Obiettivo 4: Sistemi intelligenti di gestione integrata per migliorare la resilienza e l’affidabilità delle infrastrutture intelligenti basate sull’idrogeno
REFERENTE/I
Massimiliano Luna – CNR
massimiliano.luna@cnr.it
Attività
Progetto e realizzazione prototipale di un convertitore elettronico di potenza ad elevate prestazioni per l’alimentazione di elettrolizzatori dalla rete trifase
Caratteristiche e funzionalità:
• Si è scelta una topologia circuitale che utilizza dispositivi a semiconduttore a banda larga di tipo SiC e prevede due stadi:
Ø Convertitore AC-DC di tipo Active Rectifier (AR), che consente la compensazione di tutte le armoniche di corrente e il funzionamento a fattore di potenza unitario
Ø Convertitore DC-DC di tipo Stacked Interleaved Buck Converter (SIBC), che impiega un apposito circuito per eliminare il ripple sulla corrente lato elettrolizzatore, con estensione della vita utile dello stesso
• Ulteriori vantaggi: elevata power density, basse perdite e basso costo
• Potenza nominale 1 kW, tensione di uscita del primo stadio 630 V DC, tensione di uscita del secondo stadio 86.4 V DC
• Oltre alla progettazione dell’hardware del convertitore, è stato progettato il relativo sistema di controllo a catena chiusa:
Ø Controllo di tipo Space Vector Modulation (SVM) per l’AR
Ø Controllo PID o FOPID per il SIBC
Figura 1
Schema circuitale del convertitore di potenza per elettrolizzatori
Risultati
• Sono state messe a punto due tecniche innovative per la progettazione del regolatore PID o FOPID basate sull’analisi delle superfici descritte dagli autovalori del sistema controllato à massimizzazione delle prestazioni dinamiche mantenendo un adeguato margine di stabilità, anche per grandi variazioni di carico
• Risposta del convertitore al variare del riferimento di corrente da 10 A (864 W) a 1.73 A (140.3 W): errore di corrente a regime nullo, funzionamento stabile e tempo di assestamento pari a 5 secondi come da progetto
• Effettuata validazione mediante approccio Hardware In the Loop (HIL) su simulatore real-time commerciale. Validazione sperimentale in corso mediante prove di laboratorio
Figura 2
Superficie descritta dal polo dominante del convertitore controllato a catena chiusa e risposta del convertitore controllato
Figura 3
Tensioni e correnti del SIBC durante la sequenza di guasti considerata
Team di ricerca
Le attività sono state portate avanti da sei ricercatori del CNR-INM sez. secondaria di Palermo appartenenti alla linea di ricerca «Smart technologies for sustainable and efficient energy conversion and management», coadiuvati dai tecnici della sede, in collaborazione con tre ricercatori del CNR-ITAE appartenenti alla linea di ricerca «Tecnologie sostenibili per la produzione e l’accumulo di energia elettrica».
Il team CNR-INM svolge da quasi 20 anni ricerca per lo sviluppo di metodologie, tecnologie e sistemi per la conversione e la gestione dell’energia, a supporto dei nuovi paradigmi smart per la generazione, la distribuzione e l’utilizzo intelligente, efficiente e sostenibile dell’energia elettrica.
Il team CNR-ITAE sviluppa tecnologie e metodiche per la generazione e l’accumulo di energia a bassa impronta di carbonio, incluso le tecnologie dell’idrogeno e lo storage elettrochimico, per applicazioni nelle smart grids, in campo industriale e in quello automotive.
In collaborazione con
Documenti
Deliverable:
• Report PORH2-D4.2.3.1: Definizione dei requisiti per il convertitore per elettrolizzatori a partire dall’analisi dello stato dell’arte e individuazione di una topologia circuitale idonea
• Report PORH2-D4.2.3.2: Progettazione e simulazione di un proof of concept di convertitore elettronico di potenza ad elevate prestazioni per l’alimentazione di elettrolizzatori
• Report PORH2-D4.2.3.3: Progetto del sistema di controllo del convertitore e relativa validazione mediante approccio Hardware In the Loop (HIL) implementando il modello del convertitore su un simulatore real-time commerciale
• Report PORH2-D4.2.3.4: Realizzazione di un proof of concept di convertitore elettronico di potenza ad elevate prestazioni per l’alimentazione di elettrolizzatori e prove sperimentali
Paper scientifici:
• S. Okba, G. La Tona, G. Marsala, M. C. Di Piazza, M. Luna, “Fault-Tolerant Operation of a Stacked Interleaved DC-DC Buck Converter for PEM Electrolyzers”, accepted for presentation at European Fuel Cell and Hydrogen conference, Capri, Italy, Sept. 15-17, 2026.
• S. Di Girolamo, A. Sferlazza, A. Accetta, M. Pucci, M. Luna, “A Practical PI Controller Design Approach for DC-DC Power Electronic Converters for Electrolyzer Applications”, accepted for presentation at European Fuel Cell and Hydrogen conference, Capri, Italy, Sept. 15-17, 2026.
• S. Okba, G. Marsala, R. Saadi, M. Luna, “Metaheuristic Optimization of Fractional-Order PID Controllers for DC-DC Converters Using Simulation-Based Design”. 16th international conference of the IMACS TC ELECTRIMACS (ELECTRIMACS 2026), 18-21 May 2026, Palermo, Italy.
• G. Marsala, M. Luna, “A Metaheuristic Controller Design Procedure Considering Linear Time-Variant Behavior to Optimize DC-DC Converter Response to Wide Load Variations”, in Transactions on Industry Applications, 2026, early access.
• G. Marsala, M. Luna, “Metaheuristic PID Design to Optimize DC-DC Converter’s Response to Wide Load Variations”, 2024 3rd International Conference on Power Systems and Electrical Technology (PSET), Tokyo, Japan, Aug. 5-8, 2024.
