Progettazione e Controllo di un Convertitore Multilivello AC-AC a Quattro Quadranti per Applicazioni nel Settore Oil & Gas.

The Oil and Gas industry undergoes constant technological and electrical evolution. The aim of this master's thesis is to explore, among the latest innovations in this field, a power electronic converter proposed by Nidec ASI S.p.A. enterprise. The focus is on optimizing gas turbine efficiency and energy exchange with the grid. The proposed circuit topology features a multilevel AC-AC converter with N-cells, each one characterized by two conversion stages: the input AC-DC stage working as an Active Front-End (AFE) rectifier, and the output DC-AC Inverter stage. Noteworthy aspects of this configuration include four-quadrant operation and the modularity of the scheme, the latter enabling a higher output voltage and enhanced energy saving. Moreover, a key focus has been placed on examining another vital component of the circuit: the multi-winding transformer, essential for ensuring galvanic isolation among the cells. The study demonstrates how imbalances in this transformer, due to the leakage fluxes, can be mitigated through an efficient control system. Real-time simulations support the entire study, validating the results that have been achieved.

Il settore Oil & Gas è sempre in continuo sviluppo dal punto di vista tecnologico ed elettrico. Lo scopo di questa tesi magistrale è quello di approfondire, tra le ultime innovazioni nel campo, un convertitore elettronico di potenza proposto dall’azienda Nidec ASI S.p.A. atto ad ottimizzare l’efficienza delle turbine a gas e lo scambio energetico con la rete. Tale topologia circuitale prevede un convertitore multilivello AC-AC con N celle, ognuna delle quali caratterizzata da due stadi di conversione: un AC-CC di ingresso funzionante come raddrizzatore attivo, mentre un CC-AC di uscita operante come inverter. Tra gli aspetti più significativi di questa configurazione vi sono l’operazione a quattro quadranti e la modularità dello schema; quest’ultima permette di raggiungere un valore più alto di tensione in uscita, limitando le dissipazioni energetiche. Inoltre, in particolare, è stato analizzato un altro elemento cruciale del circuito: il trasformatore multi-avvolgimento, necessario per garantire isolamento galvanico tra le celle. È stato dimostrato come gli squilibri di tale trasformatore, causati dall’effetto del flusso disperso, riescano ad essere mitigati da un efficiente sistema di controllo. Tutto il lavoro è stato supportato, infine, da simulazioni real-time, le quali hanno confermato i risultati ottenuti.