N. Asadi

Thesis Title: Investigating Fault Current Characteristics and Protection Requirements in DC Microgrids

Abstract: DC Microgrid is a small-scale power system including loads, distributed generation units, and energy storage devices. Due to the grid structure and local production and consumption, all microgrids have the benefits of higher efficiency, greater reliability, and more efficient energy management systems than conventional power systems. In addition, DC microgrids also have some advantages such as easy integration of distributed generation, much transmission capacity, great safety, and eliminating resources synchronization problems. Nowadays, DC microgrids can be a good alternative to parts of the traditional power systems while DC microgrids protection are considered as one of the main barriers to achieving this goal. DC microgrid protection has many challenges including the special fault current characteristic coupled with the extreme transient caused by the capacitor discharge current, the absence of a complete and comprehensive standard for DC fault current, absence of zero crossing in the DC current, impact of earth system on earth fault current, very fast protection requirement to prevent damage to some equipment, high cost of DC protective device, more limited performance of the conventional protection, and the much dependency of the protection schemes on the fault resistance. These problems have made DC microgrids protection as an attractive research and engineering subject. The purpose of this thesis is to demonstrate the importance of the DC microgrid as a newfound system and indicate aforementioned issues that the protection of these systems face. For this purpose some common protection schemes using the principles and conventional protection relays are investigated. In the first section, we present an overview of concepts, definitions and DC microgrid structures. Then, the fault current characteristics of the various sources in the DC microgrid and their calculation are discussed. Moreover, basic protective plans, which have been proposed for the protection of the DC microgrid, will be presented. This section will be the key part of this thesis because the more researchers be aware of the DC microgrid, higher feasibility of achieving protection schemes with fewer problems will increase. In the second section, a practical DC microgrid, including a AC/DC converter, a solar power source and a battery is implemented in the PSCAD software. After that, we investigate the effects of pole-to-pole and pole-to-ground faults with various fault resistances on the voltage of this microgrid and its AC/DC converter behavior. Furthermore, the pole-to-pole fault current characteristic on the main bus and load feeder, and the pole-to-ground fault current characteristic on the main DC bus has been investigated in order to use its results in designing the DC microgrid protection system. Thanks to using DC fault current characteristics, we have proposed a new protection scheme that uses differential protection to protect the DC bus and overcurrent protection to protect the load feeders. Additionally, a combination of overcurrent and current direction protection has been applied for the fast protection of the connecting battery line to the bus. In this scheme for protection of AC/DC converter and solar power converter, we presented a combination of overcurrent protection with a given time delay to avoid common issues related to the protections coordination in DC microgrids.

عنوان پایان نامه: بررسی مشخصات جریان خطا و نیاز‌های حفاظتی در ریزشبکه‌های DC

چکیده: ریزشبکه DC یک سیستم قدرت در مقیاس کوچک شامل بارها، واحدهای تولید پراکنده و دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی است. با توجه به ساختار ریزشبکه‌ها و تولید و مصرف بصورت محلی، همۀ ریزشبکه‌ها دارای مزایایی همچون بازدهی بالاتر، قابلیت اطمینان و امنیت بیشتر و سیستم‌ مدیریت انرژی کارآمدتری نسبت به سیستم‌های قدرت سنتی هستند. اما ریزشبکۀ DC علاوه بر مزایای فوق دارای مزایایی از قبیل تغذیۀ بارهای حساس با کیفیت بهتر، تسهیل اتصال منابع تولید پراکنده، توان قابل انتقال بیشتر، ایمنی بیشتر و حذف مشکل سنکرون شدن منابع با هم است. به این ترتیب انتظار می‌رود در آینده‌ای نه چندان دور ریزشبکه‌های DC بتواند جایگزین مناسبی برای بخش‌هایی از سیستم قدرت سنتی باشد، اما مسائلی همچون حفاظت ریزشبکۀ DC به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین موانع موجود در سر راه تحقق این هدف به حساب می‌آید. حفاظت ریزشبکۀ DC با چالش‌های بسیاری روبه‌رو است که می‌توان از آنها به مشخصۀ خاص جریان خطا در سیستم DC همراه با گذراهای شدید ناشی از جریان دشارژ خازن در سمت DC، عدم وجود استاندارد کامل و جامع برای مشخصه‌های جریان خطا در ریزشبکۀ DC، عدم وجود نقطۀ گذر از صفر در جریان خطای DC، اثرگذاری شدید نوع سیستم زمین در مشخصات جریان خطای زمین، نیازمندی به روش حفاظت بسیارسریع (کمتر از 2 میلی‌ثانیه) برای جلوگیری از آسیب به برخی از تجهیزات، هزینۀ بالای تجهیزات حفاظتی DC بواسطۀ قطع جریان بدون نقطۀ گذار از صفر، کارایی محدودتر حفاظت‌های مرسوم مانند حفاظت دیفرانسیل، اضافه جریان و کمبود ولتاژ و وابستگی شدید عملکرد طرح‌های حفاظتی به مقاومت خطا اشاره کرد. این موارد، حفاظت ریزشبکۀ DC را به یک موضوع تحقیقاتی و مهندسی جذاب تبدیل کرده است. هدف این پایان‌نامه نشان دادن اهمیت ریزشبکۀ DC به عنوان یک سیستم نوظهور و بیان مسائلی است که حفاظت این سیستم‌ها با آنها روبه‌رو است و در ادامه یک طرح حفاظتی مناسب با استفاده از اصول و رله‌های حفاظت مرسوم برای برطرف کردن این مشکلات ارائه شود. در بخش اول مروری بر مفاهیم، تعاریف و ساختارهای ریزشبکۀ DC انجام می‌شود. سپس بطور تفضیلی به مشخصات جریان خطای حاصل از منابع مختلف موجود در ریزشبکه و نحوۀ محاسبۀ آنها پرداخته می‌شود و در ادامه طرح‌های حفاظتی مهم و پایه‌ای که تاکنون برای حفاظت ریزشبکه ارائه شده‌‌اند با جزئیات مورد بررسی قرار می‌گیرند. این بخش رکن اصلی برای انجام دادن پایان‌نامه است زیرا هرچه شناخت محققین نسبت به ریزشبکۀ DC بیشتر باشد، امکان رسیدن به طرح‌های حفاظتی مطلوب‌تر و با مشکلات کمتر بیشتر خواهد شد. در بخش دوم یک ریزشبکۀ DC عملی شامل مبدل AC/DC، منبع خورشیدی و باتری در نرم‌افزار PSCAD پیاده‌سازی شده است که از آن برای بررسی اثرات خطای قطب به قطب و قطب به زمین با مقاومت‌های مختلف خطا روی ولتاژ ریزشبکه و رفتار مبدل AC/DC استفاده می‌شود. به علاوه مشخصۀ جریان خطای قطب به قطب در روی باس و فیدر بار و خطای قطب به زمین در روی باس اصلی ریزشبکۀ DC بررسی شده تا از نتایج آن در طراحی سیستم حفاظت ریزشبکۀ DC استفاده گردد. با استفاده از مشخصه‌های جریان خطا در ریزشبکۀ DC موردمطالعه، یک طرح حفاظتی جدید ارائه شده است که در آن برای حفاظت باس DC از حفاظت دیفرانسیل و برای حفاظت‌ فیدرهای بار از حفاظت اضافه جریان استفاده شده است. همچنین برای حفاظت سریع خط اتصال‌دهندۀ باتری به باس از ترکیب حفاظت اضافه جریان و جهت جریان بهره‌گیری شده و برای حفاظت‌های مبدل AC/DC و مبدل منبع خورشیدی از ترکیب حفاظت اضافه جریان با یک تاخیر زمانی مشخص استفاده شده است تا ویژگی‌های یک حفاظت مطلوب برقرار و از مشکلات معمول در حفاظت ریزشبکۀ DC اجتناب شود.