Elenco degli argomenti di tesi in Elettronica di Potenza

 

1. Progettazione e controllo di convertitori multilevel per l’interfacciamento in rete dei sistemi di accumulo di energia a batteria (BESS)

L’attività di ricerca mira a investigare la possibilità di utilizzare convertitori multilevel, come il Cascaded H-Bridge (CHB), il Modular Multilevel Converter (MMC) o strutture multilevel riconfigurabili, per sostituire l’inverter convenzionale a due livelli nell’interfacciamento in rete dei BESS.
La motivazione principale riguarda la possibilità di suddividere le celle del pacco batterie in gruppi più piccoli, con tensione di alimentazione ridotta, direttamente collegati alle singole celle del convertitore multilevel. Idealmente, ogni modulo è connesso a una singola cella della batteria.

I vantaggi di questa soluzione includono la possibilità di utilizzare dispositivi a semiconduttore di bassa potenza, riducendo costi e perdite; eliminare la necessità di un BMS, le cui funzioni possono essere gestite direttamente dalle singole celle del convertitore; migliorare la qualità delle forme d’onda di tensione e corrente, aumentando l’efficienza complessiva; e ridurre i volumi e i costi dei filtri e degli elementi passivi del convertitore.

Tuttavia, le complessità di tipo topologico, costruttivo e di controllo pongono sfide significative per l’implementazione di questa tecnologia nel campo automobilistico, rappresentando argomenti di ricerca altamente attuali e innovativi.

Le attività di tesi in quest’area possono includere:

  • Aspetti di progettazione e costruzione legati all’ottimizzazione di topologie, dispositivi e PCB.

  • Implementazione hardware di prototipi sperimentali e attività di testing.

  • Sviluppo di tecniche di modulazione innovative per migliorare le prestazioni del sistema, la qualità della potenza e l’efficienza.

  • Sviluppo di tecniche di controllo per la gestione lato batteria (bilanciamento della carica e scarica delle celle).

  • Studio e confronto di diverse soluzioni topologiche rispetto agli standard attuali in termini di efficienza, prestazioni, volumi, peso e costi.

2. Convertitori multiporta per l’integrazione di sistemi di accumulo e fonti rinnovabili in moderne microreti in corrente continua (DC microgrids)

Le microreti DC stanno diventando una soluzione sempre più interessante nelle reti elettriche moderne. Una microrete DC è un sistema di potenza localizzato che distribuisce e gestisce energia elettrica in corrente continua (DC) tra sorgenti interconnesse (come pannelli solari, celle a combustibile e batterie) e carichi DC (come illuminazione a LED, dispositivi elettronici e caricabatterie per veicoli elettrici).
A differenza delle microreti AC tradizionali, le microreti DC eliminano le multiple conversioni AC/DC, migliorando l’efficienza, l’affidabilità e la compatibilità con le fonti rinnovabili e i sistemi di accumulo. Esse trovano crescente applicazione in aree remote, data center e edifici intelligenti, offrendo soluzioni di gestione dell’energia flessibili, resilienti ed efficienti.

Questa attività mira a sviluppare architetture innovative per l’integrazione dei sistemi di accumulo con le fonti rinnovabili (RES) all’interno delle microreti DC, esplorando topologie di conversione multistadio e/o multiporta caratterizzate da un numero minimo di componenti, alta efficienza, basso costo e sistemi di controllo ottimizzati per la gestione dei flussi di potenza, al fine di massimizzare l’estrazione di energia dalle RES e l’efficienza dell’accumulo.

Le possibili attività di tesi includono:

  • Studio, progettazione e sviluppo di architetture di conversione bidirezionali multiporta e/o multistadio per l’integrazione di sistemi di accumulo e RES in microreti DC, includendo un’eventuale porta per la connessione AC, mirate alla massimizzazione dell’estrazione di potenza, dell’efficienza di conversione e accumulo, dell’affidabilità e della qualità della potenza.

  • Aspetti di progettazione e costruzione dei convertitori con focus sull’ottimizzazione topologica rispetto a efficienza, costo e densità di potenza.

  • Sviluppo e implementazione di sistemi di controllo per la gestione dei flussi di potenza.

  • Studio e sviluppo di tecniche di modulazione e controllo innovative per l’interfacciamento tra batterie e fonti rinnovabili.

3. Modellazione e controllo di convertitori di potenza connessi a reti ad alta densità elettronica per migliorare stabilità e qualità della potenza

Con l’avvento delle smart grid, l’aumento della generazione distribuita e la diffusione di carichi che richiedono alimentazioni regolate, un numero sempre maggiore di convertitori elettronici di potenza viene connesso ai sistemi di distribuzione elettrica. Ciò comporta un incremento dell’immissione di armoniche nella rete, con conseguente riduzione della qualità della potenza e possibili interazioni indesiderate tra diversi convertitori.
Il problema è particolarmente critico nelle reti deboli o isolate, come le microreti o quelle presenti su navi e aeromobili. In tali contesti, i convertitori – spesso provenienti da produttori diversi – interagiscono in modo non coordinato. Sebbene siano progettati per operare singolarmente, una volta integrati nella stessa rete le loro prestazioni si degradano, causando talvolta instabilità.

L’attività di ricerca si propone di studiare soluzioni innovative per l’integrazione dei convertitori e dei sistemi in rete tramite tecniche avanzate di controllo dei flussi di potenza, che includono la stima dell’impedenza e dei parametri di rete visti dal convertitore e l’ottimizzazione delle azioni di controllo in funzione dello stato della rete e di specifiche funzioni di costo.

Le possibili attività di tesi includono:

  • Studio degli effetti dei convertitori sulla stabilità di rete e modellazione del sistema.

  • Sviluppo e implementazione di tecniche per la stima dell’impedenza di rete vista ai terminali dei convertitori connessi.

  • Sviluppo e implementazione di tecniche di controllo ottimizzate in base al tipo e allo stato della rete in cui il convertitore è integrato.

4. Strategie di controllo avanzate per convertitori e azionamenti elettrici

Negli ultimi anni, a causa della diffusione crescente di convertitori e azionamenti elettrici e dei notevoli progressi nei sistemi digitali per l’implementazione del controllo, sono state sviluppate numerose strategie di controllo ad alte prestazioni, tra cui il Model Predictive Control (MPC).

L’MPC determina l’azione di controllo ottimale a ogni istante minimizzando una funzione di costo basata sulla previsione degli errori futuri. Esistono due principali tipologie di MPC:

  • MPC implicito, che calcola l’azione di controllo per il passo successivo sulla base di un modello del sistema e delle previsioni della sua risposta transitoria. Questo metodo è computazionalmente oneroso, ma può essere implementato su sistemi FPGA.

  • Nei convertitori di potenza, si utilizza spesso l’MPC a stati finiti, in cui l’azione di controllo è selezionata da un insieme limitato di stati possibili del convertitore. Questo approccio è più semplice da implementare ma offre prestazioni inferiori in regime stazionario.
    La ricerca in questo ambito include lo studio e l’implementazione di MPC modulato e strategie con orizzonte di predizione lungo.

Le possibili attività di tesi includono:

  • Sviluppo digitale e implementazione di tecniche MPC implicite, spingendo i limiti dei sistemi di calcolo (microcontrollori, DSP, FPGA) per massimizzare le prestazioni dinamiche del convertitore.

  • Sviluppo digitale e implementazione di tecniche MPC a stati finiti, con focus su strategie modulate e con orizzonte di predizione lungo.

  • Utilizzo di tecniche MPC per la stima dell’impedenza e dei parametri di rete visti dal convertitore.

 

5. Applicazioni dell’Intelligenza Artificiale all’Elettronica di Potenza

Modellazione basata su AI e diagnostica dei guasti per convertitori elettronici di potenza

Questa ricerca sviluppa metodologie avanzate di intelligenza artificiale per il condition monitoring, la diagnostica dei guasti e l’identificazione di sistema nei moderni convertitori di elettronica di potenza. Il lavoro integra modelli data-driven con conoscenze specifiche dell’elettronica di potenza, al fine di creare strumenti diagnostici rapidi, accurati e affidabili, adatti ad applicazioni real-time ed embedded. I principali contributi includono:

  • Architetture LSTM “shallow” per una classificazione sequenziale veloce e a bassa latenza delle condizioni operative dei convertitori.

  • Estrazione di caratteristiche basata su CNN da segnali di corrente/tensione e da rappresentazioni a spettrogramma per una localizzazione gerarchica dei guasti.

  • Una nuova rete neurale 1D Convolutional-Transformer (1D-CTNN) che combina caratteristiche locali convoluzionali con attenzione globale per una diagnostica dei guasti robusta in diversi scenari operativi.

  • Pipeline AI integrate per il monitoraggio real-time dei convertitori, la manutenzione predittiva e l’aumento dell’affidabilità del sistema.

Modellazione tramite Digital Twin e stima delle condizioni di rete per sistemi energetici intelligenti

L’attuale direzione di questo lavoro si estende verso la realizzazione di modelli digital twin dei convertitori di potenza e lo sviluppo di metodologie di stima dell’impedenza e delle condizioni della rete basate su AI.

6. Elettronica di potenza per applicazioni nella fusione nucleare

La fusione nucleare rappresenta una tecnologia allo stato dell’arte in fase di sviluppo e un tema centrale per molte istituzioni accademiche e aziende in tutto il mondo. L’Europa guida attualmente il più ambizioso esperimento di fusione, ITER, situato a Cadarache, in Francia. L’Italia contribuisce a questo sforzo tramite la struttura Divertor Tokamak Test Facility di Frascati.

In un reattore a fusione, un plasma a temperature estremamente elevate deve essere confinato nel vuoto utilizzando campi magnetici generati da correnti controllate da dispositivi di elettronica di potenza. Questo rende tale settore dell’ingegneria fondamentale per ottenere un confinamento stabile del plasma.

Una tesi in quest’area può riguardare la progettazione e l’ottimizzazione di un convertitore di elettronica di potenza e delle strategie di controllo necessarie per generare le correnti utilizzate per il confinamento del plasma. In alternativa, può trattare la caratterizzazione dei sistemi elettrici dedicati al riscaldamento del plasma, come le unità di iniezione di fasci neutri o negativi. Le principali sfide poste da una tesi di questo tipo riguardano non solo il controllo dei convertitori, ma anche la gestione di correnti molto elevate, che possono raggiungere decine di kA.

Un progetto di tesi di questo genere comporterebbe:

  • lo studio dei fondamenti della fusione del plasma e del ruolo delle bobine e degli attuatori all’interno del reattore

  • la modellazione dell’architettura di convertitore più adatta a soddisfare i requisiti di corrente del plasma

  • la progettazione della strategia di controllo più appropriata per i convertitori

  • l’analisi dei dispositivi a semiconduttore necessari a implementare il sistema

7. Convertitori DC/DC isolati per applicazioni nei trasporti e nei data center

I convertitori DC-DC isolati, come i convertitori Dual Active Bridge (DAB) e i convertitori risonanti LLC, sono componenti fondamentali in molti settori grazie alla loro elevata efficienza, dimensioni compatte e all’isolamento galvanico, che garantisce un trasferimento di potenza sicuro e affidabile tra diversi domini di tensione. Essi permettono funzioni critiche in:

  • Alimentatori per data center: per ottenere un’uscita DC a bassa tensione (ad es. 12 V o 48 V) da un bus DC tipico da 400 V, o dalle nuove architetture a 800 V DC.

  • Reti DC a media tensione (MVDC): per integrare fonti rinnovabili, interconnettere diversi livelli di tensione e fornire isolamento galvanico per aumentare l’affidabilità del sistema.

  • Veicoli elettrici e ibridi (EV e HEV): per ricavare un bus DC a bassa tensione (LVDC) dal pacco batteria ad alta tensione (HV).

  • Sistemi di trasporto oltre EV e HEV, inclusi ferrovie e velivoli More-Electric, in cui l’elevata densità di potenza e l’efficienza contribuiscono a ridurre peso e ingombro.

Possibili argomenti di tesi includono:

  • Progettazione e simulazione di convertitori DAB con schemi di controllo convenzionali o innovativi.

  • Progettazione e simulazione di convertitori LLC in funzionamento open-loop o con controllo di tensione.

  • Tecniche di modellazione nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo per convertitori DAB e LLC.

  • Valutazione dell’efficienza tramite metodi analitici e simulativi.