Fault response and protection in Low Voltage Direct Current systems

The transition towards more efficient and flexible electrical systems is driving the adoption of LVDC networks. This work addresses the analysis of fault behaviour in LVDC systems, with a focus on the accurate estimation of fault responses and their implications for protection device selection. To this end, the fault response of the most common power converters is characterised, highlighting the influence of topology and control strategies. Once generalised models are established, the combined behaviour of the network is analysed. Considering the limitations of traditional DC fault analysis method, an accurate and simple numerical approach based on the explicit Euler method is developed, enabling the evaluation of fault dynamics without relying on simplifying assumptions. In parallel, reduced-order equivalent circuit models are proposed to represent the dynamics of a part of the network with lower complexity. Finally, this work investigates some relevant indicators required for protection design as peak current, Joule integral, current slope, and stored energy. A comparative assessment shows that an appropriate balance between accuracy and implementation complexity is required for any method, highlighting the proposed innovative numerical method and the equivalent circuit approach as the most balanced solutions. Overall, this work provides a consistent framework for improving fault analysis and supporting the design of protection systems in LVDC networks.

La transizione verso sistemi elettrici più efficienti e flessibili sta favorendo l’adozione delle reti in corrente continua a bassa tensione (LVDC). Questo lavoro affronta l’analisi del comportamento in condizioni di guasto nei sistemi LVDC, con particolare attenzione all'accuratezza delle stima delle risposte ai guasti e alle loro implicazioni nella selezione dei dispositivi di protezione. A tal fine, viene caratterizzata la risposta al guasto dei convertitori di potenza più comuni, evidenziando l’influenza della topologia e delle strategie di controllo. Una volta definiti modelli generalizzati, viene analizzato il comportamento complessivo della rete. Considerando i limiti del metodo tradizionale di analisi dei guasti in corrente continua, viene sviluppato un approccio numerico innovativo, accurato e generalizzabile basato sul metodo di Eulero esplicito, che consente di valutare la dinamica del guasto senza ricorrere ad ipotesi semplificative. Parallelamente, vengono proposti modelli a circuito equivalente a ordine ridotto per rappresentare la dinamica della rete con minore complessità. Infine, questo lavoro analizza alcuni degli indicatori rilevanti per la progettazione delle protezioni, come il valore di picco della corrente, l’integrale di Joule, la pendenza della corrente e l’energia immagazzinata. Un’analisi comparativa mostra che è necessario trovare un adeguato compromesso tra accuratezza e complessità di implementazione per qualsiasi metodo, evidenziando il metodo numerico proposto e l’approccio a circuito equivalente come le soluzioni più bilanciate. Nel complesso, questo lavoro fornisce un quadro coerente per migliorare l’analisi dei guasti e supportare la progettazione dei sistemi di protezione nelle reti LVDC.