Fault analysis and protection in LVDC microgrids with front-end converters

The possibility to use LVDC distribution networks is under consideration in recent years. DC electrical distribution offers several advantages compared to AC in many applications, such as data centers, marine installations, aircraft electric systems and in particular in LV distribution in the presence of sensitive loads, distributed generation and energy storage systems. Generators, loads and, in particular, power electronic converters used in LVDC microgrids influence the type of fault and the intensity of fault currents, which also depend on the ground connections of the live parts. Conventional wisdom is that electronic converters limit currents in any situation, hence fault current level is no longer a concern in circuit design. While this might indeed be the case for some specific situations, there are others in which converters are not able to limit fault current. This thesis deals with these issues carrying out a deep analysis of the different types of faults that can occur, in order to define proper overcurrent and ground fault protections. Starting from a wide survey on the existing studies on faults in LVDC distribution systems, this work presents the numerical simulation results of faults in a LVDC microgrid and describes the converter behavior in fault condition. Then the model has been verified by several experimental tests at RSE test facility. After comprehensive fault analysis, DC protection system design considerations are presented. In particular, a new zero-sequence ground fault current control methodology is explained. Subsequently, results of tests performed on a prototype solid-state circuit breaker, as well as on a new residual current device able to work in DC systems are shown. Finally, a new methodology to detect DC ground fault and discriminating it from capacitive leakage is presented.

La possibilità di utilizzare reti di distribuzione LVDC è allo studio negli ultimi anni. La Distribuzione elettrica in corrente continua offre diversi vantaggi rispetto a quella in corrente alternata in molte applicazioni, come ad esempio data centers, installazioni a bordo nave, sistemi elettrici degli aeromobili e in particolare nella distribuzione in bassa tensione in presenza di carichi sensibili, generazione distribuita e sistemi di accumulo di energia. Generatori, carichi e, in particolare, convertitori elettronici di potenza utilizzati nelle microreti in bassa tensione in corrente continua influenzano il tipo di guasto e l'intensità delle correnti di guasto, che dipendono anche dai collegamenti a terra delle parti attive. Opinione diffusa è che i convertitori elettronici limitino le correnti in qualsiasi situazione, quindi il livello della corrente di guasto non è più un problema nella progettazione di circuiti. Mentre questo potrebbe infatti essere il caso di alcune situazioni particolari, ci sono altri casi in cui convertitori non sono in grado di limitare la corrente di guasto. Quindi, questa tesi affronta tali problematiche svolgendo un’approfondita analisi dei diversi tipi di guasto che possono verificarsi, al fine di definire adeguate protezioni di massima corrente e di guasto a terra. Partendo da un'ampia rassegna sugli studi esistenti sui guasti nei sistemi di distribuzione in continua in bassa tensione, questo lavoro presenta i risultati della simulazione numerica di guasti in una microrete in corrente continua in bassa tensione e descrive il comportamento del convertitore in condizione di guasto. Successivamente il modello è stato verificato da diverse prove sperimentali effettuate sulla microrete installata presso RSE. Dopo l’approfondita analisi dei guasti, vengono effettuate considerazioni sulla progettazione del sistema di protezione della microrete in corrente continua. In particolare, viene illustrata una nuova metodologia di controllo della corrente omopolare di guasto a terra. Successivamente, sono mostrati i risultati di tests effettuati su un prototipo di interruttore automatico statico, così come, su un nuovo dispositivo differenziale in grado di lavorare in sistemi in corrente continua. Infine, viene presentato un nuovo metodo per rilevare la corrente di guasto a terra DC e per discriminarla dalla corrente di dispersione.