Metodo di soppressione delle risonanze per inverter monofase con filtro LCL connesso alla rete basato sulla sovrapposizione di smorzamento attivo

Mantenere l’energia rinnovabile silenziosa e stabile

Con l’aumento di abitazioni e imprese che installano pannelli solari sul tetto e altri piccoli generatori, l’elettronica deve immettere energia pulita e stabile in una rete già complessa. Questo articolo affronta un problema sottile ma cruciale: come evitare che questi inverter connessi alla rete “suonino” o risonino in modo da danneggiare apparecchiature o perturbare il sistema elettrico, mantenendo al contempo alta l’efficienza e adattandosi alle condizioni di rete variabili.

Perché i filtri negli inverter possono comportarsi male

Gli inverter moderni collegati alla rete utilizzano un filtro a tre elementi, chiamato filtro LCL, per attenuare le componenti ad alta frequenza generate dalla commutazione prima che l’energia raggiunga la rete. Questo filtro è molto efficace nel bloccare il rumore ad alta frequenza, ma possiede anche una risonanza intrinseca, come un diapason che vibra a una certa frequenza. In prossimità di quella frequenza la corrente può aumentare improvvisamente e la fase elettrica può cambiare bruscamente, mettendo a rischio la stabilità dell’inverter e del collegamento alla rete, soprattutto quando la rete è debole o la sua impedenza varia.

Dai resistori reali ai resistori “virtuali”

Una cura tradizionale è aggiungere smorzamento, che agisce come un ammortizzatore per il filtro. Un’opzione è lo smorzamento passivo, dove resistenze reali vengono inserite nel filtro. Questo è semplice ma disperde energia in calore e riduce la capacità del filtro di eliminare il rumore ad alta frequenza. Un’opzione più raffinata è lo smorzamento attivo: anziché aggiungere resistori fisici, il sistema di controllo dell’inverter usa tensioni o correnti misurate per creare un “resistore” virtuale tramite retroazione. Questo evita perdite aggiuntive e può essere regolato via software, ma nell’hardware digitale il ritardo temporale risultante sposta la risonanza naturale del filtro rispetto al progetto originario.

Sovrapporre due segnali di controllo intelligenti

Gli autori analizzano questo spostamento usando un modello di impedenza virtuale, che rappresenta l’effetto dello smorzamento attivo come una combinazione equivalente di resistenza e reattanza aggiunta al filtro. Dimostrano che un metodo largamente usato — la retroazione della corrente del condensatore — introduce non solo resistenza virtuale ma anche reattanza virtuale una volta considerato il ritardo digitale, e questa reattanza sposta la frequenza di risonanza. Per contrastare questo effetto propongono di sovrapporre due azioni di smorzamento attivo: la già esistente retroazione della corrente del condensatore e un secondo percorso che porta in avanti la tensione del condensatore nel controllo dell’inverter. Scegliendo in modo coordinato i guadagni di questi due percorsi, la parte reattiva indesiderata dell’impedenza virtuale può essere fatta annullare, così la risonanza naturale del filtro rimane dove è stata progettata mentre lo smorzamento complessivo aumenta.

Margine di sicurezza più ampio, stesso punto ottimale

Usando il quadro dell’impedenza virtuale, i ricercatori ricavano condizioni che collegano i due guadagni di controllo in modo che la frequenza di risonanza rimanga fissa ma il picco di risonanza si riduca. In tali condizioni il “resistore virtuale” equivalente visto dal filtro resta positivo, il che significa che smorza effettivamente le oscillazioni anziché eccitarle. È importante che mostrino come, con un’adeguata taratura, lo smorzamento efficace rimanga forte su un’ampia gamma di frequenze — fino a circa un terzo della frequenza di commutazione del sistema. Questa zona di smorzamento più ampia rende l’inverter più robusto rispetto alle incertezze dell’impedenza di rete e dei valori dei componenti, frequenti nelle installazioni reali.

Mettere la teoria alla prova

Per confermare che il concetto funziona oltre le equazioni, il team realizza simulazioni dettagliate e un banco di prova hardware-in-the-loop usando un inverter monofase LCL connesso alla rete. Sottopongono il sistema a diverse debolezze della rete, variazioni improvvise di tensione di rete e cambiamenti rapidi del carico. In tutti i casi la corrente dell’inverter rimane vicina a una sinusoide pulita, con distorsione armonica molto bassa e senza oscillazioni pericolose. Anche quando la rete diventa debole e distorta, la strategia di controllo mantiene la corrente stabile, segue rapidamente le variazioni di tensione e carico e ritorna a funzionamento stazionario in meno di un ciclo della forma d’onda in corrente alternata.

Che cosa significa per gli utenti di energia quotidiani

Per i non specialisti, il punto è che l’articolo propone un modo più intelligente per mantenere i piccoli generatori rinnovabili silenziosi, efficienti e compatibili con la rete. Sovrapponendo con cura due segnali di controllo digitali anziché aggiungere hardware ingombrante, gli autori sopprimono il problema della risonanza del filtro LCL senza sprecare energia o spostare il suo punto operativo naturale. Questo rende gli inverter più tolleranti alle fluttuazioni di rete tipiche del mondo reale e contribuisce a garantire che, man mano che più tetti solari e altre sorgenti distribuite si collegano alla rete, lo facciano in modo fluido, sicuro e con elevata qualità della potenza.

Citazione: Dongdong, C., Li, M., Shengqi, Z. et al. Resonance suppression method for single-phase LCL Grid-tied inverter based on active damping superposition. Sci Rep 16, 5708 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36873-9

Parole chiave: inverter connesso alla rete, filtro LCL, smorzamento attivo, integrazione delle energie rinnovabili, qualità della potenza