Analysis and improvements of four-wire power converters for electric vehicle chargers

A robust and well-distributed backbone charging network is the priority to ensure widespread electrification of road transport, providing a driving experience similar to that of internal combustion engine vehicles. International standards set multiple technical targets for on-board and off-board electric vehicle chargers; output voltage levels, harmonic emissions, and isolation requirements strongly influence the design of power converters. Additionally, smart-grid services such as vehicle-to-grid and vehicle-to-vehicle require the implementation of bi-directional stages that inevitably increase system complexity and component count. To face these design challenges, the present thesis provides a rigorous analysis of four-leg and split-capacitor three-phase four-wire active front-end topologies focusing on the harmonic description under different modulation techniques and conditions. The resulting analytical formulation paves the way for converter performance improvements while maintaining regulatory constraints and technical requirements under control. Specifically, split-capacitor inverter current ripple was characterized as providing closed-form formulations valid for every sub-case ranging from synchronous to interleaved PWM. Outcomes are the base for a novel variable switching PWM technique capable of mediating harmonic content limitation and switching loss reduction. A similar analysis is proposed for four-leg inverters with a broad range of continuous and discontinuous PWM modulations. The general superiority of discontinuous PWM modulation in reducing switching losses and limiting harmonic emission was demonstrated. Developments are realized through a parametric description of the neutral wire inductor. Finally, a novel class of integrated isolated converter topologies is proposed aiming at the neutral wire delivery without employing extra switching components rather than the one already available in typical three-phase inverter and dual-active-bridge back-to-back configurations. The fourth leg was integrated inside the dual-active-bridge input bridge providing relevant component count savings. A novel modified single-phase-shift modulation technique was developed to ensure a seamless transition between working conditions like voltage level and power factor. Several simulations and experiments validate the outcomes.

Multifunctional converter to interface renewable energy sources and electric vehicles with the power grid in smart grids context

This paper proposes a multifunctional converter to interface renewable energy sources (e.g., solar photovoltaic panels) and electric vehicles (EVs) with the power grid in smart grids context. This multifunctional converter allows deliver energy from the solar photovoltaic panels to an EV or to the power grid, and exchange energy in bidirectional mode between the EV and the power grid. Using this multifunctional converter are not required multiple conversion stages, as occurs with the traditional solutions, where are necessary two power converters to integrate the solar photovoltaic system in the power grid and also two power converters to integrate an off-board EV battery charger in the power grid (dc-dc and dc-ac power converters in both cases). Taking into account that the energy provided (or delivered) from the power grid in each moment is function of the EV operation mode and also of the energy produced from the solar photovoltaic system, it is possible to define operation strategies and control algorithms in order to increase the energy efficiency of the global system and to improve the power quality of the electrical system. The proposed multifunctional converter allows the operation in four distinct cases: (a) Transfer of energy from the solar photovoltaic system to the power grid; (b) Transfer of energy from the solar photovoltaic system and from the EV to the power grid; (c) Transfer of energy from the solar photovoltaic system to the EV or to the power grid; (d) Transfer of energy between the EV and the power grid. Along the paper are described the system architecture and the control algorithms, and are also presented some computational simulation results for the four aforementioned cases. It is also presented a comparative analysis between the traditional and the proposed solution in terms of operation efficiency and estimated cost of implementation.

Studio, simulazione e verifica sperimentale di tecniche di controllo per convertitori multilivello modulari

L’evoluzione dei componenti elettronici di potenza ed il conseguente sviluppo dei convertitori statici dell’energia elettrica hanno consentito di ottenere un’elevata efficienza energetica, sia nell’ambito degli azionamenti elettrici, sia nell’ambito della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. L’efficienza energetica è una questione molto importante nell’attuale contesto storico, in quanto si sta facendo fronte ad una elevatissima richiesta di energia, sfruttando prevalentemente fonti di energia non rinnovabili. L’introduzione dei convertitori statici ha reso possibile un notevolissimo incremento dello sfruttamento delle fonti di energia rinnovabili: si pensi ad esempio agli inverter per impianti fotovoltaici o ai convertitori back to back per applicazioni eoliche. All’aumentare della potenza di un convertitore aumenta la sua tensione di esercizio: le limitazioni della tensione sopportabile dagli IGBT, che sono i componenti elettronici di potenza di più largo impiego nei convertitori statici, rendono necessarie modifiche strutturali per i convertitori nei casi in cui la tensione superi determinati valori. Tipicamente in media ed alta tensione si impiegano strutture multilivello. Esistono più tipi di configurazioni multilivello: nel presente lavoro è stato fatto un confronto tra le varie strutture esistenti e sono state valutate le possibilità offerte dall’architettura innovativa Modular Multilevel Converter, nota come MMC. Attualmente le strutture più diffuse sono la Diode Clamped e la Cascaded. La prima non è modulare, in quanto richiede un’apposita progettazione in relazione al numero di livelli di tensione. La seconda è modulare, ma richiede alimentazioni separate e indipendenti per ogni modulo. La struttura MMC è modulare e necessita di un’unica alimentazione per il bus DC, ma la presenza dei condensatori richiede particolare attenzione in fase di progettazione della tecnica di controllo, analogamente al caso del Diode Clamped. Un esempio di possibile utilizzo del convertitore MMC riguarda le trasmissioni HVDC, alle quali si sta dedicando un crescente interesse negli ultimi anni.

Progettazione e realizzazione di uno smart distributed system per il controllo degli accessi in ambito aziendale

Il lavoro svolto è dedicato alla realizzazione ed implementazione di un sistema distribuito "smart" per il controllo degli accessi. Il progetto sviluppato è inquadrato nel contesto di "SPOT Software", che necessita di migliorare il processo aziendale di controllo accessi e gestione presenze al fine di aumentarne usabilità ed efficienza. Saranno affrontate in generale le tematiche di Internet of Things, Smart Building, Smart City e sistemi embedded, approfondendo il ruolo delle tecnologie di comunicazione NFC e BLE, al centro di questo lavoro. Successivamente sarà discussa la progettazione di ognuno dei tre nodi del sistema, motivando le scelte tecnologiche e progettuali: Web application, Smart device e Smartphone app.

Studi di data popularity nell'analisi distribuita su Grid dell'esperimento CMS a LHC

L’esperimento CMS a LHC ha raccolto ingenti moli di dati durante Run-1, e sta sfruttando il periodo di shutdown (LS1) per evolvere il proprio sistema di calcolo. Tra i possibili miglioramenti al sistema, emergono ampi margini di ottimizzazione nell’uso dello storage ai centri di calcolo di livello Tier-2, che rappresentano - in Worldwide LHC Computing Grid (WLCG)- il fulcro delle risorse dedicate all’analisi distribuita su Grid. In questa tesi viene affrontato uno studio della popolarità dei dati di CMS nell’analisi distribuita su Grid ai Tier-2. Obiettivo del lavoro è dotare il sistema di calcolo di CMS di un sistema per valutare sistematicamente l’ammontare di spazio disco scritto ma non acceduto ai centri Tier-2, contribuendo alla costruzione di un sistema evoluto di data management dinamico che sappia adattarsi elasticamente alle diversi condizioni operative - rimuovendo repliche dei dati non necessarie o aggiungendo repliche dei dati più “popolari” - e dunque, in ultima analisi, che possa aumentare l’“analysis throughput” complessivo. Il Capitolo 1 fornisce una panoramica dell’esperimento CMS a LHC. Il Capitolo 2 descrive il CMS Computing Model nelle sue generalità, focalizzando la sua attenzione principalmente sul data management e sulle infrastrutture ad esso connesse. Il Capitolo 3 descrive il CMS Popularity Service, fornendo una visione d’insieme sui servizi di data popularity già presenti in CMS prima dell’inizio di questo lavoro. Il Capitolo 4 descrive l’architettura del toolkit sviluppato per questa tesi, ponendo le basi per il Capitolo successivo. Il Capitolo 5 presenta e discute gli studi di data popularity condotti sui dati raccolti attraverso l’infrastruttura precedentemente sviluppata. L’appendice A raccoglie due esempi di codice creato per gestire il toolkit attra- verso cui si raccolgono ed elaborano i dati.

Analisi del sistema di controllo di una bobina per la generazione di campi magnetici in un esperimento di fisica atomica

Questa tesi, svolta nell’ambito dell’esperimento BEC3 presso il LENS di Firenze, si propone di studiare i problemi connessi alla variazione improvvisa di corrente in elementi induttivi, come sono le bobine utilizzate per generare campi magnetici. Nell’esperimento BEC3, come in molti esperimenti di atomi freddi, vi è spesso la necessità di compiere operazioni di questo genere anche in tempi brevi. Verrà analizzato il sistema di controllo incaricato di invertire la corrente in una bobina, azione che va effettuata in tempi dell’ordine di qualche millisecondo ed evitando i danni dovuti alle alte tensioni che si sviluppano ai capi della bobina. Per questa analisi sono state effettuate simulazioni del circuito e misure sperimentali, allo scopo di determinare il comportamento e stimare la durata dell’operazione.

An iterative analytical design framework for the optimal designing of an off-grid renewable energy based hybrid smart micro-grid

Creative ways of utilising renewable energy sources in electricity generation especially in remote areas and particularly in countries depending on imported energy, while increasing energy security and reducing cost of such isolated off-grid systems, is becoming an urgently needed necessity for the effective strategic planning of Energy Systems. The aim of this research project was to design and implement a new decision support framework for the optimal design of hybrid micro grids considering different types of different technologies, where the design objective is to minimize the total cost of the hybrid micro grid while at the same time satisfying the required electric demand. Results of a comprehensive literature review, of existing analytical, decision support tools and literature on HPS, has identified the gaps and the necessary conceptual parts of an analytical decision support framework. As a result this research proposes and reports an Iterative Analytical Design Framework (IADF) and its implementation for the optimal design of an Off-grid renewable energy based hybrid smart micro-grid (OGREH-SμG) with intra and inter-grid (μG2μG & μG2G) synchronization capabilities and a novel storage technique. The modelling design and simulations were based on simulations conducted using HOMER Energy and MatLab/SIMULINK, Energy Planning and Design software platforms. The design, experimental proof of concept, verification and simulation of a new storage concept incorporating Hydrogen Peroxide (H2O2) fuel cell is also reported. The implementation of the smart components consisting Raspberry Pi that is devised and programmed for the semi-smart energy management framework (a novel control strategy, including synchronization capabilities) of the OGREH-SμG are also detailed and reported. The hybrid μG was designed and implemented as a case study for the Bayir/Jordan area. This research has provided an alternative decision support tool to solve Renewable Energy Integration for the optimal number, type and size of components to configure the hybrid μG. In addition this research has formulated and reported a linear cost function to mathematically verify computer based simulations and fine tune the solutions in the iterative framework and concluded that such solutions converge to a correct optimal approximation when considering the properties of the problem. As a result of this investigation it has been demonstrated that, the implemented and reported OGREH-SμG design incorporates wind and sun powered generation complemented with batteries, two fuel cell units and a diesel generator is a unique approach to Utilizing indigenous renewable energy with a capability of being able to synchronize with other μ-grids is the most effective and optimal way of electrifying developing countries with fewer resources in a sustainable way, with minimum impact on the environment while also achieving reductions in GHG. The dissertation concludes with suggested extensions to this work in the future.

Valutazione delle potenzialità dell'iniezione d'acqua nei motori GDI di ultima generazione

L'industria automobilistica sta assistendo ad un importante cambiamento verso motorizzazioni con cilindrata unitaria minore, turbocompressi, e con iniezione diretta in camera, a causa delle normative sempre più stringenti sull'emissione di inquinanti allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. I motori turbocompressi lavorano con una pressione media effettiva maggiore, con conseguenti maggiori pressioni e temperature in camera, che di fatto aumentano il rischio di insorgenza di eventi di combustione anomale come pre-accensione e detonazione. Questo porta ad utilizzare il motore con angoli sub-ottimali di anticipo di accensione e con arricchimento della miscela per diminuire le temperature dei gas in ingresso alla turbina. Queste strategie non sono più compatibili con le nuove regolamentazioni, in quanto superano i limiti imposti di emissioni e consumo specifico in cicli reali di utilizzo su strada. Tra le varie possibili soluzioni, l'iniezione d'acqua è una tecnologia già conosciuta, che permette un controllo della tendenza alla detonazione. Il principio consiste nella riduzione della temperatura della carica grazie all'elevato calore latente di vaporizzazione della massa d'acqua iniettata. In questo lavoro sono stati valutati entrambi i layout di iniezione d'acqua, nel condotto e in camera di combustione, in due punti motore: massima potenza e massima coppia. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'utilizzo di simulazioni tridimensionali CFD a partire da una metodologia basata su modelli fisici solidamente validati. Il software commerciale utilizzato è stato AVL FIRE, che permette di manipolare in modo agevole i risultati sia al suo interno, sia tramite ambienti di calcolo esterno.

Fotovoltaico di I^ e II^ generazione: differenze tecniche e vantaggi di installazione. Studio di un caso mediante software PVSyst

Le energie rinnovabili rappresentano il presente e allo stesso tempo il futuro della produzione elettrica mondiale. Produrre sempre più energia da fonti rinnovabili è una necessità condivisa da tutti i Paesi del mondo per cercare di dare un freno agli evidenti problemi climatici e alle continue minacce subite dall’ecosistema, che stanno condizionando il pianeta negli ultimi anni. Nel corso di questo elaborato ci si è concentrati soprattutto sul fotovoltaico, che a differenza delle altre fonti, essendo alimentato dall’energia solare è ben distribuito in quasi tutto il pianeta e nel corso degli ultimi anni ha avuto una crescita e una diffusione esponenziali in Italia e nel resto del mondo. La sempre crescente innovazione nel campo dei materiali utilizzati, permette ad oggi una maggiore scelta della tipologia di pannello da installare, sulla base dei vari fattori che possono influenzarne efficienza e rendimento. L’obiettivo finale è quello di avere tutti i dati necessari per effettuare l’analisi e il confronto tra le simulazioni di funzionamento di diverse tipologie di fotovoltaico, valutandone, oltre all’aspetto tecnico, anche la convenienza e i vantaggi in termini di rendimento. Durante lo sviluppo della tesi, le simulazioni sono state condotte prendendo come riferimento un capannone industriale ubicato nella stazione ferroviaria di Bologna Interporto, analizzando poi i dati mediante l’ausilio del software PVSyst. per confrontare i dati e i risultati ottenuti all’interno di un resoconto che evidenzi le maggiori differenze e la soluzione più vantaggiosa in termini di rendimento.

Mobi_System: A Personal Travel Assistance for Electrical Vehicles in Smart Cities

In this work it is proposed the design of a mobile system to assist car drivers in a smart city environment oriented to the upcoming reality of Electric Vehicles (EV). Taking into account the new reality of smart cites, EV introduction, Smart Grids (SG), Electrical Markets (EM), with deregulation of electricity production and use, drivers will need more information for decision and mobility purposes. A mobile application to recommend useful related information will help drivers to deal with this new reality, giving guidance towards traffic, batteries charging process, and city mobility infrastructures (e. g. public transportation information, parking places availability and car & bike sharing systems). Since this is an upcoming reality with possible process changes, development must be based on agile process approaches (Web services).

Smart Electric Vehicle Charging System

In this work is proposed the design of a system to create and handle Electric Vehicles (EV) charging procedures, based on intelligent process. Due to the electrical power distribution network limitation and absence of smart meter devices, Electric Vehicles charging should be performed in a balanced way, taking into account past experience, weather information based on data mining, and simulation approaches. In order to allow information exchange and to help user mobility, it was also created a mobile application to assist the EV driver on these processes. This proposed Smart ElectricVehicle Charging System uses Vehicle-to-Grid (V2G) technology, in order to connect Electric Vehicles and also renewable energy sources to Smart Grids (SG). This system also explores the new paradigm of Electrical Markets (EM), with deregulation of electricity production and use, in order to obtain the best conditions for commercializing electrical energy.

Distributed energy resources management with cyber-physical SCADA in the context of future smart grids

In the energy management of a small power system, the scheduling of the generation units is a crucial problem for which adequate methodologies can maximize the performance of the energy supply. This paper proposes an innovative methodology for distributed energy resources management. The optimal operation of distributed generation, demand response and storage resources is formulated as a mixed-integer linear programming model (MILP) and solved by a deterministic optimization technique CPLEX-based implemented in General Algebraic Modeling Systems (GAMS). The paper deals with a vision for the grids of the future, focusing on conceptual and operational aspects of electrical grids characterized by an intensive penetration of DG, in the scope of competitive environments and using artificial intelligence methodologies to attain the envisaged goals. These concepts are implemented in a computational framework which includes both grid and market simulation.

Modified particle swarm optimization for day-ahead distributed energy resources scheduling including vehicle-to-grid

Mestrado em Engenharia Electrotécnica – Sistemas Eléctricos de Energia

Planning smart cities using wireless low energy monitoring systems

Thesis to obtain the Master Degree in Electronics and Telecommunications Engineering

Multi-objective Parallel Particle Swarm Optimization for Day-ahead Vehicle-To-Grid Scheduling

This paper presents a methodology for multi-objective day-ahead energy resource scheduling for smart grids considering intensive use of distributed generation and Vehicle- To-Grid (V2G). The main focus is the application of weighted Pareto to a multi-objective parallel particle swarm approach aiming to solve the dual-objective V2G scheduling: minimizing total operation costs and maximizing V2G income. A realistic mathematical formulation, considering the network constraints and V2G charging and discharging efficiencies is presented and parallel computing is applied to the Pareto weights. AC power flow calculation is included in the metaheuristics approach to allow taking into account the network constraints. A case study with a 33-bus distribution network and 1800 V2G resources is used to illustrate the performance of the proposed method.