Individuazione e isolamento di guasti all'interno di una micro-rete isolata

In the last few decades, distributed energy resources (DERs) have been introduced at the distribution level of the power grid. Considering DERs, several issues about traditional distribution systems have been solved, with benefits regarding environmental aspects and electrical energy market demand. The DERs introduction led to the concept of micro-grid. Micro-grid is a type of grid which contains DERs units. Despite the benefits given by the micro-grids compared to the traditional electrical grids, micro-grids and their development involve issues that do not permit micro-grid large-scale deployment. One of these issues is micro-grid protection against faults. In particular, the failure of the traditional overcurrent protections is probable in case of fault during the micro-grid operation in islanded mode. The aim of this thesis is to find, implement and test alternative protection methods which can ensure protection in case of fault in a micro-grid operating in islanded mode. The tested micro-grid is the real micro-grid of RSE S.p.a. A model of RSE micro-grid has been built in Matlab/Simulink, and several simulations of fault events have been performed. The RSE micro-grid contains DERs units like PV and wind plants and storage systems like batteries, 2 loads and traditional overcurrent protections in every micro-grid line. Several cases of failure of the traditional overcurrent protections have been detected for events of fault in several lines and for different values of fault resistance. Then, alternative protection methods have been implemented and tested: in particular, 3 protection types (differential protection, magnetic protection and VROC protection) and 2 fault current maximization methods (inverters saturation at values higher than their nominal current and insertion of 2 synchronous machines in the islanded micro-grid) have been considered. The aim of the fault current maximization methods is to enable the surgery of the traditional overcurrent protections. From the obtained results, the 3 implemented protection types are able to detect and to isolate the fault for all the tested fault events, while the 2 fault current maximization methods enable the surgery of the traditional overcurrent protections for many of the tested fault events, but not for all the tested fault events.

Nel corso degli ultimi decenni, la generazione distribuita ha preso piede all’interno delle reti elettriche di distribuzione. Con essa si è avuto modo di risolvere diverse problematiche legate ai sistemi di distribuzione tradizionali, a vantaggio degli aspetti ambientali e delle richieste del mercato dell’energia elettrica. L’introduzione della generazione distribuita ha portato al concetto di micro-rete come tipologia di rete che dispone di unità di generazione in prossimità dei carichi. Tuttavia, nonostante i vantaggi forniti dalle micro-reti rispetto alle reti elettriche tradizionali, le micro-reti ed il loro sviluppo comportano problematiche che non ne permettono attualmente la diffusione su larga scala. In tal senso, una delle maggiori problematiche riguarda le protezioni contro i guasti diretti. In particolare, per le micro-reti di bassa tensione è probabile che le protezioni tradizionali di sovracorrente in caso di guasto non funzionino correttamente se la micro-rete opera in isola. L’obiettivo di questa tesi è ricercare, implementare e testare metodi di protezione alternativi alle protezioni tradizionali all’interno di una micro-rete in isola. Come sistema oggetto di test, è stata considerata la micro-rete reale presente in RSE S.p.a., e sono state eseguite simulazioni sul modello di questa micro-rete in ambiente Matlab/Simulink. La micro-rete di RSE S.p.a. contiene unità di generazione distribuita, come impianti fotovoltaici ed eolici e sistemi di accumulo (batterie), due carichi e protezioni tradizionali di sovracorrente su ogni linea. Sono stati individuati casi di mancato intervento delle protezioni tradizionali di sovracorrente per guasti su linee diverse e con diversi valori di resistenza di guasto. Sulla base di questi casi, sono stati implementati e testati diversi metodi alternativi alle protezioni tradizionali: in particolare, sono state realizzate 3 tipologie di protezioni (differenziale, magnetica e VROC) e sono stati testati 2 metodi di massimizzazione della corrente di guasto (saturazione degli inverter a soglie maggiori della loro corrente nominale e introduzione di 2 macchine sincrone nella micro-rete) a cui è stata abbinata una ritaratura delle protezioni di sovracorrente. L’obiettivo dei metodi di massimizzazione della corrente di guasto è consentire l’intervento delle protezioni di sovracorrente. Dai risultati ottenuti emerge la capacità, da parte delle 3 protezioni implementate, di individuare e isolare correttamente ogni guasto testato, mentre i 2 metodi di massimizzazione della corrente di guasto consentono l’intervento delle protezioni di sovracorrente per molti dei guasti testati, ma non per tutti.