Voltage and current control of a four-leg voltage source inverter for single phase-to-neutral fault mitigation

In the distribution grid, single-phase electric arcs cause low-quality voltage delivery to loads. The strategy proposed to face them involves the connection of a four-leg voltage source inverter to the grid by means of an LCL filter and a five-leg power transformer to compensate for this issue. The inverter allows an injection of a homopolar voltage exploiting the neutral wire, and the transformer can better bear the thermal stress caused by the relative homopolar magnetic flux. As a first study attempt, instead of an electric arc, a single line-to-neutral fault was considered. Through this injection and with continuous control of voltage and current through two separate PI-PR controllers, the line-to-line voltages on the load can continue to deliver high-quality power without changing their waveform. All this process is proved simulating it using first MATLAB Simulink, and then on a real platform, through the real-time simulator OPAL-RT and the relative software RT-Lab.

Sulla rete di distribuzione, gli archi elettrici che si verificano sulle singole fasi causano una consegna di potenza di bassa qualità ai carichi. La startegia proposta per affrontarli prevede la connessione di un voltage source inverter a quattro gambe tramite un filtro LCL e un trasformatore di potenza a cinque colonne per compensare questo problema. L'inverter permette di iniettare una tensione omopolare sfruttando il cavo di neutro, e il trasformatore può sopportare più facilmente lo stress termico causato dal relativo flusso magnetico omopolare. Come primo tentativo di studio, invece di un arco elettrico, viene preso in considerazione un guasto monofase-neutro. Attraverso questa iniezione e tramite un continuo controllo di tensione e corrente con due controlli PI-PR separati, le tensioni di linea sul carico possono continuare a trasportare potenza di alta qualità senza cambiare la loro forma d'onda. Tutto questo processo viene comprovato simulandolo usando prima MATLAB Simulink, e successivamente su una piattaforma fisica, tramite il simulatore in tempo reale OPAL-RT e il relativo software RT-Lab.