Simulation of hybrid DC circuit breaker for multi-terminal HVDC system

The fast development of power electronics and the pressing on wide integration of renewable energy resources have led to further developing and expanding High Voltage Direct Current (HVDC) systems. Nowadays, due to the commitment to reduce greenhouse gas emissions, significant quantities of renewable energies are increasingly being added to the generation mix. Since most of the renewable resources are in remote locations where AC power systems are weak or non-existent, the construction of new power grids is hence required. The choice of the transmission technology depends upon different issues, including social influence, environmental impact as well as technical and financial criteria. HVDC is an efficient technology designed to deliver large amounts of electricity over long transmission routes with lower losses than a conventional AC system. The advantages of HVDC systems also include smaller transmission corridors, increased network stability and the option to transfer power between asynchronous AC grids. Recently, Multi-terminal HVDC (MTDC) system has emerged as an attractive option in the transmission of large and remote areas of renewable sources such as solar and offshore wind installations. The construction of HVDC ‘‘Supergrid’’ that utilizes a meshed HVDC grid to connect multiple power systems, is an ambitious concept. The meshed topology enhances system reliability, which is indispensable for transmission networks with a large contribution in generation process from variable renewable resources. Due to the development of semiconductor devices, Voltage Source Converters (VSCs) have substantial advantages compared to the Current Source Converters (CSCs) or Line Commutated Converters (LCCs). Technical and economic studies proved the feasibility of MTDC grids based on the VSCs. However, VSCs are highly vulnerable against DC side short-circuit faults. Therefore, to protect the power converters from high and sharp short-circuit currents, different DC Circuit Breaker (CB) technologies have been studied. Interruption of DC fault current in a DC system is more complex compared to the AC one due to the high rate-of-rise of fault current and absence of natural zero crossing. Fast and hard switching action in DC current interruption causes excessive voltage across the circuit breaker, and hence high stress to its components. DC breakers technology enables to de-energize only the faulted section of a MTDC system without losing the whole grid. The mechanism of current interruption is analysed here through an aggregated DC CB model in basic DC circuit. Afterward, it is introduced the Hybrid DC Circuit Breaker (HDCCB) which is the objective of this Thesis work. The design procedure is defined, and the protection scheme is presented. To check and verify the performance of the proposed topology, faults in a DC-link representing a point-to-point VSC HVDC system are simulated and analysed in the Simulink/MATLAB environment. In addition, a sensitivity analysis is carried out. The last part of the Master Thesis deals with faults in MTDC system. A meshed four-terminal HVDC model consisting of sixteen HDCCBs is designed in Simulink/MATLAB to study the impacts of DC side faults on the operation parameters of HDCCB.

Il progresso tecnologico dell’elettronica di potenza e l’insistente necessità di aumentare la produzione di energia da risorse rinnovabili hanno portato ad un rapido sviluppo e diffusione dei sistemi HVDC. Per raggiungere infatti l’obiettivo di net-zero carbon, brutalmente tradotto in neutralità carbonica, è necessario aumentare la percentuale di energia prodotta da fonti rinnovabili nel mix energetico. Poiché gran parte dei siti sfruttabili si trovano in aree lontane dai centri di consumo e spesso non collegati alla rete elettrica, è richiesta la costruzione di nuovi tratti di linea. La scelta su come effettuare il collegamento dipende da diversi fattori: impatto ambientale, aspetti tecnici e costi di realizzazione. In questo scenario si inserisce la tecnologia HVDC, pensata per trasferire grandi quantitativi di potenza su lunga distanza. I vantaggi rispetto ai tradizionali sistemi HVAC sono innanzitutto le minori perdite di conduzione, corridoi di linea elettrica più piccoli, aumento della stabilità della rete e la possibilità di collegare due sistemi AC asincroni. Per le sue grandi potenzialità appena descritte, recentemente è aumentato l’interesse verso la creazione di reti multiterminali HVDC (MTDC). Lo sviluppo dei dispositivi semiconduttori ha spostato l’attenzione verso la tecnologia VSC HVDC, la quale risulta essere più adatta per l’integrazione delle fonti rinnovabili rispetto alla tradizionale CSC o LCC HVDC. Studi tecnici e analisi economiche hanno provato la fattibilità di reti MTDC basate sull’utilizzo di convertitori VSC. Tuttavia, questo tipo di dispositivo per la conversione della corrente da AC a DC e viceversa, risulta essere particolarmente vulnerabile ai guasti nella parte di trasmissione in corrente continua. Conseguentemente, per proteggere la componente elettronica dei convertitori dalle grandi correnti di guasto e impedire il malfunzionamento di essi legato alle grandi cadute di tensione, è necessario introdurre e sviluppare interruttori DC veloci e solidi. Rispetto all’interruzione della corrente AC, quella DC risulta essere più complessa per l’assenza di passaggio naturale per lo zero e il raggiungimento in pochi millisecondi di valori molto elevati della corrente di guasto. Nelle reti magliate multiterminali è fondamentale la loro presenza per permettere l’isolamento della sola parte di linea affetta da guasto ed impedire che il disturbo si propaghi nella rete e che possa portare al collasso dell’intero sistema elettrico. In questa Tesi viene analizzato il principio di funzionamento di un interruttore DC e presentato il modello di interruttore ibrido (HDCCB) che rappresenta l’oggetto di questo lavoro. Viene descritto il suo design e lo schema di protezione. Per verificare e controllare le performance del dispositivo proposto, vengono eseguite una serie di simulazioni di guasti sulla linea DC di un collegamento point-to-point VSC HVDC avvalendosi del software Simulink/MATLAB. Viene effettuata un’analisi di sensitività per capire come la variazione di alcuni parametri del sistema DC impattano sull’evoluzione del guasto. L’ultima parte della Tesi affronta il fenomeno di guasti in una rete multiterminale. Una rete magliata HVDC composta da quattro sottostazioni in cui vengono inseriti sedici HDCCB viene ricreata in Simulink/MATLAB per studiare l’efficienza e l’affidabilità dell’interruttore proposto nello schema di protezione.