Bidirectional solid-state circuit breakers for DC microgrid applications

Microgrid is a small distribution network that can be connected to the main grid or can be autonomous depending on the operating mode. Generally, microgrids have two operating mode; normal and islanding mode. During the normal operations the microgrid is connected to the main grid at point of common coupling, in which the voltage levels are synchronized and kept at the same magnitude. Microgrids go into islanding mode when a disturbance happens in the main grid. In islanding mode they can be self-supplied thanks to the distributed generation (DG) like fuel cell, wind turbine, and photovoltaic array. Nowadays, with the increase of DG, DC load and vehicle charging station the interest on DC microgrids instead of traditional AC has increased in order to improve the efficiency. On the other hand, DC microgrid have some problematics, the main problem is about protection strategies and protection devices. In this thesis the differences between AC and DC microgrids are analyzed, in particular focused on the advantages and disadvantages of DC microgrids. Then, an analysis about different fault possibilities is carried out and the possible protection devices are analyzed and compared in order to present all the advantages and disadvantages of the different types. In the third chapter two different configuration of solid-state circuit breaker are analyzed and simulated in a microgrid using Simulink/Matlab and a comparison is carried out.

Le microreti sono dei piccoli sistemi di distribuzione che possono essere connessi alla rete principale o essere autonomi a seconda del modo di funzionamento. Infatti, generalmente le microreti hanno due modalità di funzionamento; normale e isolato. Durante il normale funzionamento le microreti sono connesse alla rete principale tramite un punto di connessione, in cui i livelli di tensione sono sincronizzati e tenuti allo stesso valore. Le microreti vanno in isolamento quando avviene un disturbo alla rete principale. In questa modalità la microrete è in grado di autoalimentarsi grazie alla generazione distribuita (DG), come celle a combustibile, turbine eoliche e pannelli fotovoltaici. Oggi, con l’aumento delle DG, carichi in corrente continua, and stazioni di ricarica per veicoli, l’interesse per le microreti in corrente continua invece delle classiche in corrente alternata è aumentato molto, per migliorarne l’efficienza. Al contrario, le microreti in DC hanno alcune problematiche, tra cui la maggiore riguarda i sistemi di protezione. In questa tesi sono state analizzate le differenze tra microreti in corrente continua e corrente alternata, in particolar modo concentrandosi sui vantaggi delle reti in DC. Poi è stata svolta un’analisi sui vari tipi di guasto possibili, e i sono stati affrontati i vari metodi di protezione disponibili e sono stati confrontati per mettere in luce i vantaggi e gli svantaggi di ogni tipo. Nel terzo capitolo sono proposti due tipi diversi di interruttori a stato solido, prima sono stati modellizzati per capirne il funzionamento e per dimensionare i vari elementi, ed infine sono stati simulati in una microrete utilizzando Simulik/Matlab. I risultati ottenuti sono stati confrontati.