Vehicle-to-grid (V2G) and grid conditioning systems

Il termine Vehicle-to-Grid (V2G) si riferisce alla tecnologia che permette uno scambio di potenza bidirezionale tra la rete elettrica e le batterie dei veicoli elettrici di tipo plug-in (PEV). La tecnologia V2G può essere un elemento chiave della rete intelligente, che può utilizzare le batterie dei veicoli come un sistema di accumulo locale. Le batterie dei veicoli possono contribuire alla stabilità della rete e a soddisfare la domanda di energia soprattutto nelle ore di punta. Un PEV ha bisogno di un caricatore bidirezionale per implementare il V2G, e, di conseguenza, gli studi riguardo il loro progetto, la funzionalità e l'efficienza sono del massimo interesse. Questa tesi descrive lo stato dell’arte di questi caricabatteria e tratta alcuni aspetti di un convertitore bidirezionale e alcuni casi di studio relativi a questo argomento. L'obiettivo principale di questo lavoro è di sviluppare il progetto e gli algoritmi di controllo di un caricabatteria bidirezionale con capacità di caricare la batteria di un veicolo plug-in e contemporaneamente di agire come filtro attivo nei confronti della linea di alimentazione. Dopo il primo capitolo introduttivo, nel secondo capitolo viene riportata la terminologia usata in questo campo di ricerca. Vengono anche brevemente descritte diverse strategie intelligenti di ricarica, gli approcci per la realizzazione dei caricabatteria dei PEV e gli standard di ricarica. L’analisi dei vari tipi di caricabatteria viene approfondita nel terzo capitolo. Sono considerati il caricabatteria tradizionale (CBC) con front-end costituito da un raddrizzatore a diodi, il caricabatteria dotato di correttore del fattore di potenza (PFC), il caricabatteria bidirezionale (BBC), e il caricabatteria integrale (IBC). Nel capitolo quattro vengono date le definizioni della potenza elettrica in condizioni non sinusoidali assieme ad alcuni esempi delle inadeguatezze della teoria classica della potenza nel descrivere fenomeni non lineari che si verificano durante il funzionamento di un sistema di potenza. Nel quinto capitolo sono presentati i concetti di base della teoria potenza istantanea attiva e reattiva (nota anche come teoria pq) applicata alla compensazione di sistemi non sinusoidali. Vengono introdotte le definizioni della potenza reale, immaginaria e di sequenza zero e viene mostrato come questa teoria renda agevole la comprensione dei fenomeni causati da tensioni o correnti non sinusoidali. Essa è particolarmente adatta per il progetto di un caricabatteria quando esso viene visto come un condizionatore di potenza. Il capitolo sei è dedicato ai concetti di base dei filtri attivi di tipo shunt. Essi possono svolgere diversi tipi di funzioni, come la compensazione delle armoniche di corrente generate da carichi non lineari impedendo la loro propagazione nella rete. L’algoritmo di compensazione basato sulle potenze definite nel riferimento αβ è molto flessibile e quindi la teoria della potenza istantanea è stata considerata come la base per lo sviluppo del sistema di controllo dei filtri attivi. Alcuni esempi di compensazione descritti nel capitolo precedente sono stati simulati e sono stati riportati i risultati. Nel capitolo sette è considerato il dimensionamento dei dispositivi di potenza che costituiscono il caricabatteria in relazione ai diversi servizi ausiliari che esso può fornire. Sono stati dimensionati in tensione e corrente gli interruttori elettronici di potenza, gli induttori di accoppiamento con la rete e gli altri componenti passivi. Nel capitolo otto viene considerato un caricabatteria che alimenta il proprio carico e contemporaneamente compensa i carichi non lineari connessi nelle vicinanze, costituiti da raddrizzatori. Queste funzionalità aggiuntive in termini di condizionamento della potenza di rete sono state quantificate al fine di determinare la capacità di un caricabatteria costituito da determinati componenti attivi e passivi di supportare la rete svolgendo la funzione di filtro attivo. Nel nono capitolo sono state dimensionate le induttanze di filtro di un caricabatteria per uno specifico caso di studio in cui era richiesta la capacità sia di ricaricare la batteria che di iniettare potenza attiva in rete, sia nel caso di connessione monofase che trifase. La conoscenza dell’ampiezza dell’ondulazione di corrente è un requisito importante per il dimensionamento delle induttanze. Perciò è stato effettuato un calcolo preciso di questa grandezza sia nel caso di un caricabatteria connesso alla rete monofase e operante secondo la tecnica di PWM, sia nel caso di connessione alla rete trifase e adozione della tecnica SVM. Nel capitolo dieci viene considerato un caso di studio riguardo il dimensionamento di un filtro LCL. IL capitolo undici contiene uno studio teorico dei regolatori risonanti. Essi risolvono il problema posto dai convenzionali regolatori PI, che quando sono impiegati per il controllo di grandezze alternate, come accade nel caso delle correnti in un convertitore dc-ac, non sono in grado di annullare l’errore a regime a causa del guadagno finito alla frequenza di funzionamento. Un regolatore risonante presenta invece un guadagno idealmente infinito alla frequenza di funzionamento e quindi garantisce un errore a regime nullo. L’efficacia dei regolatori risonanti è stata verificata per mezzo di simulazioni. Nel capitolo dodici sono riportate le normative riguardanti i connettori, le modalità di ricarica e la connessione dei caricabatteria dei PEV alla rete elettrica. Esse mirano a definire una procedura di ricarica comune a tutti i PEV e tutte le infrastrutture di ricarica, siano esse pubbliche o private.