HVDC transmission. Study of the interactions between AC system perturbations and the operation of the DC/AC converter

HVDC transmission systems are usually applied to transport energy over long distances because of their cost-efficiency, moreover, they are used to connect networks working at different frequencies. Systems realised by using LCC converters (equipped with thyristors) are subject to particular malfunctions called “commutation failure” that take place at the DC/AC conversion terminal. Such failures are attributable, in most cases, to disturbances originated by faults in the AC network at which the converter is connected to. Dynamics of commutation failures and controls designed to overcome it are addressed in literature disregarding the effect of the AC voltage phase shift that originates in case of a fault in the network. After a theoretical presentation of the working principle of a HVDC transmission system and commutation failure description as reported in literature, an analytical study on the influence of the three line to ground voltages phase shifts on the process of commutation have been carried out. Such a study is then confirmed by simulating a HVDC converter connected to the Italian transmission network in presence of different faults.

I sistemi di trasmissione HVDC (High Voltage Direct Current - Alta Tensione in Corrente Continua) trovano spesso applicazione per il trasporto dell’energia elettrica su lunga distanza grazie alla loro maggiore convenienza e sono utilizzati anche per l’interconnessione di reti a diversa frequenza. I sistemi che adottano convertitori LCC (Line Commutated Converters) sono realizzati mediante tiristori e sono soggetti a particolari malfunzionamenti, detti errori di commutazione, che si manifestano al terminale di conversione DC/AC. Tali malfunzionamenti sono imputabili, nella maggior parte dei casi, a disturbi provenienti dalla rete in corrente alternata a cui il convertitore è connesso, causati da guasti nella stessa. Le dinamiche dei suddetti malfunzionamenti e i controlli sviluppati per evitarli sono trattati in letteratura senza considerare l'effetto dello sfasamento delle tensioni AC che si verifica durante un guasto di rete. Dopo un approfondimento teorico sul funzionamento di un sistema di trasmissione HVDC ed una presentazione del fenomeno degli errori di commutazione, viene svolto uno studio analitico sull’influenza dello sfasamento delle tre tensioni di fase sul processo di commutazione. I risultati che ne derivano dimostrano una correlazione tra sfasamenti in anticipo ed una maggiore incidenza degli errori di commutazione e viceversa. Tali risultati sono in seguito confermati simulando il funzionamento di un convertitore HVDC, connesso alla rete di trasmissione italiana, in presenza di differenti casi di guasto. Parole chiave