Analisi sperimentale di distorsione armonica in carichi elettronici e di comportamento dinamico di batterie LiFePO₄ per determinare il loro circuito equivalente = Experimental analysis of harmonic distortion in electronic loads and dynamic behavior of LiFePO₄ batteries for the determination of their equivalent circuit

La presente tesi si colloca nell’ambito delle attività di ricerca condotte presso il laboratorio PVZEN del Politecnico di Torino, una microrete fotovoltaica dedicata allo studio integrato della generazione solare, dei sistemi di accumulo e della gestione intelligente dei flussi energetici. L’obiettivo del lavoro è stato quello di sviluppare un approccio sperimentale e modellistico per la caratterizzazione delle forme d’onda e la valutazione della qualità della potenza nelle linee di alimentazione dei carichi elettronici del laboratorio, oltre alla modellazione dinamica del sistema di accumulo al litio-ferro-fosfato (LiFePO₄). Il progetto si articola in più fasi tra loro complementari, comprendenti la progettazione di un setup di misura dedicato, l’acquisizione sperimentale, l’analisi dei risultati e la modellazione dei fenomeni mediante software di calcolo e simulazione (Matlab, Simulink e LTspice), creando un collegamento coerente tra sperimentazione reale e modellazione numerica. Nella prima parte del lavoro è stato sviluppato un sistema di misura ad alta risoluzione per il monitoraggio delle tre linee che alimentano gli emulatori di carico elettronici, i quali simulano il comportamento di edifici e utenze reali. Le misure, acquisite con una frequenza di campionamento di 25,6 kSa/s, hanno permesso di analizzare le forme d’onda di tensione e corrente nel dominio del tempo e della frequenza. L’analisi FFT ha evidenziato tensioni pressoché sinusoidali con distorsione armonica ridotta e correnti fortemente distorte, con THD anche superiori al 100 %, dovuti alla natura elettronica dei carichi. È stata inoltre condotta un’analisi di potenza in regime non sinusoidale, evidenziando che all’aumentare della potenza assorbita la distorsione armonica tende a diminuire. Successivamente, mediante acquisizioni prolungate in modalità datalogger, sono stati verificati la stabilità dei parametri e il confronto con i dati del sistema commerciale Asita installato nel laboratorio. Il confronto ha mostrato buona coerenza nei parametri fondamentali, mentre differenze nel calcolo delle armoniche sono attribuibili alle diverse metodologie di misura e campionamento. La seconda parte del lavoro ha riguardato la modellazione dinamica della batteria LiFePO₄. Mediante un setup dedicato, sono stati acquisiti i segnali di tensione e corrente durante la carica impulsiva di condensatori di diversa capacità (390 µF, 1000 µF e 10 mF) per identificare i parametri equivalenti del sistema batteria-circuito, come resistenza interna, induttanza parassita e capacità distribuita. È stato quindi costruito con LTspice un modello circuitale preliminare, successivamente validato in Simulink, riproducendo fedelmente i transitori osservati. L’inserimento di una resistenza esterna ha permesso di analizzare il comportamento sovrasmorzato, tipico dei circuiti RC, e di derivare la caratteristica statica V(I), che evidenzia la linearità della risposta elettrica. In conclusione, il lavoro ha consentito di validare un sistema di misura ad alta risoluzione per l’analisi della power quality nelle linee dei carichi elettronici e di sviluppare un modello dinamico accurato della batteria LiFePO₄. L’integrazione di sperimentazione, validazione e modellazione rappresenta un contributo significativo allo studio dei sistemi elettrici del laboratorio PVZEN e un passo verso la progettazione di microreti e infrastrutture energetiche più intelligenti e sostenibili.