Design, implementation and experimental tests of a prototype of a novel family of power converters for HVDC applications

This thesis presents the design, implementation, and testing of a novel bidirectional converter intended for high-voltage direct current (HVDC) applications, following a patented architecture developed by the Italian Transmission System Operator, Terna. The converter operates in three modes—AC/DC, DC/AC, and DC/DC—without the need for additional hardware, making it adaptable to various grid configurations. The project involved creating a low-voltage prototype to validate the theoretical model, developed in collaboration with Politecnico di Milano, and serves as a precursor to medium- and high-voltage implementations. The prototype was rigorously tested across different voltage levels to assess its operational stability, efficiency, and harmonic performance, with a particular focus on validating the Simulink model through comparative analysis of experimental and simulated data. Key performance metrics, including voltages, currents, harmonic content, and power, were analyzed under different load and fault conditions, providing insights into the converter’s behaviour and operational limits. Additionally, custom filter and snubber designs were integrated to control THD and transient responses. This work demonstrates the converter’s potential as a flexible, efficient, and cost-effective solution for HVDC systems, addressing both technical and environmental considerations crucial to grid modernization.

Questa tesi presenta il progetto, l'implementazione e il test di un nuovo convertitore bidirezionale destinato ad applicazioni ad alta tensione in corrente continua (HVDC), basato su un'architettura brevettata dal gestore della rete di trasmissione italiano, Terna. Il convertitore opera in tre modalità: AC/DC, DC/AC e DC/DC senza la necessità di componenti aggiuntivi, rendendolo adattabile a diverse configurazioni di rete. Il progetto ha coinvolto la creazione di un prototipo a bassa tensione per validare il modello teorico, sviluppato in collaborazione con il Politecnico di Milano, e rappresenta un precursore per implementazioni a media e alta tensione. Il prototipo è stato sottoposto a test approfonditi a diversi livelli di tensione per valutarne la stabilità operativa, l'efficienza e i contenuti armonici, con un'attenzione particolare alla validazione del modello Simulink attraverso l'analisi comparativa dei dati sperimentali e simulati. Le principali metriche di valutazione, tra cui tensioni, correnti, contenuto armonico e potenza, sono state analizzate in condizioni di carico e guasto differenti, fornendo approfondimenti sul comportamento e sui limiti operativi del convertitore. Inoltre, sono stati integrati filtri e snubber personalizzati per controllare la distorsione e le risposte ai transitori. Questo lavoro dimostra il potenziale del convertitore come soluzione flessibile, efficiente ed economica per sistemi HVDC, rispondendo a considerazioni tecniche e ambientali cruciali per la modernizzazione della rete.