A. Sadeghi

Thesis Title:

Dynamic Modelling of DC Microgrids During DC Faults

Abstract:

Modeling power systems is one of the crucial topics that has been a focus of attention from the past to the present. The significance of modeling lies in representing important factors and components in the desired studies in a way that with the simplest possible model, an adequate accuracy in system analysis can be achieved. Microgrids are among the new subsystems in power systems that are designed, constructed, and implemented as AC, DC, or hybrid configurations. Modeling microgrids also holds significant importance, such that with sufficiently simplified models, the desired accuracy can be obtained in study results. In Electromagnetic Transients Programs (EMTPs), detailed component models are considered, resulting in high accuracy but relatively slow execution, especially in microgrids with multiple power electronic converters. The objective of this thesis is to present models for DC microgrids composed of various elements in a way that not only accurately represents the system's response to minor disturbances but also enables the analysis of significant disturbances such as short-circuit faults on DC lines. These models will have accuracy close to EMTP applications, but they will be simpler compared to the models used in EMTPs, leading to significantly faster simulation times. The proposed model for DC microgrids in this thesis encompasses the modeling of DC lines, power electronic converters (VSC, buck, boost, and half-bridge buck), solar arrays, energy storage systems, DC loads, and AC networks connected to the microgrid. This model ignores detailed converter switching through circuit-averaging method and enhances computation speed by modeling the AC network in the dq reference frame. Additionally, by considering the response of power electronic converter control systems and providing an average model of microgrid converters, and accounting for various stages of topology change due to pole-to-pole short-circuit faults in the DC network, an accurate and precise model of the DC microgrid is introduced. Accurate modeling of the DC microgrid under DC fault conditions requires an in-depth analysis of the system's transient behavior to consider all influencing details on the model's accuracy. Thus, in the adopted approach of this thesis, each microgrid element is first individually examined and modeled, and then the modeling of the five-terminal DC microgrid model proposed in the previous research is implemented for validation purposes, comparing the results obtained with a reference model implemented in the Simulink environment. The results of this model will be applicable in various studies, including the design of protective devices for DC microgrids, post-fault dynamic studies, and identification and location of faults for protection purposes.

Keywords: Modeling the Normal Operating State of DC Microgrid, Modeling DC Microgrid Under Fault Conditions, AC/DC Converters Modeling, DC/DC Converters Modeling, Pole-to-Pole Short Circuit, Circuit Averaging, Solar System Modeling, Energy Storage Systems Modeling, DC Loads Modeling.

عنوان پایان نامه: مدلسازی دینامیکی ریزشبکه‌های DC درحین خطاهای DC

چکیده: مدلسازی سیستم‌های قدرت از موضوعات مهم است که از گذشته تا کنون مورد توجه بوده است. اهمیت مدلسازی در لحاظ کردن عوامل و اجزاء مهم در مطالعات موردنظر بگونه‌ای است که با ساده‌ترین مدل ممکن به دقت کافی در تحلیل سیستم رسید. ریزشبکه‌ها از جمله زیرسیستم‌های جدید در سیستم‌های قدرت هستند که به صورت AC ، DC یا هیبرید، طراحی، ساخته و پیاده‌سازی می‌شوند. مدلسازی ریزشبکه‌ها نیز از اهمیت زیادی برخوردار است بگونه‌ای که با مدل‌های به قدرکافی ساده بتوان دقت موردنظر را در نتایج مطالعات بدست آورد. در برنامه‌های EMTP مدلهای با جزئیات اجزاء در نظرگرفته می‌شود که منجر به دقت بالا ولی سرعت اجرای کم بخصوص در ریزشبکه‌های دارای چندین مبدل الکترونیک قدرت می‌شود. هدف این پایان‌نامه ارائه مدل‌هایی برای ریزشبکه‌های DC متشکل از عناصر مختلف است بطوری که نه تنها می‌تواند پاسخ سیستم به اختلالات کوچک را با دقت خوبی ارائه کند، بلکه تحلیل اختلالات بزرگی مانند وقوع عیب اتصال کوتاه در خطوط DC نیز میسر خواهد شد. این مدل‌ها دقتی نزدیک به برنامه‌های EMTP خواهند داشت اما نسبت به مدل‌های استفاده شده در این برنامه‌ها ساده‌تر هستند و زمان اجرای شبیه‌سازی زمانی توسط آنها بسیار کمتر از برنامه‌های EMTP خواهد بود. مدل پیشنهادی ریزشبکه DC در این پایان‌نامه شامل مدلسازی خطوط DC ، مبدل‌های الکترونیک قدرت، آرایه‌های خورشیدی، ذخیره‌سازهای انرژی، بارهای DC و شبکه AC متصل به ریزشبکه است. این مدل از طریق روش متوسط‌گیری مداری از جزئیات کلیدزنی مبدل‌ها صرف نظر کرده و با مدلسازی شبکه AC در دستگاه dq سرعت انجام محاسبات را افزایش می‌دهد. همچنین دقت این مدل با در نظرگیری پاسخ سیستم‌های کنترلی مبدل‌های الکترونیک قدرت، ارائه مدل متوسط از مبدل‌های ریزشبکه، درنظرگیری مراحل مختلف تغییر توپولوژی سیستم در اثر وقوع عیب اتصال کوتاه قطب به قطب در شبکه DC به عنوان مدلی معتبر و با دقت از ریزشبکه DC معرفی می‌شود. مدلسازی دقیق ریزشبکه DC در شرایط وقوع عیب DC نیازمند تحلیل عمیق رفتار گذرای سیستم است تا تمامی جزئیات اثرگذار بر دقت مدل درنظرگرفته شود. بنابراین در روش اتخاذ شده در این پایان‌نامه، ابتدا هر عنصر ریزشبکه به صورت مجزا بررسی و مدلسازی می‌شود و سپس مدلسازی ریزشبکه DC پنج ترمیناله معرفی شده در پژوهش‌های قبلی پیاده می‌شود تا نتایج بدست آمده از آن از طریق مقایسه با مدل مرجع پیاده شده در محیط سیمولینک صحت‌سنجی شود. نتایج این مدل در مطالعات مختلفی از جمله طراحی ادوات حفاظتی ریزشبکه DC ، مطالعات دینامیکی پس از وقوع عیب و مطالعات حفاظتی شناسایی و مکان یابی محل عیب قابل استفاده خواهد بود.

کلمات کلیدی: مدلسازی حالت کار عادی ریزشبکه DC، مدلسازی در شرایط وقوع عیب ریزشبکه DC، مبدل‌های AC/DC، مبدل‌های DC/DC، اتصال کوتاه قطب به قطب، متوسط‌گیری مداری، سیستم خورشیدی، ذخیره‌سازهای انرژی، بارهای DC