Modelling of a MVDC network interfaced to a HVAC grid through a modular multilevel converter

In the last years, due to energy policies focused on the reduction of the emission of greenhouse gases, renewable energy sources have experienced a great interest. Among the first, wind and solar energy. The development of these last caused the transition of the electrical power generation from centralized to distributed. An important point is related to how the renewable energy sources are integrated to the alternate current grid. A possible way is the connection of offshore wind farm to the onshore using the high voltage direct current (HVDC) that shows a controllable power flow and a reduction of the power losses in the cable with respect to the high voltage alternate current (HVAC). From recent studies, the medium voltage direct current (MVDC) is receiving more attention since it is resulted suitable for the integration of the renewable energy sources from a technical and economical point of view. Being at the begin of its development, default configurations are not yet defined. In literature several comparisons with the existing topologies of the medium voltage alternate current (MVAC) have been performed. A good trade-off is represented by the open ring topology that reduces the cost of realization and ensures a good reliability of the MVDC network. The purpose of this thesis is the development of an average value model of a medium voltage direct current network interfaced to the HVAC grid through a modular multilevel converter. The goal of the MVDC network is the integration of PV plants and wind farms, in addiction to the provision of ancillary services to the ac grid. Once the topology of the MVDC network, the sizing of the generations and the converters and the cables section have been defined, simulations have been performed to evaluate the dynamic response in front of perturbations in the power generated by the renewable energy sources and in the absorbed power of the HVAC load. However, the functioning as a STATCOM of the modular multilevel converter interfaced to the HVAC grid though a step-up transformer has been simulated. The simulations have been performed considering different scenarios and the results have been obtained with the implementation of the models in the software ATP provided by Cesi S.p.A.

Negli ultimi anni, a seguito di politiche energetiche focalizzate sulla riduzione dell’emissione di gas a effetto serra, le fonti rinnovabili hanno suscitato grande interesse. Tra le prime l’eolico e il fotovoltaico. Lo sviluppo di quest’ultime ha causato la transizione della generazione di energia elettrica da centralizzata a distribuita. Una questione molto importante è legata al modo in cui le rinnovabili vengono integrate nella rete in corrente alternata. Una strada possibile per il collegamento alla terra ferma di parchi eolici in mare aperto consiste nell’utilizzo dell’alta tensione a corrente continua (HVDC) che rispetto al collegamento in alta tensione a corrente alternata (HVAC) garantisce un flusso di potenza controllabile e una riduzione delle perdite di potenza nei cavi. Da recenti studi, la media tensione a corrente continua (MVDC) sta ricevendo sempre più attenzioni in quanto risulta adatta all’integrazione delle fonti rinnovabili sia da un punto di vista tecnico che economico. Essendo agli inizi del suo sviluppo, delle topologie di rete predefinite non sono ancora state definite. Diverse comparazioni con le esistenti topologie di rete in media tensione a corrente alternata (MVAC) sono state effettuate in letteratura. Un ottimo compromesso è stato riscontrato nella topologia ad anello aperto che contiene i costi di realizzazione e garantisce ottima affidabilità della rete MVDC. Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di un modello ai valori medi di una rete in media tensione a corrente continua interfacciata alla rete in alta tensione a corrente alternata mediante l’utilizzo di un convertitore multilivello. Lo scopo della rete MVDC è l’integrazione di campi fotovoltaici e campi eolici in rete, oltre alla fornitura di servizi ancillari alla rete AC. Una volta definita la topologia della rete MVDC, la taglia delle generazioni e dei convertitori e la sezione dei cavi, sono state svolte delle simulazioni per valutarne la risposta dinamica a fronte di variazioni della potenza generata dalle fonti rinnovabili e della potenza assorbita dai carichi lato HVAC. Inoltre, è stato simulato il funzionamento da STATCOM del convertitore multilivello interfacciato con la rete HVAC a mezzo di un trasformatore elevatore. Le simulazioni sono state effettuate considerando diversi scenari e i risultati sono stati ottenuti tramite un’implementazione nel software ATP fornito da Cesi S.p.A.