Vehicle-to-grid (V2G) and grid conditioning systems

The term Vehicle-to-Grid (V2G) refers to the technology that enables a bidirectional power exchange between the electric grid and the batteries of plug-in electric vehicles (PEV). V2G technology can be a key element of the intelligent network, which may use the batteries of the vehicle as a system of local storage. The vehicle battery may contribute to the stability of the grid and to meeting the energy demand, especially in peak hours. A PEV needs a bidirectional charger to implement V2G, and, consequently, the studies regarding their design, functionality and efficiency are of the utmost interest. This thesis describes the state of art of these chargers and discusses some aspects of a bi-directional converter and some case studies related to this topic. The main objective of this work is to develop the design and the control algorithms of a bidirectional battery charger with capability to charge the battery of a PEV and simultaneously to act as an active filter for the supply line. After the first introductory chapter, the second chapter reports the terminology used in this field of research. Several smart strategies for charging, approaches for the implementation of the battery chargers for PEVs and the recharging standards are briefly described. The analysis of different types of charger is detailed in chapter three. The conventional battery chargers (CBC) with front-end formed by a diode rectifier, battery chargers with power factor correction (PFC), bi-directional battery chargers (BBC), and integral battery chargers (IBC) are considered. In chapter four, definitions are given of the electrical power in non-sinusoidal conditions, together with some examples of the inadequacies of the classical power theory in describing non-linear phenomena that occur during the operation of a power system. The fifth chapter presents the basic concepts of the theory of instantaneous active and reactive power (also known as p-q theory) applied to the compensation of non-sinusoidal systems. Definition of real, imaginary and zero sequence power are introduced and it is shown how this theory makes it easier to understand the phenomena caused by non-sinusoidal voltages or currents. The theory is particularly suitable for the design of a battery charger when it is seen as a power conditioner. Chapter six is devoted to the basic concepts of shunt active filters. They can perform different types of functions, such as the compensation of current harmonics generated by nonlinear loads to prevent their propagation in the network. The compensation algorithm based on powers defined in reference  is very flexible and therefore the theory of instantaneous power has been considered as the basis for the development of the control system of active filters. Some examples of compensation described in the previous chapter were simulated and the results have been included. In chapter seven, sizing of the power devices that constitute the battery charger is considered in relation to the various auxiliary services that it can provide. The power electronic switches, the coupling inductors and the other passive components have been sized in voltage and current. In chapter eight it is considered a charger that supplies its load and simultaneously compensates for non-linear loads connected nearby. These additional features in terms of power conditioning were quantified in order to determine the capacity of a battery charger that is formed by given active and passive components to support the network acting as an active filter. In the ninth chapter the filter inductances of a battery charger are sized for a specific case study in which it is required the capability to recharge the battery and to inject active power in the network, both in the case of single-phase and three-phase connection. Evaluation of the ripple current is an important requirement for the design of inductors. Therefore a precise calculation was made of this magnitude both in the case of a battery charger connected to the single phase grid and operating according to the PWM technique, and, in the case of connection to the three-phase grid, operating according to the technique SVM. In chapter ten a case study is considered regarding the design of an LCL filter. Chapter eleven contains a theoretical study of resonant controllers. They solve the problem posed by the conventional PI controllers that, when used for the control of alternate quantities as it occurs for the currents of a DC/AC converter, are not able to cancel the steady state error due to the finite gain at the operating frequency. Instead, a resonant controller has a gain ideally infinite at the operating frequency and thus ensures a zero steady-state error. The effectiveness of the resonant regulators has been verified by means of simulations. Chapter twelve deals with the regulations regarding connectors, charging modes and ways of connecting the PEV chargers to the grid. They are intended to define a charging procedure common to all the PEVs and to all the charging infrastructures, whether public or private.

Il termine Vehicle-to-Grid (V2G) si riferisce alla tecnologia che permette uno scambio di potenza bidirezionale tra la rete elettrica e le batterie dei veicoli elettrici di tipo plug-in (PEV). La tecnologia V2G può essere un elemento chiave della rete intelligente, che può utilizzare le batterie dei veicoli come un sistema di accumulo locale. Le batterie dei veicoli possono contribuire alla stabilità della rete e a soddisfare la domanda di energia soprattutto nelle ore di punta. Un PEV ha bisogno di un caricatore bidirezionale per implementare il V2G, e, di conseguenza, gli studi riguardo il loro progetto, la funzionalità e l'efficienza sono del massimo interesse. Questa tesi descrive lo stato dell’arte di questi caricabatteria e tratta alcuni aspetti di un convertitore bidirezionale e alcuni casi di studio relativi a questo argomento. L'obiettivo principale di questo lavoro è di sviluppare il progetto e gli algoritmi di controllo di un caricabatteria bidirezionale con capacità di caricare la batteria di un veicolo plug-in e contemporaneamente di agire come filtro attivo nei confronti della linea di alimentazione. Dopo il primo capitolo introduttivo, nel secondo capitolo viene riportata la terminologia usata in questo campo di ricerca. Vengono anche brevemente descritte diverse strategie intelligenti di ricarica, gli approcci per la realizzazione dei caricabatteria dei PEV e gli standard di ricarica. L’analisi dei vari tipi di caricabatteria viene approfondita nel terzo capitolo. Sono considerati il caricabatteria tradizionale (CBC) con front-end costituito da un raddrizzatore a diodi, il caricabatteria dotato di correttore del fattore di potenza (PFC), il caricabatteria bidirezionale (BBC), e il caricabatteria integrale (IBC). Nel capitolo quattro vengono date le definizioni della potenza elettrica in condizioni non sinusoidali assieme ad alcuni esempi delle inadeguatezze della teoria classica della potenza nel descrivere fenomeni non lineari che si verificano durante il funzionamento di un sistema di potenza. Nel quinto capitolo sono presentati i concetti di base della teoria potenza istantanea attiva e reattiva (nota anche come teoria pq) applicata alla compensazione di sistemi non sinusoidali. Vengono introdotte le definizioni della potenza reale, immaginaria e di sequenza zero e viene mostrato come questa teoria renda agevole la comprensione dei fenomeni causati da tensioni o correnti non sinusoidali. Essa è particolarmente adatta per il progetto di un caricabatteria quando esso viene visto come un condizionatore di potenza. Il capitolo sei è dedicato ai concetti di base dei filtri attivi di tipo shunt. Essi possono svolgere diversi tipi di funzioni, come la compensazione delle armoniche di corrente generate da carichi non lineari impedendo la loro propagazione nella rete. L’algoritmo di compensazione basato sulle potenze definite nel riferimento αβ è molto flessibile e quindi la teoria della potenza istantanea è stata considerata come la base per lo sviluppo del sistema di controllo dei filtri attivi. Alcuni esempi di compensazione descritti nel capitolo precedente sono stati simulati e sono stati riportati i risultati. Nel capitolo sette è considerato il dimensionamento dei dispositivi di potenza che costituiscono il caricabatteria in relazione ai diversi servizi ausiliari che esso può fornire. Sono stati dimensionati in tensione e corrente gli interruttori elettronici di potenza, gli induttori di accoppiamento con la rete e gli altri componenti passivi. Nel capitolo otto viene considerato un caricabatteria che alimenta il proprio carico e contemporaneamente compensa i carichi non lineari connessi nelle vicinanze, costituiti da raddrizzatori. Queste funzionalità aggiuntive in termini di condizionamento della potenza di rete sono state quantificate al fine di determinare la capacità di un caricabatteria costituito da determinati componenti attivi e passivi di supportare la rete svolgendo la funzione di filtro attivo. Nel nono capitolo sono state dimensionate le induttanze di filtro di un caricabatteria per uno specifico caso di studio in cui era richiesta la capacità sia di ricaricare la batteria che di iniettare potenza attiva in rete, sia nel caso di connessione monofase che trifase. La conoscenza dell’ampiezza dell’ondulazione di corrente è un requisito importante per il dimensionamento delle induttanze. Perciò è stato effettuato un calcolo preciso di questa grandezza sia nel caso di un caricabatteria connesso alla rete monofase e operante secondo la tecnica di PWM, sia nel caso di connessione alla rete trifase e adozione della tecnica SVM. Nel capitolo dieci viene considerato un caso di studio riguardo il dimensionamento di un filtro LCL. IL capitolo undici contiene uno studio teorico dei regolatori risonanti. Essi risolvono il problema posto dai convenzionali regolatori PI, che quando sono impiegati per il controllo di grandezze alternate, come accade nel caso delle correnti in un convertitore dc-ac, non sono in grado di annullare l’errore a regime a causa del guadagno finito alla frequenza di funzionamento. Un regolatore risonante presenta invece un guadagno idealmente infinito alla frequenza di funzionamento e quindi garantisce un errore a regime nullo. L’efficacia dei regolatori risonanti è stata verificata per mezzo di simulazioni. Nel capitolo dodici sono riportate le normative riguardanti i connettori, le modalità di ricarica e la connessione dei caricabatteria dei PEV alla rete elettrica. Esse mirano a definire una procedura di ricarica comune a tutti i PEV e tutte le infrastrutture di ricarica, siano esse pubbliche o private.