Power sequencing approach to fault isolation in MVDC systems

Protection of multi-branch Medium-Voltage DC distribution systems is one of the biggest challenges in the development of this kind of system, especially regarding interruption of high DC currents during ground faults. The strong influence of components of the system on fault behavior is part of this challenge. The move toward DC power distribution for many power applications (electric ships, offshore wind farms, power in underground cable in-feeds of city centers or industrial systems, ...) makes facing these problems a necessity. We show that medium-voltage DC power buses can be protected against short circuit faults by coordinating the action of a converter that supplies power to the bus with the action of contactors that are used to reconfigure the bus connections. Following a fault, the bus is de-energized (rather than attempting to interrupt a large fault current), one or more contactors are reconfigured, and the DC bus is then reenergized. For a typical industrial DC bus, we show that it is possible to execute this de-energize-reconfigure-re-energize process 10 times faster than a traditional AC bus can be protected and reconfigured. We show how the de-energizing and reconfiguration times depend: on characteristics of the DC bus; on short circuit fault conditions; on the distance to the fault; on the output capacitance and inductance of the main converter. We also show how to size each hold-up capacitance so as to permit unfaulted circuits to ride through the process uninterrupted. Our results provide essential guidelines for design of fault protection for DC power systems using power sequencing and they illustrate how to achieve specified reaction times of the protection scheme.

L’aumento di prestazioni e di efficienza, e la diminuzione dei costi dei convertitori ha spinto la riscoperta e la diffusione dei sistemi di distribuzione in corrente continua. Mentre la distribuzione di energia in corrente continua in bassa tensione sta diventando sempre più comune per centri di telecomunicazione e centri di dati, lo sviluppo di sistemi di distribuzione DC in media tensione è parzialmente ostacolato dalla mancanza di opportune strategie e attrezzature per la protezione di questi circuiti. Infatti, la protezione contro guasti a terra e da corto circuito in sistemi di distribuzione DC in media tensione è generalmente percepita come un’importante sfida in quanto comporta l’interruzione di grandi correnti continue. In questa tesi, si mostra come sia possibile controllare i convertitori per attuare una strategia di protezione del sistema DC in modo che non sia necessario impiegare apparecchiature per la protezione dai guasti utilizzate tradizionalmente, quali gli interruttori. Questo consente di eliminare i vari problemi legati all’estinzione di archi elettrici per il mancato passaggio periodico dallo zero della corrente continua. L’approccio proposto fa affidamento su una sequenza di controllo e sulla riconfigurazione della rete di distribuzione DC. Questo studio è stato applicato nell’ambito della progettazione di una rete di distribuzione in corrente continua per navi militari americane. Il sistema studiato è articolato nel seguente modo: Il convertitore DC/DC principale (Main converter) alimenta un bus di distribuzione DC composto da più rami. I contattori SW1, SW2, e SW3 possono essere chiusi per fornire potenza ai vari rami o possono essere aperti per isolare i singoli rami, ma non sono in grado di interrompere correnti di guasto. Quando avviene un guasto a terra o di linea, i carichi sui rami sani sono isolati per mezzo di un diodo in ingresso e sono in grado di assorbire energia dai condensatori di sostenimento (Chold-up). Per cui i convertitori dei rami sani sono in grado di fornire energia al loro carico per un tempo dipendente dalla taglia dei condensatori di sostenimento. Nel processo sono coinvolti i seguenti elementi: Il controllo del convertitore, il condensatore in uscita (Cout) e l’induttanza (Lout) del convertitore principale, i diodi in ingresso, i condensatori a valle e i contattori di ogni ramo. Nel momento in cui viene individuato un guasto, il bus DC viene de-energizzato spegnendo il convertitore principale che alimenta il bus o controllando il suo duty-cycle. In seguito uno o più contattori vengono aperti per riconfigurare la rete e il bus DC può essere rienergizzato riattivando il convertitore principale. Questo sistema di protezione, in grado di agire in pochi millisecondi, consente l’isolamento del ramo guasto e la rialimentazione dell’intero bus in modo che i rami sani non si accorgano che il bus principale è stato disalimentato e riconfigurato. Questa tesi ha l’obiettivo di fornire i seguenti contributi: Prima di tutto, una profonda analisi del sistema mostra il comportamento del bus DC al presentarsi di un guasto a terra o di linea. Questo consente di capire come i transitori del guasto dipendono dalle caratteristiche del bus, dalle sorgenti e dai carichi connessi. In secondo luogo, viene mostrato come operano la strategia di protezione introdotta e i componenti che prendono parte al processo. Terzo: la sequenza di controllo utilizzata per risolvere i guasti è fortemente influenzata dai parametri di sistema. Perciò, viene illustrato come ottenere specifici tempi di reazione dello schema di protezione e per quale intervallo di variazione dei parametri si è in grado di ottenere le migliori prestazioni. Infine, i risultati forniscono linee guida per la progettazione di protezioni contro guasti per sistemi elettrici in corrente continua utilizzando la sequenza di controllo presentata.