Real time hardware in the loop testing of generator synchronization and microgrid islanding

This thesis presents the modelling, implementation, and validation of a low-voltage microgrid through real-time simulations based on the Hardware-in-the-Loop (HIL) technique. Primary power source is a diesel generator. Smart circuit breakers are used for generator protection and grid interface. The aim is to assess the effectiveness of the integrated protection and automation features of the breakers in enabling a controlled transition to autonomous microgrid operation. The developed model includes a synchronous generator with IEEE standard models for the excitation system (AC4A) and governor (DEGOV), a dynamic load, and two circuit breakers. Real-time simulations are carried out using the OPAL-RT OP5707XG platform. While the mechanical behavior of the breakers is simulated, an actual ABB Emax2 trip unit is employed to perform synchro-check and control switching based on analog voltage and current signals generated by the simulator. The Emax2 unit responds by sending digital signals back to the simulator, thereby closing the HIL loop; these signals are further processed within the simulation to generate inputs for generator regulation. The validation process covers the complete operational sequence of the microgrid: grid connected operation, generator synchronization, load transfer, and subsequent islanded operation. System responses in terms of voltage and frequency are evaluated against the limits established by IEC 60034-1 and CEI 0-21 standards. The results demonstrate the system’s reliability and stability, confirming the suitability of smart-breaker-based architectures for automated microgrid management and real-time validation using HIL techniques.

La presente tesi descrive la modellazione, l’implementazione e la validazione tramite simulazioni in tempo reale con tecnica Hardware-in-the-Loop (HIL) di una microrete in bassa tensione, alimentata da un generatore diesel e gestita da un interruttore intelligente. L’obiettivo è verificare l’efficacia delle funzionalità integrate di protezione e automazione dell’interruttore nella transizione controllata verso il funzionamento autonomo della microrete. La regolazione del generatore avviene tramite specifiche funzioni che elaborano gli stati dei contatti ausiliari dell’interruttore. Il modello sviluppato comprende un generatore sincrono con modelli IEEE standard per il sistema di eccitazione (AC4A) e per il regolatore di velocità (DEGOV), un carico dinamico e due interruttori simulati. La piattaforma utilizzata per le simulazioni in tempo reale è OPAL-RT OP5707XG. Il comportamento meccanico degli interruttori è simulato, mentre l’unità reale di protezione ABB Emax2 svolge il controllo di sincronismo e la gestione logica delle commutazioni, sulla base di segnali analogici generati dal simulatore. L’unità ABB Emax2 restituisce segnali digitali al simulatore, chiudendo così l’anello HIL; questi segnali vengono rielaborati internamente per determinare i riferimenti utili alla regolazione del generatore. Il processo di validazione comprende l’intera sequenza operativa della microrete: il funzionamento connesso alla rete elettrica principale, la sincronizzazione del generatore, il trasferimento del carico e il successivo funzionamento in isola. Le risposte ottenute in termini di tensione e frequenza sono analizzate rispetto ai limiti definiti dagli standard IEC 60034-1 e CEI 0-21. I risultati dimostrano l’affidabilità e la stabilità del sistema, confermando l’idoneità di architetture basate su interruttori intelligenti per la gestione automatizzata delle microreti e la validazione tramite test HIL in tempo reale.