New Topology of Bidirectional DC Solid State Circuit Breaker

Abstract

DC microgrids have gotten tremendous progress in both academia and industry over a decade ago. This increasing interest stemmed from its clear and well-drawn superiority over AC microgrids. Here we can say reliability and efficiency of power in feed, natural interface with renewable energy sources, integration of energy storage systems and direct connection to dc loads, and easier to control. The aforementioned components are of great importance to emerging in modern power systems for the sake of stability of the dc grid. This results in the necessity of both the reliability and stability of power infeed for dc loads that widespread everywhere. Owing to the nonexistence of natural zero current crossing point, the method of extinguishing the arcs that appear whilst breaking dc fault current remains the major challenge. This hardens the design and implementation of accurate protection for dc microgrids. In this paper, a new topology of bidirectional dc solid-state circuit breaker is proposed, to reinforce the flow of energy in both forward and reverse directions, which in turn boosted the efficiency of dc microgrids. Bidirectional flow of energy is very important in microgrids, because, some sources of energy connected to the bus bar like energy storage systems need to charge up when they are not supplying the power to the grid. This helps the energy storage systems to keep power to supply to the grid in case it is needed. Thereby, the power needs to flow back to the energy storage systems. Our previous versions of dc solid-state circuit breakers were both unidirectional. Which couldn’t be possible to use one of them to protect the systems where the bidirectional flow of energy is needed. Thus the development of this bidirectional solid-state circuit breaker to accomplish the protection of the aforementioned systems with only one circuit breaker. The proposed topology can perform the operating duty of reclosing and re-breaking. This is very important when the fault is not completely cleared in the system to keep re-breaking until the fault is totally cleared and then reclose the circuit to operate in normal mode. Furthermore, the commutation capacitor is charged and recharged naturally without any complex control of any thyristor. This is considered atypical of the existed topologies which at least turn on the main thyristor to charge and recharge the commutation capacitor. Needing of the thyristor in charging and recharging loops not only causes the economic losses but also hardens the control of these switches, especially when the fault persists in the systems and lead to severally reclose and re-break the fault. The proposed circuit breaker is economical and stable as compared to the previous versions of dc solid-state circuit breakers. A clear and detailed analysis of the proposed topology in different modes of operation will be presented in this paper. Eventually, both the simulation and experiment results will be presented to confirm the effectiveness of the proposed new topology of the bidirectional dc solid-state circuit breaker.

최근 10년간 DC Microgrid는 학계와 산업 모두에서 연구가 활발히 이루어졌다. 이러한 관심은 현대 전력 시스템에서 DC Microgrid가 AC Microgrid에 비해 더 많은 장점이 존재하기 때문이다. DC Microgrid를 사용함으로써 공급 전력의 안정성과 효율성을 높일 수 있고, 신재생 에너지 사용함에 이점이 있다. 또한, 에너지 저장 시스템의 통합 및 DC 부하에 직접 연결이 가능해서 제어가 용이해진다. 앞 서 언급한 것들은 현대 전력 시스템에서 DC Grid의 출현에 매우 중요하다. 따라서 이를 위해서는DC 부하에 대한 전력 공급의 신뢰성과 안정성이 요구된다. DC Grid는 영 전류 교차점이 존재하지 않기 때문에, DC 사고 전류를 차단하는 방법이 중요하다. 이것은 DC Microgrid에 대한 정확한 보호 설계 및 구현을 요구한다. 본 논문에서 양방향 DC 반도체 차단기의 새로운 토폴로지가 제안한다. 제안하는 양방향 DC 반도체 차단기는 순방향과 역방향으로 사고 전류를 차단이 가능해 DC Microgrid의 신뢰성을 높일 수 있다. 에너지 저장 시스템과 같이 부스 바에 연결된 일부 전원은 전력을 계통에 공급하지 않을 때, 충전이 필요하기 때문에 양방향의 에너지 흐름은 Microgrid에서 중요하다. 이를 통해 에너지 저장 시스템은 필요할 때 계통에 전력을 공급할 수 있거나, 에너지 저장 시스템으로 다시 공급할 수 있다. 기존의 DC 반도체 차단기는 모두 단방향 차단만 가능했다. 양방향으로 시스템을 보호하기 위해서는 단방향 차단기로는 한계가 있다. 따라서, 제안하는 하나의 양방향 반도체 차단기만으로 앞 서 언급 된 양방향 시스템을 보호할 수 있다.. 제안하는 토폴로지는 재투입 및 재차단의 동작책무를 수행 할 수 있다. 동작 책무는 계통에서 사고 전류가 완전히 차단되지 않았을 경우 사고 전류가 완전히 제거 될 때까지 재차단 동작을 하거나, 재차단 후에 시스템이 다시 부하에 전력을 공급할 수 있도록 하는 재투입 동작을 말한다. 전류 커패시터는 사이리스터의 제어없이 자연적으로 충전 및 재충전이 가능하다. 기존의 토폴로지는 전류 커패시터를 충전 및 재충전하기 위해 메인 사이리스터를 턴온해야 한다. 이러한 스위치의 증가는 스위치 가격으로 인한 경제적 손실이 발생할 뿐만 아니라 특히, 계통에 단락 사고가 지속되고 단락 사고를 재차단 및 재투입하는 경우 스위치 제어가 복잡해진다. 따라서 제안하는 반도체 차단기는 기존의 DC 반도체 차단기와 비교할 때 경제적이고 안정적이다. 본 논문은 동작 모드를 나눠서 제안하는 토폴로지를 명확하고 상세하게 분석한다. 마지막으로, 시뮬레이션 및 실험 결과를 통해 제안하는 새로운 양방향 DC 반도체 차단기를 검증 및 확인한다.