Control, design and power losses evaluation of a modular multilevel converter (MMC)

This Master Thesis presents the design, control and power losses evaluation of a Modular Multilevel Converter (MMC). This converter has improved the competitive position of VSC-HVDC over LCC-HVDC due to its black-start capability, independent control of active and reactive power, and quality output waveform, and thereby allowing a reduction in the size and the cost of the output filters. Lower losses also make it very suitable for grid integration of renewable energy sources. The aim of this work is to demonstrate the efficiency and the performance of this converter by means of time domain simulations developed in PLECS. The Thesis is organized as follows: - Chapter 1: Comparison between HVDC and HVAC solution and description of HVDC configuration. - Chapter 2: Description of the converters used in High Voltage Direct Current Transmission. - Chapter 3: Description of the MMC structure and its basic operation principle. - Chapter 4: Development of the mathematical analysis and description of the MMC control strategy. - Chapter 5: Evaluation of the power losses (switching and conduction) generated by the semiconductors and their impact over a broad range of active and reactive power flow combinations. Results of submodule power loss analysis of 400-level 526 MVar MMC operating at 50 Hz are presented.

Questa tesi di laurea presenta la progettazione, il controllo e la valutazione delle perdite di potenza di un convertitore multilivello modulare (MMC). Questo convertitore ha migliorato la posizione competitiva dei VSC-HVDC rispetto ai LCC-HVDC grazie al black-start capability, al controllo indipendente della potenza attiva e reattiva e alla qualità della forma d'onda di uscita, consentendo così una riduzione delle dimensioni e del costo dei filtri. Le basse perdite lo rendono anche molto adatto per l'integrazione in rete di fonti energetiche rinnovabili. Lo scopo di questo lavoro è di dimostrare l'efficienza e le prestazioni di questo convertitore mediante simulazioni nel dominio del tempo sviluppate in PLECS. La tesi è organizzata come segue: - Capitolo 1: Confronto tra le trasmissioni di energia in HVDC e HVAC e descrizione della configurazione HVDC. - Capitolo 2: Descrizione dei convertitori utilizzati nella trasmissione in corrente continua ad alta tensione. - Capitolo 3: Descrizione della struttura del MMC e del suo principio di funzionamento. - Capitolo 4: Sviluppo dell'analisi matematica e descrizione della strategia di controllo del MMC. - Capitolo 5: Valutazione delle perdite di potenza (commutazione e conduzione) generate dai semiconduttori e del loro impatto su una vasta gamma di combinazioni di flusso di potenza attiva e reattiva. Vengono presentati i risultati dell'analisi delle perdite di potenza del MMC - 526 MVA a 400 livelli operante a 50 Hz.