Fault analysis in circuit design of MMC-MTDC transmission systems

The Modular Multilevel Converter has become the dominant converter technology in HVDC applications due to its scalability, low harmonic distortion, and reduced switching losses. This thesis explores the technical foundations that have contributed to the success of the Half-Bridge MMC, analyzing its operation through the application of the averaging principle, which simplifies its dynamics while allowing a deeper understanding of its core functionalities. However, a major limitation of the Half-Bridge MMC is its inability to handle DC faults. When a DC fault occurs, the AC grid feeds fault current through the converter, necessitating the complete de-energization of all connected stations of the pole. Various alternative submodule configurations have been proposed to mitigate this issue by blocking the AC contribution to the DC fault, yet all solutions result in increased costs and losses. This discourages TSOs from investing in and collaborating on the development of a DC grid that could reinforce the existing AC network. A promising solution is the hybrid HVDC breaker, which enables selective fault handling without introducing additional losses. In this thesis a Simulink model of a simple multi-terminal DC network is developed to analyze key circuit design and operational aspects. Using this model, the thesis investigates the system energization process, the steady-state power flow, the propagation of DC faults, and the current transient analysis, particularly in relation to the current rating of key components such as the reverse diodes in submodule cells.

Il Modular Multilevel Converter si è affermato come la tecnologia dominante tra i convertitori a sorgente di tensione per applicazioni HVDC grazie alla sua scalabilità, alla bassa distorsione armonica e alle ridotte perdite di commutazione. Questa tesi esplora i fondamenti tecnici che hanno contribuito al successo dell’MMC Half-Bridge, analizzandone il funzionamento attraverso l’applicazione del principio di averaging, che ne semplifica la dinamica consentendo una comprensione più approfondita dei suoi principi operativi. Tuttavia, una delle principali limitazioni dell’MMC Half-Bridge è la sua incapacità di gestire i guasti in corrente continua. In presenza di un guasto in DC, la rete AC alimenta corrente di guasto attraverso il convertitore, rendendo necessaria la completa de-energizzazione di tutte le stazioni connesse. Sono state proposte varie configurazioni alternative di sottomoduli per mitigare questo problema, bloccando il contributo della rete AC al guasto DC, ma tutte queste soluzioni comportano un aumento dei costi e delle perdite. Ciò scoraggia gli operatori della rete di trasmissione dall’investire e collaborare nello sviluppo di una rete DC capace di rafforzare la rete AC esistente. Una possibile soluzione è rappresentata dall’Hybrid HVDC Breaker, che consente una gestione selettiva dei guasti senza introdurre perdite aggiuntive. In questa tesi viene sviluppato un modello Simulink di una semplice rete DC multi-terminale per analizzare i principali aspetti di progettazione e funzionamento del circuito. Attraverso questo modello, vengono studiati il processo di energizzazione del sistema, il flusso di potenza in regime stazionario, la propagazione dei guasti in DC e l’analisi dei transitori di corrente, con particolare attenzione al dimensionamento dei componenti chiave, come i diodi delle valvole.