Implementation of Synthetic Inertia in LCC and VSC HVDC for frequency fast transients compensation

HVDC transmission systems have been developed starting from the second half of the past century. The main characteristic which distinguish HVDC from classic transmission methods is the adoption of DC voltages and currents to transmit power at higher level. During the years, new technologies were introduced, improving the efficiency and reliability of this power transmission technology. This led to a rapid diffusion of HVDC links, especially for its many advantages compared to three-phase systems, as the lower costs for power transmission over long distances; the possibility to interconnect over long distances and with submarine cables islands with inland main AC network; interconnection of asynchronous areas inside a country or with different countries. In this thesis, HVDC transmission have been explained, with its main advan- tages and disadvantages in first chapter, configurations in second chapter. In third chapter, power semiconductor switches are explained, highlighting their difference and operating principles. In chapter four, the LCC technology have been explained, describing the main HVDC elements and analyzing the thyristor based converters. Chapter five concerns about the VSC HVDC technologies, in particular two-level converters, multilevel converters and the newest technology represented by Modular Multilevel Converters. Successively, in chapter six and seven, the control scheme and modality for LCC and VSC HVDC links have been discussed. In chapter eight, methods for provide frequency support by HVDC, through synthetic inertia, to the connected AC networks are discussed for both VSC and LCC. After the research on HVDC system, simulations with the software Simulink concerning different synthetic inertia frequency control methods, for VSC and LCC, have been implemented. The obtained results have been discussed and compared.

Il metodo di trasmissione HVDC (High Voltage Direct Current) fu sviluppato a partire dalla seconda metà del secolo passato. La caratteristica che contraddis- tingue questo metodo dal classico sistema di trasmissione di potenza, è l’utilizzo di tensioni e correnti continue invece del sistema trifase. Durante il corso degli anni, nuove tecnologie per la trasmissione di energia tramite HVDC sono state sviluppate, migliorandone l’efficienza e l’affidabilità. Questo ha portato a una rapida diffusione dei collegamenti HVDC, specialmente per i suoi vantaggi rispetto al sistema trifase, come i minori costi per la trasmissione su lunghe distanze; la possibilità di intercon- nettere ad elevate distanze di trasmissione isole con la terraferma anche attraverso cavi sottomarini; interconnettere sistemi AC asincroni (con frequenze nominali di- verse) all’interno di uno stato o tra differenti paesi. In questo elaborato, la trasmissione tramite HVDC è analizzata, in particolare nel primo capitolo vengono trattati i principali vantaggi e svantaggi. Nel secondo capitolo trovano spiegazione le varie configurazioni possibili, mentre nel terzo i due principali tipi di switch utilizzati, descrivendone le differenze ed il funzionamento. Nel quarto capitolo si ha una descrizione completa del sistema HVDC tramite con- vertitori a corrente impressa (LCC o CSC), analizzandone i vari componenti e i convertitori. Il quinto capitolo tratta dei convertitori a tensione impressa (VSC), in particolare convertitori a due livelli, multilivello e i più recenti convertitori modulari multilivello (MMC). Successivamente, nei capitoli 6 e 7, i sistemi di controllo sia per i convertitori LCC che per i VSC vengono introdotti. Nell’ottavo capitolo si discute del supporto alla frequenza di rete da parte dei sistemi HVDC tramite inerzia sintetica, analizzando diverse metodologie per il controllo della frequenza di rete, sia per VSC che per LCC. Effettuata la ricerca sui metodi per il supporto alla frequenza (inerzia sintetica o emulata), tramite software Simulink vengono effettuate simulazioni in cui vengono implementati i vari metodi per la regolazione di frequenza. Le simulazioni vengono effettuate sia con modelli di VSC HVDC che con LCC HVDC. I risultati ottenuti vengono successivamente analizzati e comparati.