Study on the protection coordination in AC microgrid

In the last decades, the penetration of distributed energy resources (DERs) has increased significantly at the distribution level of power grid. The presence of these resources in the grid allows the overcoming of many issues and shortfalls of the traditional power system. The concept of microgrid is emerging as an attractive solution for the integration of DERs in the distribution networks. A microgrid can be considered as a small-scale grid that is able to operate in both grid-connected and islanded modes. Despite the environmental, technical and economic benefits, several challenges are still hindering the developments of microgrids. One of them is the protection issue. The objective of this thesis is to analyse the protections behaviour in a test facility located in RSE S.p.a. through simulation tests, in order to understand when and where protections do not operate properly. The simulations have been performed in Matlab® / Simulink environment where the real network and unit parameters have been considered in order to represent the real behaviour of the microgrid. The microgrid is composed of a PV and small wind plants, storage systems and a microturbine, which is connected as a synchronous generator. In addition, two loads are connected to the microgrid. Several scenarios have been analysed and for each scenario several fault locations and different fault strength have been considered. The results show that the microgrid protections are able to detect and isolate every possible fault when the microgrid is connected to the utility grid, while they may fail in islanded operation mode. Finally, in islanded mode, the percentage of power supplied by inverters, compared to the one that is provided by rotating machines, has been reduced in order to find the maximum percentage of power generated by inverters necessary to allow the protections to work correctly. Through simulation it is proved that the reduction of this percentage to about fifty per cent of the microgrid capacity would be enough for a proper operation of the microgrid protections.

Negli ultimi decenni, l’integrazione delle risorse energetiche distribuite (DER) è aumentata in modo significativo nelle reti elettriche di distribuzione. La presenza di queste risorse nella rete consente il superamento di molti problemi e carenze del sistema elettrico tradizionale. Il concetto di microrete sta emergendo come una soluzione allettante per l'integrazione di queste risorse. Una microrete può essere considerata come una rete su piccola scala in grado di operare sia in modalità connessa alla rete di distribuzione che in modalità isola. Nonostante i vantaggi ambientali, tecnici ed economici, diverse questioni stanno ancora ostacolando lo sviluppo delle microreti. Uno di questi è il problema delle protezioni. L'obiettivo di questa tesi è di analizzare il comportamento delle protezioni in un impianto di prova situato in RSE S.p.a. attraverso test di simulazione, per capire quando e dove le protezioni non funzionano correttamente. Le simulazioni sono state eseguite in Matlab® / Simulink, dove sono stati considerati i parametri reali della rete e dei componenti in modo da rappresentare il comportamento effettivo dell’impianto. La microrete è composta da un impianto fotovoltaico e un piccolo impianto eolico, sistemi di accumulo e una microturbina, che è collegata attraverso un generatore sincrono; inoltre due carichi sono collegati alla rete. Diversi scenari sono stati analizzati e per ogni scenario sono state prese in considerazione diversi punti e livelli di guasto. I risultati mostrano che le protezioni della microrete sono in grado di rilevare e isolare ogni possibile guasto quando la microrete è collegata alla rete di distribuzione, mentre potrebbero non funzionare correttamente in modalità isola. In quest’ultimo caso, la percentuale di potenza fornita dagli inverter, rispetto a quella fornita dalle macchine rotanti, è stata ridotta, al fine di trovare la massima percentuale di potenza generata dagli inverter necessaria per consentire il corretto funzionamento delle protezioni. Attraverso le simulazioni si dimostra che la riduzione di questa percentuale a circa il cinquanta per cento della capacità della microrete sarebbe sufficiente per un corretto funzionamento delle protezioni.