La Prossima Generazione di Trasformatori Elettrici: L’Evoluzione Promossa dall’Elettronica di Potenza

In recent decades, the increase in environmental pollution and the rising cost of fossil fuels have prompted major global powers to pursue cleaner and renewable energy sources as a means of safeguarding the planet. The COP28, held in Dubai, concluded with the objective of achieving net-zero global emissions by 2050. The incorporation of small-scale renewable energy generation into the grid has resulted in a significant transformation of the electrical distribution system. Previously, the grid was characterized by unidirectional power flow. In contrast, the current context has seen a transformation in which consumers have become "active actors", capable of injecting power into the electrical grid. The advent of this new scenario has increased the complexity of modern electrical network management, necessitating greater flexibility, efficiency, and control capabilities. In order to achieve those requirements, new functionalities and equipment are employed and are currently under investigation. Among the various technologies considered, power electronics solutions are promising ones. In particular, the incorporation of these technologies into existing systems has the potential to significantly enhance performance and expand functionality. One of the most advanced solutions is the Solid-State Transformer (SST), also known as a Power Electronic Transformer (PET) or Intelligent Transformer. This technology has the potential to overcome the limitations of traditional Low-Frequency Transformers (LFTs). In contrast to traditional transformers, which are characterized by bulkiness, high operational costs and the lack of power flow controllability, in this new scenario, SSTs offer significant advantages in terms of advanced power control, weight and volume reduction and thus improved integration of renewable energy sources. This thesis aims to provide a detailed examination of the current state of the art of Solid-State Transformers, beginning with an introductory overview of the technology and its motivations. The second chapter explores the various architectures and configurations proposed for these transformers. The third chapter offers a detailed analysis of one of the most common and advanced topologies, namely the three-stage one, highlighting its benefits and challenges. Chapter four discusses the practical applications of SSTs, emphasizing the sectors where this technology could have a significant impact. Chapter five examines the main current projects implementing SSTs, providing concrete examples of the progress achieved. Finally, the last chapter focuses on the future challenges that SST technology must overcome for broader deployment and commercial adoption. The thesis concludes with a consideration of the potential of SSTs in the context of the energy transition and on the future directions of research and development in this field.

Negli ultimi decenni, l'aumento dell'inquinamento ambientale e il crescente costo dei combustibili fossili hanno spinto le principali potenze globali a perseguire fonti di energia più pulite e rinnovabili come mezzo per salvaguardare il pianeta. La COP28, tenutasi a Dubai, si è conclusa con l'obiettivo di raggiungere emissioni nette globali pari a zero entro il 2050. L'incorporazione di piccole generazioni di energia rinnovabile nella rete elettrica ha comportato una trasformazione significativa del sistema di distribuzione elettrica. In passato, la rete era caratterizzata da un flusso di potenza unidirezionale. Al contrario, il contesto attuale ha visto una trasformazione in cui i consumatori sono diventati "attori attivi", capaci di immettere energia nella rete elettrica. L'avvento di questo nuovo scenario ha aumentato la complessità nella gestione delle moderne reti elettriche, richiedendo maggiore flessibilità, efficienza e capacità di controllo. Per raggiungere tali obiettivi, vengono impiegate nuove funzionalità e apparecchiature, attualmente in fase di studio. Tra le varie tecnologie considerate, le soluzioni basate sull'elettronica di potenza sono particolarmente promettenti. In particolare, l'integrazione di queste tecnologie nei sistemi esistenti ha il potenziale per migliorare significativamente le prestazioni e ampliare le funzionalità. Una delle soluzioni più avanzate è il Trasformatore a Stato Solido (SST), noto anche come Trasformatore Elettronico di Potenza (PET) o Trasformatore Intelligente. Questa tecnologia ha il potenziale per superare i limiti dei trasformatori tradizionali a bassa frequenza (LFT). A differenza dei trasformatori tradizionali, caratterizzati da ingombro, alti costi operativi e mancanza di controllo sul flusso di potenza, in questo nuovo scenario gli SST offrono vantaggi significativi in termini di controllo avanzato della potenza, riduzione di peso e volume, e quindi un miglioramento dell'integrazione delle fonti di energia rinnovabile. Questa tesi ha lo scopo di fornire un esame dettagliato dello stato dell'arte dei trasformatori a stato solido, iniziando con una panoramica introduttiva della tecnologia e delle sue motivazioni. Il secondo capitolo esplora le varie architetture e configurazioni proposte per questi trasformatori. Il terzo capitolo offre un'analisi dettagliata di una delle topologie più comuni e avanzate, ovvero quella a tre stadi, evidenziandone i vantaggi e le sfide. Il quarto capitolo discute le applicazioni pratiche degli SST, con particolare enfasi sui settori in cui questa tecnologia potrebbe avere un impatto significativo. Il quinto capitolo esamina i principali progetti attuali che implementano gli SST, fornendo esempi concreti dei progressi raggiunti. Infine, l'ultimo capitolo si concentra sulle sfide future che la tecnologia SST deve affrontare per una più ampia diffusione e adozione commerciale. La tesi si conclude con una riflessione sul potenziale degli SST nel contesto della transizione energetica e sulle future direzioni di ricerca e sviluppo in questo campo.