Selective protection system with FPGA-based control and solid state circuit breaker

Low Voltage Direct Current (LVDC) systems are becoming increasingly prevalent in today's power distribution networks due to their efficiency and the growth of distributed energy resources. Rapid and precise detection of short-circuit faults, which can significantly damage infrastructure and connected loads, is a crucial challenge for these systems. Traditional mechanical circuit breakers provide protection within milliseconds but often lack the robustness needed for optimal system safety. This thesis explores the development and evaluation of an FPGA-based system leveraging Solid State Circuit Breakers (SSCBs) to enhance fault detection in LVDC microgrids, aiming for greater reliability and faster response times. The core focus of this research is the integration of SSCBs within LVDC microgrids, presenting a novel approach to rapid fault detection through the use of an FPGA-based system. This work introduces the application of Finite State Machines (FSMs) for the operational control of series connected SSCB modules, The system aims to interrupt short-circuit currents with a peak of 5kA and a rise rate of 500 A/µs within a delay of 2-6 µs. The objective is to determine whether a series connection of SSCBs can improve short-circuit current withstand capability while maintaining operational reliability and swift response times. The implemented FSMs differentiate between open, closed, and tripped states, triggered by the nature of inputs to the circuit. This research is driven by the hypothesis that the series connection, managed by FSM-designed Verilog code, will maintain or enhance the individual capabilities of the SSCBs. Through this investigation, the thesis aims to address the challenges of LVDC system protection, proposing a solution that minimizes potential damage and enhances overall system reliability.

I sistemi a bassa tensione in corrente continua (LVDC) stanno diventando sempre più diffusi nelle reti di distribuzione elettrica odierne, grazie alla loro efficienza e alla crescita delle risorse energetiche distribuite. Il rilevamento rapido e preciso dei guasti da cortocircuito, che possono danneggiare in modo significativo le infrastrutture e i carichi collegati, è una sfida cruciale per questi sistemi. Gli interruttori meccanici tradizionali forniscono protezione in pochi millisecondi, ma spesso mancano della robustezza necessaria per una sicurezza ottimale del sistema. Questa tesi esplora lo sviluppo e la valutazione di un sistema basato su FPGA che sfrutta gli interruttori automatici allo stato solido (SSCB) per migliorare il rilevamento dei guasti nelle microgrid LVDC, puntando a una maggiore affidabilità e a tempi di risposta più rapidi. L'obiettivo principale di questa ricerca è l'integrazione degli SSCB all'interno delle microgrid LVDC, presentando un approccio innovativo al rilevamento rapido dei guasti attraverso l'uso di un sistema basato su FPGA. Questo lavoro introduce l'applicazione di macchine a stati finiti (FSM) per il controllo operativo di moduli SSCB collegati in serie. Il sistema mira a interrompere correnti di cortocircuito con un picco di 5kA e una velocità di salita di 500 A/µs entro un ritardo di 2-6 µs. L'obiettivo è determinare se una connessione in serie di SSCB può migliorare la capacità di resistenza alla corrente di cortocircuito mantenendo l'affidabilità operativa e i tempi di risposta rapidi. Gli FSM implementati distinguono tra stati di apertura, chiusura e intervento, attivati dalla natura degli ingressi al circuito. Questa ricerca è guidata dall'ipotesi che la connessione in serie, gestita da un codice Verilog progettato da FSM, mantenga o migliori le capacità individuali degli SSCB. Attraverso questa indagine, la tesi si propone di affrontare le sfide della protezione dei sistemi LVDC, proponendo una soluzione che minimizzi i danni potenziali e migliori l'affidabilità complessiva del sistema.