Grid Connected Doubly Fed Induction Generator Based Wind Turbine under LVRT

This project concentrates on the Low Voltage Ride Through (LVRT) capability of Doubly Fed Induction Generator (DFIG) wind turbine. The main attention in the project is, therefore, drawn to the control of the DFIG wind turbine and of its power converter and to the ability to protect itself without disconnection during grid faults. It provides also an overview on the interaction between variable speed DFIG wind turbines and the power system subjected to disturbances, such as short circuit faults. The dynamic model of DFIG wind turbine includes models for both mechanical components as well as for all electrical components, controllers and for the protection device of DFIG necessary during grid faults. The viewpoint of this project is to carry out different simulations to provide insight and understanding of the grid fault impact on both DFIG wind turbines and on the power system itself. The dynamic behavior of DFIG wind turbines during grid faults is simulated and assessed by using a transmission power system generic model developed and delivered by Transmission System Operator in the power system simulation toolbox Digsilent, Matlab/Simulink and PLECS.

Arbitrary Waveform Multilevel Generator for High Voltage High Frequency Plasma Actuators

This dissertation presents the theory and the conducted activity that lead to the construction of a high voltage high frequency arbitrary waveform voltage generator. The generator has been specifically designed to supply power to a wide range of plasma actuators. The system has been completely designed, manufactured and tested at the Department of Electrical, Electronic and Information Engineering of the University of Bologna. The generator structure is based on the single phase cascaded H-bridge multilevel topology and is comprised of 24 elementary units that are series connected in order to form the typical staircase output voltage waveform of a multilevel converter. The total number of voltage levels that can be produced by the generator is 49. Each level is 600 V making the output peak-to-peak voltage equal to 28.8 kV. The large number of levels provides high resolution with respect to the output voltage having thus the possibility to generate arbitrary waveforms. Maximum frequency of operation is 20 kHz. A study of the relevant literature shows that this is the first time that a cascaded multilevel converter of such dimensions has been constructed. Isolation and control challenges had to be solved for the realization of the system. The biggest problem of the current technology in power supplies for plasma actuators is load matching. Resonant converters are the most used power supplies and are seriously affected by this problem. The manufactured generator completely solves this issue providing consistent voltage output independently of the connected load. This fact is very important when executing tests and during the comparison of the results because all measures should be comparable and not dependent from matching issues. The use of the multilevel converter for power supplying a plasma actuator is a real technological breakthrough that has provided and will continue to provide very significant experimental results.

Design and Fabrication of Bond Wire Micro-Magnetics

This thesis presents a new approach for the design and fabrication of bond wire magnetics for power converter applications by using standard IC gold bonding wires and micro-machined magnetic cores. It shows a systematic design and characterization study for bond wire transformers with toroidal and race-track cores for both PCB and silicon substrates. Measurement results show that the use of ferrite cores increases the secondary self-inductance up to 315 µH with a Q-factor up to 24.5 at 100 kHz. Measurement results on LTCC core report an enhancement of the secondary self-inductance up to 23 µH with a Q-factor up to 10.5 at 1.4 MHz. A resonant DC-DC converter is designed in 0.32 µm BCD6s technology at STMicroelectronics with a depletion nmosfet and a bond wire micro-transformer for EH applications. Measures report that the circuit begins to oscillate from a TEG voltage of 280 mV while starts to convert from an input down to 330 mV to a rectified output of 0.8 V at an input of 400 mV. Bond wire magnetics is a cost-effective approach that enables a flexible design of inductors and transformers with high inductance and high turns ratio. Additionally, it supports the development of magnetics on top of the IC active circuitry for package and wafer level integrations, thus enabling the design of high density power components. This makes possible the evolution of PwrSiP and PwrSoC with reliable highly efficient magnetics.

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.

Power Converters and Electric Drives for Smart Grid Applications

The present dissertation aims to explore, theoretically and experimentally, the problems and the potential advantages of different types of power converters for “Smart Grid” applications, with particular emphasis on multi-level architectures, which are attracting a rising interest even for industrial requests. The models of the main multilevel architectures (Diode-Clamped and Cascaded) are shown. The best suited modulation strategies to function as a network interface are identified. In particular, the close correlation between PWM (Pulse Width Modulation) approach and SVM (Space Vector Modulation) approach is highlighted. An innovative multilevel topology called MMC (Modular Multilevel Converter) is investigated, and the single-phase, three-phase and "back to back" configurations are analyzed. Specific control techniques that can manage, in an appropriate way, the charge level of the numerous capacitors and handle the power flow in a flexible way are defined and experimentally validated. Another converter that is attracting interest in “Power Conditioning Systems” field is the “Matrix Converter”. Even in this architecture, the output voltage is multilevel. It offers an high quality input current, a bidirectional power flow and has the possibility to control the input power factor (i.e. possibility to participate to active and reactive power regulations). The implemented control system, that allows fast data acquisition for diagnostic purposes, is described and experimentally verified.

Nano-Power Integrated Circuits for Energy Harvesting

The energy harvesting research field has grown considerably in the last decade due to increasing interests in energy autonomous sensing systems, which require smart and efficient interfaces for extracting power from energy source and power management (PM) circuits. This thesis investigates the design trade-offs for minimizing the intrinsic power of PM circuits, in order to allow operation with very weak energy sources. For validation purposes, three different integrated power converter and PM circuits for energy harvesting applications are presented. They have been designed for nano-power operations and single-source converters can operate with input power lower than 1 μW. The first IC is a buck-boost converter for piezoelectric transducers (PZ) implementing Synchronous Electrical Charge Extraction (SECE), a non-linear energy extraction technique. Moreover, Residual Charge Inversion technique is exploited for extracting energy from PZ with weak and irregular excitations (i.e. lower voltage), and the implemented PM policy, named Two-Way Energy Storage, considerably reduces the start-up time of the converter, improving the overall conversion efficiency. The second proposed IC is a general-purpose buck-boost converter for low-voltage DC energy sources, up to 2.5 V. An ultra-low-power MPPT circuit has been designed in order to track variations of source power. Furthermore, a capacitive boost circuit has been included, allowing the converter start-up from a source voltage VDC0 = 223 mV. A nano-power programmable linear regulator is also included in order to provide a stable voltage to the load. The third IC implements an heterogeneous multisource buck-boost converter. It provides up to 9 independent input channels, of which 5 are specific for PZ (with SECE) and 4 for DC energy sources with MPPT. The inductor is shared among channels and an arbiter, designed with asynchronous logic to reduce the energy consumption, avoids simultaneous access to the buck-boost core, with a dynamic schedule based on source priority.

Progetto di un circuito convertitore di potenza per applicazioni di energy harvesting a bassissime tensioni

In questo lavoro si vuole mostrare come sia possibile realizzare un circuito per energy harvesting totalmente autonomo, quindi senza l’ausilio di batterie, per sorgenti ultra-low voltage, in particolare per sorgenti termoelettriche sottoposte a piccoli gradienti di temperatura ed in grado di erogare tensioni di qualche decina di millivolt. Si esporrà come il circuito sia capace di avviarsi, autosostenersi ed alimentare un piccolo carico. Si è scelta una architettura basata su componenti discreti suddivisa in due macro blocchi: un circuito di startup implementato attraverso un’architettura a trasformatore piezoelettrico e un boost converter pilotato in catena aperta da un oscillatore ultra-low power.

Realizzazione di un'interfaccia universale in tecnologia Bluetooth Low Energy per sensori integrati

Lo scopo dell’elaborato di tesi è la progettazione e lo sviluppo di un’applicazione per il modulo Bluetooth Low Energy (BLE) Texas Instrument CC2650 in grado di leggere le informazioni da un sensore analogico, tramite un Analog-Digital- Converter (ADC), e di scambiare i dati con uno smartphone Android in tempo reale. L’interfaccia realizzata deve essere universale, ovvero dovrà essere compatibile con sensori di diverso tipo, facilmente estensibile per l’aggiunta di un numero maggiore di periferiche di lettura e utilizzabile con un ampio numero di dispositivi.

Analisi e progetto di un convertitore ZETA per la correzione del fattore di potenza

Questa tesi ha studiato a fondo le modalità di funzionamento del convertitore ZETA. Si è visto che la presenza dei due magnetici determina una condizione di funzionamento non convenzionale (lo stesso accade nel SEPIC) poco studiata in letteratura. Questa condizione, corrispondente al modo discontinuo nei più elementari convertitori, in cui la corrente si annulla sia nel transistor che nel diodo, dà invece luogo ad un ricircolo di corrente pressochè costante in una maglia che comprende entrambe le induttanze. Questa corrente testimonia un intrappolamento di energia magnetica con relativa perdita per dissipazione che presumibilmente degrada l’efficienza del convertitore. Questo è potuto avvenire perchè non vi è nulla che impedisca il flusso di una corrente negativa sui singoli induttori quando la somma algebrica dei due risulti comunque positiva o nulla (diodo in conduzione). Questo problema si può riscontrare sia nel funzionamento in continua (sempre almeno uno fra transistor e diodo in conduzione) che in discontinua (con un intervallo di tempo in cui non conducono nessuno dei due). Per ovviare a questo problema le soluzioni proposte in questa tesi sono quelle di aggiungere un ulteriore diodo rettificatore in serie agli avvolgimenti e/o di gestire il rapporto di induttanze dei due avvolgimenti in modo che nella condizione nominale di funzionamento raggiungano contemporaneamente la condizione di inversione della corrente. Queste possibilità sono state esplorate con successo nell’utilizzo del convertitore ZETA per applicazioni di correzione del fattore di potenza PFC in cui si è proposto un insieme di equazioni di dimensionamento che portano al progetto del convertitore al fine di ottenere le forme d’onda desiderate.

Sensore e interfacce per la misura di conducibilita con impedenza elettrica

Gli oceani coprono quasi il 75% della superficie della terra ed esercitano una grande influenza sulla vita di tutte le specie viventi e sull’evoluzione del clima a livello planetario. I repentini cambiamenti climatici hanno reso sempre piú importante studiarne i comportamenti. L’analisi della salinitá degli oceani é estremamente importante per gli studi sull’ambiente marino; puó essere usata per tracciare le masse d’acqua, descrivendone i flussi e svelandone la correlazione con i processi climatici, puó essere di aiuto ai biologi per studiare gli organismi marini e costituisce un parametro fondamentale per una vasta gamma di sensori. Un sistema autonomo che misuri conducibilitá e temperatura é il primo strumento per determinare la salinitá dell’acqua, sul mercato sono presenti sí numerosi sensori a elevata accuratezza ma necessitano di ingombranti strumenti di laboratorio per funzionare. Sistemi di ridotte dimensioni non sono invece altrettanto accurati ed affidabili. Questa tesi mira a sviluppare un'interfaccia che permetta di analizzare conducibilitá e temperatura con un elevato livello di accuratezza. Particolare attenzione sará posta all’elaborazione delle misure effettuate e alla caratterizzazione degli errori e dell’accuratezza del sistema. Partendo da queste basi in futuro si potrá creare un sistema autonomo a bassissima potenza, alimentato da batterie, che, basandosi sull’iterazione fra il chip impedenziometrico e il PIC, permetta di fare misure per un ciclo di vita di qualche anno.

Inverters multilivello per il pilotaggio di motori asincroni trifase

In questo lavoro di laurea si presentano le varie famiglie di convertitori multilivello MMC (Modular Multilevel Converter). Questi convertitori sono di ausilio per il condizionamento dei parametri di reti elettriche in media e alta tensione e possono anche essere convenientemente utilizzati nel pilotaggio di motori asincroni trifase. Dopo aver esplicitato i principi di funzionamento, presentato i dispositivi di commutazione, le tipologie conosciute e le rispettive principali tecniche di modulazione, si è presentato il motore asincrono trifase, il suo circuito equivalente e le problematiche di accoppiamento ad un inverter. Successivamente si è simulato un inverter multilivello di tipo Diode-Clamped, con modulazione analogica PWM multiportante, che aziona un motore asincrono commerciale, così da poterne verificare le prestazioni in diversi regimi di velocità.

Dimensionamento di un sistema wireless epidermico energeticamente autonomo per il monitoraggio di parametri fisiologici

Il presente lavoro di Tesi è stato incentrato sul dimensionamento di un sistema wireless epidermico abile a monitorare parametri fisiologici. La fase iniziale del lavoro è stata spesa per indagare le varie tipologie di sorgenti utili ad effettuare Energy Harvesting in contesti applicativi biomedicali, ed analizzare lo stato dell’arte in merito ai sistemi miniaturizzati, passivi, interfacciabili alla superficie corporea, configurabili nel settore di ricerca e-skin. Il corpo centrale del lavoro è stato quello di dimensionare un nuovo sistema wireless epidermico, energeticamente autonomo. Tale sistema è stato strutturato in tre catene costitutive. La prima di queste definita di Energy Harvesting e storage, presenta una cella solare, un boost converter –charger per il management della potenza ed una thin film battery come elemento di storage. La seconda catena è configurabile come quella di ricezione, in cui l’elemento cruciale è una Wake-Up Radio (WUR), la cui funzione è quella di abilitare il sistema di misura costituito da Microcontroller e sensore solo quando un Reader comunicherà la corretta sequenza di bit abilitanti alla lettura. La presente scelta ha mostrato vantaggi in termini di ridotti consumi. La terza ed ultima catena del sistema per mezzo di Microcontrollore e Transceiver consentirà di trasmettere via RF il dato letto al Reader. Una interfaccia grafica utente implementata in Matlab è stata ideata per la gestione dei dati. La sezione ultima della Tesi è stata impostata analizzando i possibili sviluppi futuri da seguire, in particolare integrare il sistema completo utilizzando un substrato flessibile così come il Kapton e dotare il sistema di sensoristica per misure biomediche specialistiche per esempio la misura del SpO2.

Wind plant interaction with series-compensated power systems

Wind power based generation has been rapidly growing world-wide during the recent past. In order to transmit large amounts of wind power over long distances, system planners may often add series compensation to existing transmission lines owing to several benefits such as improved steady-state power transfer limit, improved transient stability, and efficient utilization of transmission infrastructure. Application of series capacitors has posed resonant interaction concerns such as through subsynchronous resonance (SSR) with conventional turbine-generators. Wind turbine-generators may also be susceptible to such resonant interactions. However, not much information is available in literature and even engineering standards are yet to address these issues. The motivation problem for this research is based on an actual system switching event that resulted in undamped oscillations in a 345-kV series-compensated, typical ring-bus power system configuration. Based on time-domain ATP (Alternative Transients Program) modeling, simulations and analysis of system event records, the occurrence of subsynchronous interactions within the existing 345-kV series-compensated power system has been investigated. Effects of various small-signal and large-signal power system disturbances with both identical and non-identical wind turbine parameters (such as with a statistical-spread) has been evaluated. Effect of parameter variations on subsynchronous oscillations has been quantified using 3D-DFT plots and the oscillations have been identified as due to electrical self-excitation effects, rather than torsional interaction. Further, the generator no-load reactance and the rotor-side converter inner-loop controller gains have been identified as bearing maximum sensitivity to either damping or exacerbating the self-excited oscillations. A higher-order spectral analysis method based on modified Prony estimation has been successfully applied to the field records identifying dominant 9.79 Hz subsynchronous oscillations. Recommendations have been made for exploring countermeasures.

Optimal current control for sub-unity power factor correction

Switching mode power supplies (SMPS) are subject to low power factor and high harmonic distortions. Active power-factor correction (APFC) is a technique to improve the power factor and to reduce the harmonic distortion of SMPSs. However, this technique results in double frequency output voltage variation which can be reduced by using a large output capacitance. Using large capacitors increases the cost and size of the converter. Furthermore, the capacitors are subject to frequent failures mainly caused by evaporation of the electrolytic solution which reduce the converter reliability. This thesis presents an optimal control method for the input current of a boost converter to reduce the size of the output capacitor. The optimum current waveform as a function of weighing factor is found by using the Euler Lagrange equation. A set of simulations are performed to determine the ideal weighing which gives the lowest possible output voltage variation as the converter still meets the IEC-61000-3-2 class-A harmonics requirements with a power factor of 0.8 or higher. The proposed method is verified by the experimental work. A boost converter is designed and it is run for different power levels, 100 W, 200 W and 400 W. The desired output voltage ripple is 10 V peak to peak for the output voltage of 200 Vdc. This ripple value corresponds to a ± 2.5% output voltage ripple. The experimental and the simulation results are found to be quite matching. A significant reduction in capacitor size, as high as 50%, is accomplished by using the proposed method.

Occupational exposure to polycyclic aromatic hydrocarbons and DNA damage by industry: a nationwide study in Germany

Exposure to polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and DNA damage were analyzed in coke oven (n = 37), refractory (n = 96), graphite electrode (n = 26), and converter workers (n = 12), whereas construction workers (n = 48) served as referents. PAH exposure was assessed by personal air sampling during shift and biological monitoring in urine post shift (1-hydroxypyrene, 1-OHP and 1-, 2 + 9-, 3-, 4-hydroxyphenanthrenes, SigmaOHPHE). DNA damage was measured by 8-oxo-7,8-dihydro-2'-deoxyguanosine (8-oxodGuo) and DNA strand breaks in blood post shift. Median 1-OHP and SigmaOHPHE were highest in converter workers (13.5 and 37.2 microg/g crea). The industrial setting contributed to the metabolite concentrations rather than the air-borne concentration alone. Other routes of uptake, probably dermal, influenced associations between air-borne concentrations and levels of PAH metabolites in urine making biomonitoring results preferred parameters to assess exposure to PAH. DNA damage in terms of 8-oxo-dGuo and DNA strand breaks was higher in exposed workers compared to referents ranking highest for graphite-electrode production. The type of industry contributed to genotoxic DNA damage and DNA damage was not unequivocally associated to PAH on the individual level most likely due to potential contributions of co-exposures.