Real time simulation for low-voltage circuit breaker testing

A microgrid is a small-scale power grid composed of distributed generation, distributed storage and loads, which can operate in parallel with the grid or autonomously as a power island. The microgrid concept has been proposed in order to integrate distributed energy resources without small negative impact on the distribution system. However, convention protection schemes have to continue working within this unfamiliar microgrid structure reliably and securely. One of the main devices for the protection of distribution networks is the circuit breaker. Those devices are designed to protect electrical grids from short circuits faults. Since the ability of the circuit-breaker to disconnect a part of the electrical network in case of necessity, is critical, it becomes essential to check the operation of the circuit breakers’ overcurrent protection. Unfortunately, very little testing with real hardware is available today. As the result, without a practical solution for microgrid protection, microgrids are unlikely to receive wide acceptance. The hardware-in-the-loop (HIL) simulation is a technique used to develop and test complex, unknown systems and includes the electrical emulation of protection functions. The objective of this thesis is to present the theoretical information about this technique and modeling of microgrids for protection testing using a real time digital simulator. In addition, the construction of a hardware-in-loop test bed using real circuit breaker is detailed. During the work, a real-time simulation model of a low voltage microgrid with different kinds of loads and generators was developed using the real-time digital simulator Typhoon HIL. Under the test, protection functions performance verification, according to different network configurations, occurs at the same time as the network is checked. The key result of this thesis is that the implementation of the real-time simulation for low-voltage CB testing was successful and sufficient. Moreover there are presented conclusions and suggestions for future work.

Una microgrid è una rete elettrica di piccole dimensioni composta da generazione distribuita, storage distribuito e carichi, che può funzionare in parallelo con la rete o autonomamente come isola di potenza. Il concetto di microgrid è stato proposto per integrare le risorse energetiche distribuite senza un piccolo impatto negativo sul sistema di distribuzione. Tuttavia, gli schemi di protezione delle convenzioni devono continuare a lavorare in questa struttura di microgrid non familiare in modo affidabile e sicuro. Uno dei principali dispositivi per la protezione delle reti di distribuzione è l’interruttore automatico. Questi dispositivi sono progettati per proteggere le reti elettriche da guasti di cortocircuito. Poiché la capacità dell’interruttore di disconnettere una parte della rete elettrica in caso di necessità, è fondamentale, diventa essenziale verificare il funzionamento della protezione da sovracorrente degli interruttori automatici. Sfortunatamente, sono disponibili pochissimi test con hardware reale. Di conseguenza, senza una soluzione pratica per la protezione da microgrid, è improbabile che le microgrid ricevano un’ampia accettazione. La simulazione hardware-in-the-loop (HIL) è una tecnica utilizzata per sviluppare e testare sistemi complessi e sconosciuti e include l’emulazione elettrica delle funzioni di protezione. L’obiettivo di questa tesi è quello di presentare le informazioni teoriche su questa tecnica e la modellazione di una microgrid per le prove di protezione utilizzando un simulatore digitale in tempo reale. Oltre all’aspetto teorico è stato realizzato un banco di prova hardware-in-loop con interruttore automatico. Il modello è stato implementato in un tool RT “Typhoon hil” realizzando una microrete a bassa tensione con diversi tipi di carichi e generatori. Sono state verificate in questo modo le prestazioni delle funzioni di protezione, in diverse configurazioni di rete. Il risultato chiave di questa tesi è che l’implementazione della simulazione in tempo reale per i test CB a bassa tensione ha avuto successo e sufficiente. Inoltre vengono presentate conclusioni e suggerimenti per il lavoro futuro.