AC-DC converters for medium voltage direct current networks with integrated renewable energy sources

The negative impacts of the increase in the temperature of the world has motivated all the sectors to move towards sustainability and energy transition. As a consequence, reduction of using fossil fuels and Increasing use of natural resources to generate electricity is essential. The higher interest in electric vehicles and higher investment on renewable energy sources integration into the electrical networks have been the a part of the response of the energy sector to this need. Hence, in the future, the consumption and generation of electricity will be significantly higher. Due to the limited capacity of the current Alternating Current (AC) networks, an extension in the capacity of the electrical networks will be required. This can be done by implementing a parallel layer in Direct Current (DC) to the AC networks. The advantages of DC transmission allow us to accelerate energy transition more efficiently and economically. In the high voltage (HV) ranges, HVDC networks have been implemented but in medium voltage ranges, it has been mostly handled by AC. With increasing in the DC loads such as electric vehicles and interest in integrating renewable sources in this level of voltage, MVDC networks could be a feasible choice. To interconnect the existing AC networks and the future DC networks, AC to DC conversion is needed. An in-depth study on MV AC-DC converters is necessary. In this work, a state-of-the-art review on the industrial MV AC-DC converters is done. With this review, the recommended topologies for different voltage and power ranges are proposed. Then, the trends related to MVDC networks in literature are studied. This shows the potential applications and interests related to MVDC in the researchers’ insights. In the next chapter, DC faults on MV AC-DC converter is studied. To analyze this phenomenon, a study case of an MV converter with power rating of 20 MW and DC voltage of ±10 kV is considered. The results of state-of-the-art review are beneficial to choose 3-Level Neutral Point Clamped (3-L NPC) as the recommended topology for these ratings. There are few publications on the study of faults on 2-level converters. But there is no research on fault on 3-L NPC topology. Hence, this study is very essential since 3-L NPC is a promising topology for MV converters. First, this problem is analyzed theoretically and then using MATLAB SimPowerSystem, it is verified. It is seen that fault is a serious problem for the converter diodes. This constraint and the effective parameters are analyzed deeply. In the final chapter, an issue with the integration of renewable energy sources into the MVDC networks is analyzed. This phenomenon is an over-voltage that happens as a consequence of blocking AC-DC converters in an MVDC network with integrated renewable energy sources. It is noticed that this problem also exists in HV levels but in medium voltage ranges, it is relatively higher. A state-space model is proposed to analyze this problem in the networks with any number of renewable energy sources with less computational effort. Finally, a solution to limit this problem is proposed.

L'impatto negativo dell'aumento della temperatura mondialeha motivato tutti i settori a muoversi verso la sostenibilità e la transizione energetica. Di conseguenza, la riduzione dell'uso di combustibili fossili e l'aumento dell'uso di risorse rinnovabiliper generare elettricità è essenziale. Il maggiore interesse per i veicoli elettrici e i maggiori investimenti sull'integrazione delle fonti di energia rinnovabile nelle reti elettriche rappresentano una parte della risposta del settore energetico a questa necessità. Di conseguenza l’entitá del consumo e della generazione é costretta a subire un aumento sostanziale negli anni a venire. A causa della capacità limitata delle attuali reti a corrente alternata (AC), sarà necessaria un'estensione della capacità delle reti elettriche. Questo può essere fatto implementando uno strato in corrente continua (DC) parallelo alle reti AC. I vantaggi della trasmissione in CC permettono di accelerare la transizione energetica in modo più efficiente ed economico. Nelle gamme di alta tensione (HV), le reti HVDC sono giá state implementate a livello globale, ma nelle gamme di media tensione, la trasmissione energetica principalmente gestita in AC. Con l'aumento dei carichi DC come i veicoli elettrici e l'interesse ad integrare le fonti rinnovabili in questo livello di tensione, le reti MVDC potrebbero essere una scelta interessante. Per interconnettere le reti AC esistenti e le future reti DC, è necessaria una conversione da AC a DC e viceversa. Conseguentemente, é necessario uno studio approfondito sui convertitori MV AC-DC. In questo lavoro, é presentata una revisione dello stato dell'arte sui convertitori industriali MV AC-DC. In seguito, vengono proposte le topologie suggerite secondo i diversi range di tensione e potenza. Infine, vengono studiate le tendenze relative alle reti MVDC in letteratura. Questo mostra le potenziali applicazioni e gli interessi legati alla MVDC nelle intuizioni dei ricercatori. Questo lavoro affronta anche lo studio dei guasti DC nelle reti MVDC e viene analizzato l'impatto sul convertitore AC-DC. Per analizzare questo fenomeno, viene considerato il caso di un convertitore MV con una potenza di 20 MW e una tensione DC di ±10 kV. La topologia del convertitore analizzato è un convertitore NPC (Natural Point Clamped) a 3 livelli. In primo luogo, questo problema é analizzato teoricamente e successivamente é sviluppato un modello di simulazione grazie aMATLAB SimPowerSystem. Cio’ che risulta di estremo interesse é l’individuazione di una situazione critica per i diodi del convertitori durante il tmepo di guasto. La valutazione e lo studio di questo fenomeno sono presentati in questa tesi insieme alla quantifcazione ed identificazione dei parametri principali coinvolti in tale condizione di funzionamento. Infine, vengono analizzate le sovratensioni transitorie nelle reti MVDC. Questo transitorio avviene come conseguenza del blocco dei convertitori AC-DC in una rete MVDC con fonti di energia rinnovabili integrate. Si nota che questo problema esiste anche nei livelli HV, ma nelle applicazioni di media tensione, è relativamente più alto. Infine, viene proposto un modello state-space per analizzare questo problema nelle reti con qualsiasi numero di fonti di energia rinnovabile ed una soluzione per limitare la sovratensione.