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Gabriele Grandi

Professore ordinario

Dipartimento di Ingegneria dell'Energia Elettrica e dell'Informazione "Guglielmo Marconi"

Settore scientifico disciplinare: ING-IND/31 ELETTROTECNICA

Temi di ricerca

Temi di ricerca attualmente in corso:

  1. Sistemi elettrici ed inverter polifase.
  2. Generazione e condizionamento dell'energia fotovoltaica.
  3. Convertitori multilivello.


1. Sistemi elettrici ed inverter polifase
Nella configurazione inverter-motore il numero delle fasi dell'inverter e del motore può assumere il significato di "variabile interna" per il sistema. Questo parametro può quindi essere utilizzato per incrementare drasticamente la potenza massima dell'inverter che, a parità di caratteristiche limite degli interruttori statici, aumentata in modo proporzionale al numero delle fasi. Ciò consente di realizzare convertitori di grossa taglia (dell'ordine dei MW) anche con IGBT standard dal costo modesto. Per quanto riguarda gli strumenti matematici, si è rivelato particolarmente utile l'estensione del metodo dei vettori di spazio ai sistemi multifase. In particolare, sono state dettagliatamente descritte trasformazioni ed antitrasformazioni, mettendone in evidenza le correlazione con le corrispondenti componenti simmetriche di Fortescue, relative al caso particolare di regime sinusoidale, e con la trasformata discreta di Fourier (DFT). Con riferimento allo studio della macchina multifase, l'impiego dei vettori di spazio consente di evidenziare in modo sintetico ed elegante le simmetrie e le proprietà di accoppiamento tra le diverse fasi. Per quanto riguarda gli inverter, l'impiego dei vettori di spazio consente l'estensione della modulazione vettoriale (SVM) anche per la configurazione multifase. In questo caso è necessario riferirsi a più vettori, uno per ciascuna delle sequenze del sistema multifase.

2. Generazione e condizionamento dell'energia fotovoltaica

L'attività di ricerca riguarda la sintesi di metodologie di regolazione MPPT e l'individuazione di nuove configurazioni di convertitori per massimizzare efficienza di conversione e flessibilità dei sistemi fotovoltaici grid-connected. Nel caso di impianti di grossa taglia, tipicamente collegati alla rete trifase, è possibile elaborare opportunamente l'apprezzabile ripple introdotto dal convertitore (chopper o inverter) che estrae l'energia dai pannelli, essendo le frequenze di commutazione relativamente modeste. L'inverter trifase può svolgere in questo caso anche la funzione di filtro attivo, contribuendo alla cosiddetta Power Quality della rete elettrica con l'erogazione di potenza reattiva per il rifasamento e/o la compensazione delle armoniche di corrente dovute a carichi non lineari. Nel caso di impianti di piccola potenza, con elevate frequenze di commutazione basso ripple residuo, è stato proposto l'utilizzo delle oscillazioni a 100 Hz introdotte sul bus dc a causa della connessione con la rete monofase a 50 Hz. Per aumentare la flessibilità del sistema è stata inoltre proposta una struttura di conversione modulare basata su unità di generazione a doppio pannello, completamente indipendenti le une dalle altre (stand-alone), collegate in parallelo al bus dc dell'inverter di rete. Ogni unità è dotata di convertitore buck-boost (o fly-back) per regolare dinamicamente la tensione di lavoro dei due pannelli verso il punto di massima potenza. Tale configurazione consente di trasferire l'energia fotovoltaica prodotta verso il bus dc comune, mantenuto ad una prefissata tensione di esercizio dall'inverter di rete, operante in modalità di filtro attivo. In questo caso la tecnica MPPT proposta è basata sul raffronto della tensione o della corrente dei due pannelli, i cui punti di lavoro sono volutamente leggermente spaiati.

3. Convertitori multilivello
Grazie all'utilizzo dei convertitori multilivello è possibile aumentare il range di tensione, e quindi di potenza, utilizzando una opportuna combinazione di componenti che singolarmente gestirebbero tensioni, e quindi potenze, relativamente modeste. Inoltre, la forma d'onda della tensione di uscita assume il tipico andamento a gradini, che consente di ottenere un basso contenuto armonico anche con modeste frequenze di commutazione. La principali problematiche introdotta dalle configurazioni multilivello consistono nelle relativamente complesse strutture di potenza e logiche di protezione, che esulano dalle efficienti e consolidate soluzioni utilizzate per gli inverter trifase tradizionali. Per ovviare a questi inconvenienti, è stata studiata una configurazione di inveter multilivello ottenuta dalla combinazione di due inverter standard con una macchina trifase a sei morsetti (la cosiddetta disposizione open-winding). In particolare, è stato considerato il caso di alimentazioni separate, che presenta diversi vantaggi: assenza di componenti omopolari di corrente e sfruttamento ottimale della tensione dc senza circuiteria aggiuntiva; possibilità di funzionamento con un inverter singolo in caso di guasto o malfunzionamento dell'altro inverter o dell'altra alimentazione, se pur a prestazioni ridotte. L'attività di ricerca ha portato all'individuazione di una tecnica di modulazione innovativa che consente di regolare la ripartizione di potenza tra i due inverter ed al tempo stesso ottenere in una uscita una forma d'onda di tensione multilivello ottimale (distribuita su soli tre livelli adiacenti per ogni ciclo di commutazione).