un nuovo sistema di distribuzione dell’energia non più centralizzato, ma basato sulla generazione distribuita, permettendo all'occorrenza anche il funzionamento in autonomia di sottosistemi della rete comprendenti generazione locale e carichi, detti microgrid (µG). Una µG (fig.1) è quindi un insieme di carichi e sorgenti di energia operanti come un unico sistema [1] e che presenta innumerevoli vantaggi: un'efficienza economica dovuta al nuovo concetto energetico di prosumer (riduzione dei costi di trasporto dell’energia dovuto al fatto che il consumatore coincide con la figura del produttore stesso dell'energia), l’ottimizzazione dell’uso delle risorse (beneficiando dell'uso sempre più crescente delle fonti rinnovabili), il miglioramento della Power Quality ed un minor impatto ambientale. Una µG può avere due tipi di funzionamento: autonomo (isolato), cioè totalmente separato dalla rete elettrica nazionale, o non autonomo, cioè collegato ad essa. Affinché una µG possa dirsi smart occorre monitorare la domanda/offerta di energia e ottimizzare l’utilizzo dei diversi generatori distribuiti e dei carichi mediante un'idonea struttura di comunicazione: questa caratteristica rende le µG intelligenti e, pertanto, si parla di Smart Microgrid (SMG). La rete elettrica nazionale, le sorgenti da fonte rinnovabile, i carichi e gli eventuali sistemi di accumulo presenti in una SMG devono concorrere allo scambio intelligente dell'energia con un funzionamento coordinato, al fine di perseguire obiettivi di efficienza, economia di gestione, etc. Nella generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili è necessario, quindi, l'uso di convertitori elettronici di potenza per adattare le esigenze delle sorgenti a quelle dei carichi e per regolare i flussi di potenza tra i diversi componenti della µG. 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 della potenza assorbita [2]. Poiché, ormai, diversi carichi funzionano intrinsecamente in DC e i relativi convertitori si trovano integrati nell'apparecchio (es. PC, TV, telefonini ma anche lavatrici con motori controllati mediante inverter), la comunità scientifica sta investigando la possibilità di sfruttare sistemi di distribuzione dell’energia elettrica incorrente continua (DC) all’interno di edifici e abitazioni con il vantaggio di ridurre il numero di stadi di conversione, le conseguenti perdite e, potenzialmente, abbattere i costi di impianto e di esercizio. I convertitori elettronici di potenza trovano applicazione ovunque ci sia necessità di modificare le caratteristiche dell'energia elettrica, ad esempio variandone i livelli di tensione e corrente, la forma d’onda o la frequenza, per adattare le caratteristiche della sorgente (rete elettrica nazionale, fonti rinnovabili o accumulatori) a quelle del carico (o del sistema di accumulo) [3],[4]. È da considerare, tuttavia, che le prestazioni di tali convertitori, talvolta insoddisfacenti se governati da tecniche di controllo classiche, possono essere incrementate significativamente usando tecniche di controllo più sofisticate. Si capisce, dunque, che il cuore di una smart microgrid, una volta definito l’hardware, è il sistema di comunicazione e controllo da cui dipende l'ottimizzazione della distribuzione dell'energia e la riduzione degli sprechi [5]. Fig. 1 Schema a blocchi esemplificativo di una microrete elettrica. In questo lavoro di tesi ci si occuperà in particolare di due convertitori di potenza: un convertitore AC/DC di tipo innalzatore e uno DC/DC di tipo abbassatore. Il primo serve ad interfacciare la rete elettrica principale con il bus DC al quale sono collegati tutti i carichi, generatori e sistemi di accumulo della µG; il secondo ad abbassare la tensione del bus DC per alimentare un elettrolizzatore, al fine di scindere l'acqua in ossigeno e idrogeno e potere utilizzare quest'ultimo nelle fuel cell per la successiva conversione in energia elettrica. In Fig. 2 sono evidenziati i due convertitori studiati all'interno della microgrid. Il lavoro di tesi si suddivide in due parti. Nella prima parte (capitolo 1 - capitolo 4) verrà affrontato lo studio del convertitore AC/DC innalzatore, del quale sarà ricavato il modello, a partire dal quale verranno determinati differenti tipi di controllori; i risultati verranno validati sia in simulazione che sperimentalmente mediante la realizzazione di un prototipo. Fig. 2 Esempio di Smart grid con, in evidenza, i convertitori studiati. Nella seconda parte (capitolo 5 - capitolo 8), ci si occuperà del convertitore DC/DC di tipo abbassatore che collega il DC bus con l'elettrolizzatore: ricavatone il modello matematico, si passerà alla realizzazione del sistema di controllo e, infine, alla validazione in simulazione e sperimentale.