Design and protection of a hybrid DC mircogrid architecture for industrial applications

The global transition toward decentralized and electrified energy systems has accelerated the adoption of Low-Voltage Direct Current (LVDC) microgrids, particularly in industrial and urban infrastructures where efficiency, reliability, and controllability are critical. This thesis presents the design, control, and protection of an 800 V unipolar hybrid LVDC microgrid integrating photovoltaic (PV) generation, a battery energy storage system (BESS), and an AC grid interface. The architecture aims to minimize conversion losses and enhance operational resilience through coordinated converter control and fault-tolerant protection. The research addresses three central challenges in LVDC microgrid design: (1) the absence of a natural current zero-crossing that complicates DC fault interruption; (2) the influence of grounding configuration on fault-current paths, system safety, and protection selectivity; and (3) the need for seamless converter coordination to maintain voltage stability across grid-connected and islanded modes. A complete MATLAB/Simulink model was developed, incorporating converter-level control, and hierarchical energy management. The proposed Energy Management System (EMS) dynamically regulates power exchange among the PV, battery, and grid converters, maintaining DC-bus stability within ±1 % under varying irradiance and load conditions. Fault analyses, including line-to-line and line-to-ground events, were conducted to evaluate transient performance and protection coordination. Simulation results demonstrate fast fault detection (< 3 ms), selective isolation, and stable post-fault voltage recovery, confirming the robustness of the integrated control and protection strategy. The findings validate the proposed LVDC architecture as a safe, efficient, and scalable framework for next-generation industrial power distribution networks.

La transizione globale verso sistemi energetici decentralizzati ed elettrificati ha accelerato l’adozione delle microreti in corrente continua a bassa tensione (LVDC), in particolare nelle infrastrutture industriali e urbane dove efficienza, affidabilità e controllabilità risultano fondamentali. Questa tesi presenta la progettazione, il controllo e la protezione di una microrete ibrida unipolare LVDC a 800 V, che integra la generazione fotovoltaica (PV), un sistema di accumulo a batterie (BESS) e un’interfaccia con la rete in corrente alternata (AC). L’architettura proposta mira a ridurre le perdite di conversione e a migliorare la resilienza operativa attraverso un controllo coordinato dei convertitori e una protezione tollerante ai guasti.La ricerca affronta tre sfide principali nella progettazione delle microreti LVDC:(1) l’assenza del passaggio naturale per lo zero della corrente, che rende complessa l’interruzione dei guasti in corrente continua;(2) l’influenza della configurazione di messa a terra sui percorsi di corrente di guasto, sulla sicurezza del sistema e sulla selettività della protezione;(3) la necessità di un coordinamento continuo tra i convertitori per mantenere la stabilità della tensione sia in modalità connessa alla rete che in modalità isolata. È stato sviluppato un modello completo in MATLAB/Simulink, comprendente il controllo a livello di convertitore e la gestione energetica gerarchica. Il Sistema di Gestione dell’Energia (EMS) proposto regola dinamicamente lo scambio di potenza tra i convertitori fotovoltaico, di batteria e di rete, mantenendo la stabilità del bus DC entro ±1 % in condizioni variabili di irraggiamento e di carico. Le analisi di guasto, includendo eventi di corto circuito tra linee e verso terra, sono state condotte per valutare le prestazioni dinamiche e il coordinamento della protezione. I risultati di simulazione mostrano una rilevazione del guasto rapida (< 3 ms), un’isolamento selettivo e un ripristino stabile della tensione post-guasto, confermando la robustezza della strategia integrata di controllo e protezione. Le conclusioni dimostrano che l’architettura LVDC proposta rappresenta una soluzione sicura, efficiente e scalabile per le reti di distribuzione elettrica industriali di nuova generazione.