MODELLAZIONE E CONTROLLO AVANZATO DEI SISTEMI FOTOVOLTAICI E DELL’MPPT NEI VEICOLI SOLARI

THIS THESIS INVESTIGATES ADVANCED CONTROL STRATEGIES AND DYNAMIC MODELING TECHNIQUES FOR MAXIMIZING THE ENERGY EXTRACTION IN PHOTOVOLTAIC (PV) SYSTEMS, WITH A PARTICULAR FOCUS ON DC-DC CONVERTERS AND SOLAR-POWERED VEHICLES. THE WORK PRESENTED IN THIS THESIS PRIMARILY BUILDS UPON TWO MAIN CONTRIBUTIONS IN THE FIELD: THE DYNAMIC MODELING OF DC-DC CONVERTERS IN PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS AND THE MAXIMIZATION OF ENERGY EXTRACTION FOR SOLAR VEHICLES. THE FIRST PART OF THE THESIS INTRODUCES AN INNOVATIVE APPROACH TO THE MODELING AND DYNAMIC ANALYSIS OF DC-DC CONVERTERS IN PHOTOVOLTAIC SYSTEMS. UNLIKE TRADITIONAL STUDIES THAT FOCUS ON THE TRANSFER FUNCTION FROM DUTY CYCLE TO OUTPUT VOLTAGE, THIS WORK EXAMINES THE DUTY CYCLE TO INPUT VOLTAGE TRANSFER FUNCTION, WHICH IS CRITICAL FOR AN ACCURATE DYNAMIC REPRESENTATION OF PV SYSTEMS. THE THESIS ALSO INCORPORATES A MODEL-DERIVED DIFFERENTIAL RESISTANCE FOR PV PANEL BEHAVIOR ACROSS VARIOUS OPERATING POINTS, THEREBY ENHANCING THE ACCURACY OF THE SMALL-SIGNAL MODEL. A COMPREHENSIVE COMPARISON OF SEVERAL NON-ISOLATED CONVERTER TOPOLOGIES—BOOST, BUCK-BOOST, ĆUK, AND SEPIC—IS CONDUCTED UNDER BOTH OPEN-LOOP AND CLOSED-LOOP CONDITIONS. A GAIN-SCHEDULING CONTROL STRATEGY IS IMPLEMENTED FOR THE BOOST CONVERTER, WHERE PI GAINS ARE DYNAMICALLY ADJUSTED BASED ON THE PV OPERATING POINT. THIS CONTROL APPROACH OUTPERFORMS TRADITIONAL FIXED CONTROLLERS, DEMONSTRATING SUPERIOR CLOSED-LOOP PERFORMANCE AND PROVIDING VALUABLE INSIGHTS INTO OPTIMAL CONVERTER ARCHITECTURES AND ADVANCED CONTROL STRATEGIES FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEMS. THE SECOND PART OF THE THESIS ADDRESSES THE CHALLENGE OF MAXIMIZING ENERGY EXTRACTION FROM PHOTOVOLTAIC SYSTEMS INTEGRATED INTO SOLAR VEHICLES. TO OVERCOME THE LIMITATIONS OF CONVENTIONAL MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT) METHODS, A NOVEL NEURAL-NETWORK-BASED CONTROL STRATEGY IS PROPOSED. THIS APPROACH SIMULTANEOUSLY ESTIMATES BOTH THE OPTIMAL VOLTAGE AND CURRENT OPERATING POINTS, SIGNIFICANTLY ENHANCING BOTH TRACKING SPEED AND PRECISION. ADDITIONALLY, THE THESIS INTRODUCES THE USE OF SUPERCAPACITORS AS AN ENERGY BUFFER, IMPROVING THE SYSTEM’S ABILITY TO ADAPT TO RAPID POWER FLUCTUATIONS TYPICAL IN SOLAR VEHICLE OPERATIONS. EXPERIMENTAL VALIDATION CONFIRMS THE PRACTICAL EFFECTIVENESS OF THE PROPOSED CONTROL ARCHITECTURE, RESULTING IN A 7.2% INCREASE IN HARVESTED ENERGY COMPARED TO TRADITIONAL MPPT TECHNIQUES, HIGHLIGHTING ITS SUITABILITY FOR SOLAR-POWERED VEHICLES.

LA PRESENTE TESI INDAGA STRATEGIE DI CONTROLLO AVANZATE E TECNICHE DI MODELLAZIONE DINAMICA FINALIZZATE ALLA MASSIMIZZAZIONE DELL’ESTRAZIONE DI ENERGIA NEI SISTEMI FOTOVOLTAICI (PV), CON PARTICOLARE ATTENZIONE AI CONVERTITORI DC-DC E AI VEICOLI ALIMENTATI DA ENERGIA SOLARE. IL LAVORO PRESENTATO SI BASA PRINCIPALMENTE SU DUE CONTRIBUTI FONDAMENTALI NEL CAMPO: LA MODELLAZIONE DINAMICA DEI CONVERTITORI DC-DC IN APPLICAZIONI FOTOVOLTAICHE E LA MASSIMIZZAZIONE DELL’ENERGIA ESTRATTA NEI VEICOLI SOLARI. LA PRIMA PARTE DELLA TESI INTRODUCE UN APPROCCIO INNOVATIVO ALLA MODELLAZIONE E ALL’ANALISI DINAMICA DEI CONVERTITORI DC-DC NEI SISTEMI FOTOVOLTAICI. DIVERSAMENTE DAGLI STUDI TRADIZIONALI, CHE SI CONCENTRANO SULLA FUNZIONE DI TRASFERIMENTO DAL CICLO DI LAVORO ALLA TENSIONE DI USCITA, QUESTO LAVORO ESAMINA LA FUNZIONE DI TRASFERIMENTO DAL CICLO DI LAVORO ALLA TENSIONE DI INGRESSO, FONDAMENTALE PER UNA RAPPRESENTAZIONE DINAMICA ACCURATA DEI SISTEMI PV. INOLTRE, VIENE INTEGRATA UNA RESISTENZA DIFFERENZIALE DERIVATA DAL MODELLO PER DESCRIVERE IL COMPORTAMENTO DEL PANNELLO FOTOVOLTAICO IN DIVERSI PUNTI DI FUNZIONAMENTO, MIGLIORANDO COSÌ LA PRECISIONE DEL MODELLO AI PICCOLI SEGNALI. È STATO CONDOTTO UN CONFRONTO APPROFONDITO TRA DIVERSE TOPOLOGIE DI CONVERTITORI NON ISOLATI (BOOST, BUCK-BOOST, ĆUK E SEPIC), SIA IN CONDIZIONI A CICLO APERTO CHE A CICLO CHIUSO. PER IL CONVERTITORE BOOST È STATA IMPLEMENTATA UNA STRATEGIA DI CONTROLLO CON GAIN SCHEDULING, IN CUI I GUADAGNI DEL CONTROLLORE PI VENGONO ADATTATI DINAMICAMENTE IN FUNZIONE DEL PUNTO DI LAVORO DEL MODULO PV. TALE APPROCCIO DI CONTROLLO SUPERA I METODI TRADIZIONALI A GUADAGNI FISSI, DIMOSTRANDO PRESTAZIONI SUPERIORI IN REGIME CHIUSO E OFFRENDO PREZIOSE INDICAZIONI SULLA PROGETTAZIONE OTTIMALE DEI CONVERTITORI E SULLE STRATEGIE DI CONTROLLO AVANZATE PER I SISTEMI FOTOVOLTAICI. LA SECONDA PARTE DELLA TESI AFFRONTA LA SFIDA DELLA MASSIMIZZAZIONE DELL’ENERGIA ESTRATTA DAI SISTEMI FOTOVOLTAICI INTEGRATI NEI VEICOLI SOLARI. PER SUPERARE LE LIMITAZIONI DEI METODI CONVENZIONALI DI MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT), VIENE PROPOSTA UNA NUOVA STRATEGIA DI CONTROLLO BASATA SU RETI NEURALI. QUESTO APPROCCIO CONSENTE LA STIMA SIMULTANEA DEI PUNTI DI FUNZIONAMENTO OTTIMALI IN TENSIONE E CORRENTE, MIGLIORANDO IN MODO SIGNIFICATIVO SIA LA VELOCITÀ SIA LA PRECISIONE DEL TRACCIAMENTO. INOLTRE, LA TESI INTRODUCE L’IMPIEGO DI SUPERCONDENSATORI COME ELEMENTI DI ACCUMULO TEMPORANEO DI ENERGIA, AUMENTANDO LA CAPACITÀ DEL SISTEMA DI ADATTARSI ALLE RAPIDE FLUTTUAZIONI DI POTENZA TIPICHE DEL FUNZIONAMENTO DEI VEICOLI SOLARI. LA VALIDAZIONE SPERIMENTALE CONFERMA L’EFFICACIA PRATICA DELL’ARCHITETTURA DI CONTROLLO PROPOSTA, CON UN INCREMENTO DEL 7,2% DELL’ENERGIA RACCOLTA RISPETTO ALLE TECNICHE MPPT TRADIZIONALI, EVIDENZIANDONE L’IDONEITÀ PER APPLICAZIONI IN VEICOLI ALIMENTATI DA ENERGIA SOLARE.