Development and control of innovative grid-connected power electronics converters

The increasing penetration of renewable energy sources and energy storage systems drives a shift in modern power systems, where power electronics converters play a key role as grid-connected interfaces. In this context, both voltage source and current source converters are attracting an ever increasing interest, also considering their modular multilevel implementations, due to their scalability, flexibility, and enhanced power quality. This thesis investigates aspects about the development, control, and application of innovative grid-connected power electronics converters, with a primary focus on current source–based solutions. The work starts with a comprehensive overview of traditional and modular multilevel power converters, including voltage source and current source architectures, modulation techniques, and grid-connected control strategies. Grid-following and grid-forming control strategies are analyzed in detail, highlighting their respective strengths and limitations. A thorough comparative assessment between modular multilevel voltage source converters and modular multilevel current source converters is then presented for photovoltaic applications. The comparison addresses structural aspects, control requirements, energy stored in passive components, semiconductor power ratings, and efficiency under both homogeneous and non-homogeneous irradiance conditions. The results provide quantitative and qualitative insights about the two converter families, offering practical design guidelines for power electronics engineers. Building upon this analysis, the thesis introduces several novel contributions in the field of grid-connected current source converters. A delta-type current source converter topology is proposed for the integration of multiple energy storage systems, achieving improved performance in terms of losses and current harmonic distortion compared to equivalent conventional solutions. An adaptive space-vector modulation strategy is also developed to mitigate thermal stress in current source converters by exploiting redundant switching states, and its effectiveness is validated through electro-thermal simulations and finite-element analysis. Furthermore, a dual-mode grid-forming/grid-following control strategy for modular multilevel current source converters is proposed, enabling simultaneous voltage formation and power regulation by independently controlled submodules. This approach enhances operational flexibility and supports both grid-connected and stand-alone operation. Finally, the thesis extends the investigation to innovative isolated converter topologies, including an integrated active bridge DC/AC converter and a transformerless capacitively isolated current source DC/DC converter, supported by simulation and experimental results.

La crescente penetrazione delle fonti di energia rinnovabile e dei sistemi di accumulo energetico sta guidando una trasformazione nei moderni sistemi elettrici di potenza, nei quali i convertitori elettronici di potenza svolgono un ruolo chiave come interfacce connesse alla rete. In questo contesto, sia i convertitori a sorgente di tensione sia quelli a sorgente di corrente stanno suscitando un interesse sempre maggiore, anche considerando le loro implementazioni modulari multilivello, grazie alla loro scalabilità, flessibilità e migliore qualità della potenza. Questa tesi analizza aspetti legati allo sviluppo, al controllo e all’applicazione di innovativi convertitori elettronici di potenza connessi alla rete, con particolare attenzione alle soluzioni basate su convertitori a sorgente di corrente. Il lavoro inizia con una panoramica completa dei convertitori di potenza tradizionali e modulari multilivello, includendo architetture a sorgente di tensione e a sorgente di corrente, tecniche di modulazione e strategie di controllo per la connessione alla rete. Le strategie di controllo grid-following e grid-forming vengono analizzate in dettaglio, evidenziandone i rispettivi punti di forza e limitazioni. Successivamente, viene presentata un’approfondita analisi comparativa tra convertitori modulari multilivello a sorgente di tensione e convertitori modulari multilivello a sorgente di corrente per applicazioni fotovoltaiche. Il confronto prende in esame aspetti strutturali, requisiti di controllo, energia immagazzinata nei componenti passivi, potenze nominali dei semiconduttori ed efficienza sia in condizioni di irraggiamento omogeneo sia non omogeneo. I risultati forniscono considerazioni quantitative e qualitative sulle due famiglie di convertitori, offrendo linee guida pratiche per la progettazione rivolte agli ingegneri dell’elettronica di potenza. Sulla base di questa analisi, la tesi introduce diversi contributi innovativi nel campo dei convertitori a sorgente di corrente connessi alla rete. Viene proposta una topologia di convertitore a sorgente di corrente di tipo delta per l’integrazione di più sistemi di accumulo energetico, ottenendo prestazioni migliorate in termini di perdite e distorsione armonica della corrente rispetto a soluzioni convenzionali equivalenti. Viene inoltre sviluppata una strategia adattiva di modulazione space-vector per mitigare le sollecitazioni termiche nei convertitori a sorgente di corrente sfruttando stati di commutazione ridondanti; la sua efficacia viene validata tramite simulazioni elettro-termiche e analisi agli elementi finiti. Inoltre, viene proposta una strategia di controllo dual-mode grid-forming/grid-following per convertitori modulari multilivello a sorgente di corrente, che consente la formazione della tensione e la regolazione della potenza simultaneamente tramite sottomoduli controllati indipendentemente. Questo approccio aumenta la flessibilità operativa e supporta sia il funzionamento connesso alla rete sia quello in modalità stand-alone. Infine, la tesi estende l’indagine a innovative topologie di convertitori isolati, tra cui un convertitore DC/AC a ponte attivo integrato e un convertitore DC/DC a sorgente di corrente con isolamento capacitivo privo di trasformatore, supportati da risultati di simulazione e sperimentali.