Optimal energy management of smart households with electric vehicles, energy storage and distributed generation

In this thesis, the optimal operation of a neighborhood of smart households in terms of minimizing the total energy cost is analyzed. Each household may comprise several assets such as electric vehicles, controllable appliances, energy storage and distributed generation. Bi-directional power flow is considered for each household . Apart from the distributed generation unit, technological options such as vehicle-to-home and vehicle-to-grid are available to provide energy to cover self-consumption needs and to export excessive energy to other households, respectively.

Design and Characterization of an Active Three-Phase EMI Noise Separator for Three-Phase Power Electronics Systems

One of the major issues for power converters that are connected to the electric grid are the measurement of three phase Conduced Emissions (CE), which are regulated by international and regional standards. CE are composed of two components which are Common Mode (CM) noise and Differential Mode (DM) noise. To achieve compliance with these regulations the Equipment Under Test (EUT) includes filtering and other electromagnetic emission control strategies. The separation of differential mode and common mode noise in Electromagnetic Interference (EMI) analysis is a well-known procedure which is useful especially for the optimization of the EMI filter, to improve the CM or DM attenuation depending on which component of the conducted emissions is predominant, and for the analysis and the understanding of interference phenomena of switched mode power converters. However, separating both components is rarely done during measurements. Therefore, in this thesis an active device for the separation of the CM and DM EMI noise in three phase power electronic systems has been designed and experimentally analysed.

Measurement and simulation of conducted disturbances on DC power grids of a HVDC system with an active DC/DC converter

With the increasing of the distributed generation, DC microgrids have become more and more common in the electrical network. To connect devices in a microgrid, converter are necessary, but they are also source of disturbances due to their functioning. In this thesis, measurement and simulation of conducted emissions, within the frequency range 2-150kHz, of a DC/DC buck converter are studied.

Progetto e valutazione di una piattaforma sperimentale di Internet of Energy per veicoli elettrici

This dissertation deals with the development of a project concerning a demonstration in the scope of the Supply Chain 6 of the Internet of Energy (IoE) project: the Remote Monitoring Emulator, which bears my personal contribution in several sections. IoE is a project of international relevance, that means to establish an interoperability standard as regards the electric power production and utilization infrastructure, using Smart Space platforms. The future perspectives of IoE have to do with a platform for electrical power trade-of, the Smart Grid, whose energy is produced by decentralized renewable sources and whose services are exploited primarily according to the Internet of Things philosophy. The main consumers of this kind of smart technology will be Smart Houses (that is to say, buildings controlled by an autonomous system for electrical energy management that is interoperable with the Smart Grid) and Electric Mobility, that is a smart and automated management regarding movement and, overall, recharging of electrical vehicles. It is precisely in the latter case study that the project Remote Monitoring Emulator takes place. It consists in the development of a simulated platform for the management of an electrical vehicle recharging in a city. My personal contribution to this project lies in development and modeling of the simulation platform, of its counterpart in a mobile application and implementation of a city service prototype. This platform shall, ultimately, make up a demonstrator system exploiting the same device which a real user, inside his vehicle, would use. The main requirements that this platform shall satisfy will be interoperability, expandability and relevance to standards, as it needs to communicate with other development groups and to effectively respond to internal changes that can affect IoE.

Progettazione, caratterizzazione e calibrazione di un sensore di tensione contactless per smart metering

Progettazione di un sistema di misura contactless per la tensione, da integrare in un nodo sensore di una Wireless Sensor Network per Smart Metering Distribuito

Ottimizzazione stocastica di una microrete con tecnologia "vehicle-to-grid"

La presente tesi ha come obiettivo quello di sviluppare un modello per la gestione ottimizzata delle unità di generazione e di accumulo di una microrete elettrica. La tesi analizza, come caso studio di riferimento, una microrete contenente impianti di generazione da fonti rinnovabili, sistemi di accumulo a batteria (BES:Battery Energy System) e stazioni di ricarica per veicoli elettrici. In particolare le stazioni di ricarica sono a flusso bidirezionale, in grado di fornire servizi di tipo "grid-to-vehicle"(G2V) e "vehicle-to-grid" (V2G). Il modello consente di definire, come sistema di dispacciamento centrale, le potenze che le varie risorse distribuite devono erogare o assorbire nella rete nelle 24 ore successive. Il dispacciamento avviene mediante risoluzione di un problema di minimizzazione dei costi operativi e dell'energia prelevata dalla rete esterna. Il problema è stato formulato tramite l'approccio di programmazione stocastica lineare dove i parametri incerti del modello sono modellizzati tramite processi stocastici. L'implementazione del modello è stata effettuata tramite il software AIMMS, un programma di ottimizzazione che prevede al suo interno delle funzionalità specifiche per la programmazione stocastica

Lifetime Modeling of SiC Power Modules in Automotive Traction Inverters

This thesis presents a model-based software implementation for the estimation of the damage of a power module inside and automotive traction inverter with few hardware test setup performed to support the simulation with real-life data.

Isolated electrical microgrids employing renewable energy resources:analysis of the electrification of remote communities in Peru.

This project points out a brief overview of several concepts, as Renewable Energy Resources, Distributed Energy Resources, Distributed Generation, and describes the general architecture of an electrical microgrid, isolated or connected to the Medium Voltage Network. Moreover, the project focuses on a project carried out by GRECDH Department in collaboration with CITCEA Department, both belonging to Universitat Politécnica de Catalunya: it concerns isolated microgrids employing renewable energy resources in two communities in northern Peru. Several solutions found using optimization software regarding different generation systems (wind and photovoltaic) and different energy demand scenarios are commented and analyzed from an electrical point of view. Furthermore, there are some proposals to improve microgrid performances, in particular to increase voltage values for each load connected to the microgrid. The extra costs required by the proposed solutions are calculated and their effect on the total microgrid cost are taken into account; finally there are some considerations about the impact the project has on population and on people's daily life.

Impatto della propagazione elettromagnetica sulle prestazioni delle reti M3N

Con il termine Smart Grid si intende una rete urbana capillare che trasporta energia, informazione e controllo, composta da dispositivi e sistemi altamente distribuiti e cooperanti. Essa deve essere in grado di orchestrare in modo intelligente le azioni di tutti gli utenti e dispositivi connessi al fine di distribuire energia in modo sicuro, efficiente e sostenibile. Questo connubio fra ICT ed Energia viene comunemente identificato anche con il termine Smart Metering, o Internet of Energy. La crescente domanda di energia e l’assoluta necessità di ridurre gli impatti ambientali (pacchetto clima energia 20-20-20 [9]), ha creato una convergenza di interessi scientifici, industriali e politici sul tema di come le tecnologie ICT possano abilitare un processo di trasformazione strutturale di ogni fase del ciclo energetico: dalla generazione fino all’accumulo, al trasporto, alla distribuzione, alla vendita e, non ultimo, il consumo intelligente di energia. Tutti i dispositivi connessi, diventeranno parte attiva di un ciclo di controllo esteso alle grandi centrali di generazione così come ai comportamenti dei singoli utenti, agli elettrodomestici di casa, alle auto elettriche e ai sistemi di micro-generazione diffusa. La Smart Grid dovrà quindi appoggiarsi su una rete capillare di comunicazione che fornisca non solo la connettività fra i dispositivi, ma anche l’abilitazione di nuovi servizi energetici a valore aggiunto. In questo scenario, la strategia di comunicazione sviluppata per lo Smart Metering dell’energia elettrica, può essere estesa anche a tutte le applicazioni di telerilevamento e gestione, come nuovi contatori dell’acqua e del gas intelligenti, gestione dei rifiuti, monitoraggio dell’inquinamento dell’aria, monitoraggio del rumore acustico stradale, controllo continuo del sistema di illuminazione pubblico, sistemi di gestione dei parcheggi cittadini, monitoraggio del servizio di noleggio delle biciclette, ecc. Tutto ciò si prevede possa contribuire alla progettazione di un unico sistema connesso, dove differenti dispositivi eterogenei saranno collegati per mettere a disposizione un’adeguata struttura a basso costo e bassa potenza, chiamata Metropolitan Mesh Machine Network (M3N) o ancora meglio Smart City. Le Smart Cities dovranno a loro volta diventare reti attive, in grado di reagire agli eventi esterni e perseguire obiettivi di efficienza in modo autonomo e in tempo reale. Anche per esse è richiesta l’introduzione di smart meter, connessi ad una rete di comunicazione broadband e in grado di gestire un flusso di monitoraggio e controllo bi-direzionale esteso a tutti gli apparati connessi alla rete elettrica (ma anche del gas, acqua, ecc). La M3N, è un’estensione delle wireless mesh network (WMN). Esse rappresentano una tecnologia fortemente attesa che giocherà un ruolo molto importante nelle futura generazione di reti wireless. Una WMN è una rete di telecomunicazione basata su nodi radio in cui ci sono minimo due percorsi che mettono in comunicazione due nodi. E’ un tipo di rete robusta e che offre ridondanza. Quando un nodo non è più attivo, tutti i rimanenti possono ancora comunicare tra di loro, direttamente o passando da uno o più nodi intermedi. Le WMN rappresentano una tipologia di rete fondamentale nel continuo sviluppo delle reti radio che denota la divergenza dalle tradizionali reti wireless basate su un sistema centralizzato come le reti cellulari e le WLAN (Wireless Local Area Network). Analogamente a quanto successo per le reti di telecomunicazione fisse, in cui si è passati, dalla fine degli anni ’60 ai primi anni ’70, ad introdurre schemi di rete distribuite che si sono evolute e man mano preso campo come Internet, le M3N promettono di essere il futuro delle reti wireless “smart”. Il primo vantaggio che una WMN presenta è inerente alla tolleranza alla caduta di nodi della rete stessa. Diversamente da quanto accade per una rete cellulare, in cui la caduta di una Base Station significa la perdita di servizio per una vasta area geografica, le WMN sono provviste di un’alta tolleranza alle cadute, anche quando i nodi a cadere sono più di uno. L'obbiettivo di questa tesi è quello di valutare le prestazioni, in termini di connettività e throughput, di una M3N al variare di alcuni parametri, quali l’architettura di rete, le tecnologie utilizzabili (quindi al variare della potenza, frequenza, Building Penetration Loss…ecc) e per diverse condizioni di connettività (cioè per diversi casi di propagazione e densità abitativa). Attraverso l’uso di Matlab, è stato quindi progettato e sviluppato un simulatore, che riproduce le caratteristiche di una generica M3N e funge da strumento di valutazione delle performance della stessa. Il lavoro è stato svolto presso i laboratori del DEIS di Villa Grifone in collaborazione con la FUB (Fondazione Ugo Bordoni).

Impianti per la generazione distribuita di biometano e per l'immissione nelle reti di distribuzione del gas naturale.

Studio dell'avvento di nuove realtà produttive energetiche da fonti rinnovabili nel settore del gas naturale. Il settore analizzato risulta quello relativo all'allacciamento di impianti di produzione di biometano alla rete del gas naturale. La finalità è la valutazione degli effetti della generazione distribuita di biometano nel futuro sistema del gas naturale (Smart Grid Gas) in termini di progettazione e conduzione del sistema nel suo complesso.

Controllo della tensione della rete di distribuzione in media tensione tramite comunicazione diretta con la generazione distribuita.

Le attività riguardanti la mia tesi sono state svolte presso Hera S.p.A.. Hera ha iniziato nel 2013 un progetto sperimentale di implementazione di tecnologie cosiddette smart grid su una porzione di rete gestita. Il progetto di Hera si focalizza su diversi aspetti riguardanti sia l’automazione della rete MT, ai fini della riduzione del tempo necessario per individuare il guasto in linea, sia su aspetti riguardanti la regolazione della tensione. In particolare la mia attività di tesi si è incentrata sugli aspetti riguardanti la regolazione della tensione, partendo da una panoramica di quelli che sono ad oggi i metodi più diffusi di regolazione della tensione agendo essenzialmente sul regolatore sotto carico del trasformatore AT/MT presente in cabina primaria e descrivendo quello che è invece il metodo analizzato nel dimostrativo di Hera. In particolare mi sono soffermato sulla regolazione di tensione realizzata con il supporto dei generatori distribuiti connessi alla rete MT di Hera i quali possono, nei limiti delle loro capability, intervenire all’occorrenza assorbendo od erogando potenza reattiva. Il supporto dei generatori distribuiti può essere richiesto qualora la regolazione realizzata con la variazione del commutatore sottocarico del trasformatore in cabina primaria non sia sufficiente per ottenere il risultato desiderato. Appare sin d’ora evidente che questo tipo di regolazione presuppone l’esistenza di una infrastruttura di comunicazione tra il centro operativo del distributore e il campo, inteso come i nodi su cui sono connessi i generatori. Nell’ambito del dimostrativo Hera ha quindi progettato e sta ora realizzando l’infrastruttura di comunicazione che permette la comunicazione del centro di telecontrollo con i generatori. Questa infrastruttura ha caratteristiche particolarmente performanti non tanto per conseguire gli scopi della regolazione, che comunque non necessitano di tempi di latenza eccessivamente stringenti, quanto piuttosto per implementare un’automazione di rete veloce che permette di evitare la disalimentazione degli utenti a monte di guasto attraverso una selezione rapida e intelligente del ramo guasto.

Design of an innovative electric vehicle simulator for Charging Systems' End-of-Line Testing

The trend related to the turnover of internal combustion engine vehicles with EVs goes by the name of electrification. The push electrification experienced in the last decade is linked to the still ongoing evolution in power electronics technology for charging systems. This is the reason why an evolution in testing strategies and testing equipment is crucial too. The project this dissertation is based on concerns the investigation of a new EV simulator design. that optimizes the structure of the testing equipment used by the company who commissioned this work. Project requirements can be summarized in the following two points: space occupation reduction and parallel charging implementation. Some components were completely redesigned, and others were substituted with equivalent ones that could perform the same tasks. In this way it was possible to reduce the space occupation of the simulator, as well as to increase the efficiency of the testing device. Moreover, the possibility of conjugating different charging simulations could be investigated by parallelly launching two testing procedures on a unique machine, properly predisposed for supporting the two charging protocols used. On the back of the results achieved in the body of this dissertation, a new design for the EV simulator was proposed. In this way, space reduction was obtained, and space occupation efficiency was improved with the proposed new design. The testing device thus resulted to be way more compact, enabling to gain in safety and productivity, along with a 25% cost reduction. Furthermore, parallel charging was implemented in the proposed new design since the conducted tests clearly showed the feasibility of parallel charging sessions. The results presented in this work can thus be implemented to build the first prototype of the new EV simulator.

Modeling and Design of Phase Shifted Full Bridge Isolated DC-DC ZVS Converter with Peak Current Mode Control

Nowadays, there is a boom in the use of electrification. Electric vehicles are gaining interest worldwide due to various factors, including climate and environmental awareness. In this thesis, a step-down isolated power supply for electric tractors is investigated, specifically the phase-shifted full-bridge (PSFB) DC-DC with synchronous rectification and zero-voltage switching (ZVS). This converter was selected for its high-power capacity with high efficiency. A 3500 W PSFB converter with peak current control (PCCM) is designed and modeled in MATLAB. The input voltage range is from 550 V to 820 V and the output voltage range is limited to 9 V to 16 V with a maximum output current of 250 A. All components were commercially designed and selected, including magnetics for the high-frequency transformer and inductors, taking into account loss calculations. Zero voltage switching for the lagging leg is achieved at 13% to 100% load. The proven efficiency of the converter is around 90

Design and Implementation of Single phase 230V to Three Phase Inverter Based on the Embedded System STM-32 Applied to motor control

In the field of Power Electronics, several types of motor control systems have been developed using STM microcontroller and power boards. In both industrial power applications and domestic appliances, power electronic inverters are widely used. Inverters are used to control the torque, speed, and position of the rotor in AC motor drives. An inverter delivers constant-voltage and constant-frequency power in uninterruptible power sources. Because inverter power supplies have a high-power consumption and low transfer efficiency rate, a three-phase sine wave AC power supply was created using the embedded system STM32, which has low power consumption and efficient speed. It has the capacity of output frequency of 50 Hz and the RMS of line voltage. STM32 embedded based Inverter is a power supply that integrates, reduced, and optimized the power electronics application that require hardware system, software, and application solution, including power architecture, techniques, and tools, approaches capable of performance on devices and equipment. Power inverters are currently used and implemented in green energy power system with low energy system such as sensors or microcontroller to perform the operating function of motors and pumps. STM based power inverter is efficient, less cost and reliable. My thesis work was based on STM motor drives and control system which can be implemented in a gas analyser for operating the pumps and motors. It has been widely applied in various engineering sectors due to its ability to respond to adverse structural changes and improved structural reliability. The present research was designed to use STM Inverter board on low power MCU such as NUCLEO with some practical examples such as Blinking LED, and PWM. Then we have implemented a three phase Inverter model with Steval-IPM08B board, which converter single phase 230V AC input to three phase 380 V AC output, the output will be useful for operating the induction motor.

Random Access Procedures in 5G IoT via NTN: System level performances

The Internet of Things (IoT) is a critical pillar in the digital transformation because it enables interaction with the physical world through remote sensing and actuation. Owing to the advancements in wireless technology, we now have the opportunity of using their features to the best of our abilities and improve over the current situation. Indeed, the Internet of Things market is expanding at an exponential rate, with devices such as alarms and detectors, smart metres, trackers, and wearables being used on a global scale for automotive and agriculture, environment monitoring, infrastructure surveillance and management, healthcare, energy and utilities, logistics, good tracking, and so on. The Third Generation Partnership Project (3GPP) acknowledged the importance of IoT by introducing new features to support it. In particular, in Rel.13, the 3GPP introduced the so-called IoT to support Low Power Wide Area Networks (LPWAN).As these devices will be distributed in areas where terrestrial networks are not feasible or commercially viable, satellite networks will play a complementary role due to their ability to provide global connectivity via their large footprint size and short service deployment time. In this context, the goal of this thesis is to investigate the viability of integrating IoT technology with satellite communication (SatCom) systems, with a focus on the Random Access(RA) Procedure. Indeed, the RA is the most critical procedure because it allows the UE to achieve uplink synchronisation, obtain the permanent ID, and obtain uplink transmission resources. The goal of this thesis is to evaluate preamble detection in the SatCom environment.