Comparison of AC/DC converters for MVDC applications

Ai fini del raggiungimento dell'obiettivo di zero emissioni nette di CO2 per la limitazione dell'aumento della temperatura mondiale non oltre la soglia di 1,5°C, diverse nazioni e istituzioni hanno stabilito un percorso con misure da conseguire fino entro il 2050. Una delle misure più significative è la necessità di integrare grandi quote di fonti energetiche rinnovabili e passare dai veicoli convenzionali con motore a combustione interna ai veicoli elettrici. Entrambe queste azioni avranno un impatto significativo sull'attuale rete elettrica AC. L'attuale sistema di alimentazione dovrà passare da un'architettura di rete AC top-down a una rete ibrida AC/DC nei diversi livelli di trasmissione e distribuzione. La rete a media tensione DC (MVDC) svolgerà nel futuro un ruolo chiave di supporto a tutto il sistema di distribuzione. Per consentire questa ibridazione, l'uso di convertitori elettronici di potenza diventa essenziale; quindi è importante studiare queste tecnologie ed individuare la topologia più adatta per una specifica applicazione. In questa tesi di laurea viene svolto uno studio di due topologie di convertitori AC-DC; il convertitore MMC (Modular Multilevel Converter) e il convertitore NPC (Neutral Point Clamped converter). L'obiettivo è confrontare queste due topologie in termini di dimensionamento e perdite per le applicazioni MVDC. Viene dunque proposta una metodologia generale per la progettazione e la valutazione dei convertitori AC-DC. La suddetta metodologia comprende passaggi importanti come la considerazione dei requisiti di rete, la possibilità di eseguire il progetto considerando diversi punti di lavoro, la convalida del progetto e la conformità ai requisiti di rete mediante una simulazione dinamica e la valutazione mediante particolari indicatori chiave KPI (Key Performance Indicator). Per il caso di studio, viene analizzata un'ampia gamma di livelli di tensione e potenza, cercando di trovare in quali situazioni una topologia di convertitore è più conveniente rispetto all'altra. Uno strumento sviluppato in ambiente MATLAB è stato utilizzato per eseguire la progettazione rapida e il calcolo dei KPI per entrambe le topologie. I risultati finali sono presentati illustrando l'evoluzione dei diversi parametri di progettazione e KPI in funzione del valore di tensione nominale della rete MVDC.