Simplified modelling and study of control strategies for a new family of modular multilevel converters

High Voltage Direct Current (HVDC) technology is becoming increasingly important for long-distance electrical transmission. In particular, Modular Multilevel Converter (MMC) technology has attracted significant attention in this field due to its versatility and scalability across different voltage levels. For this reason, a new family of Modular Multilevel Converter has been developed for AC/DC, DC/AC, and DC/DC operations, leveraging the fundamental principles governing MMC. This innovative device, patented by the Italian Transmission System Operator (TSO), has been designed for use in High Voltage Direct Current (HVDC) conversion stations. The operating principles of this new converter family have been validated through simulations based on switching models, initially developed for a Low-Voltage (LV) system. This approach enabled both the validation of the converter in simulation and the development of a Low-Voltage physical prototype to experimentally verify its behaviour. However, the Switching Model is complex and computationally inefficient. This thesis, therefore, proposes a Simplified Model based on average equivalent circuits, validated against the Switching Model. This approach not only simplifies and accelerates converter analysis but also facilitates the development and testing of preliminary control strategies across various operating modes. Furthermore, it serves as a fundamental reference for the future development of the Medium-Voltage (MV) prototype.

La trasmissione in corrente continua ad alta tensione (HVDC) sta assumendo un ruolo sempre più centrale per il trasporto di energia elettrica su lunghe distanze. In particolare, i convertitori modulari multilivello (MMC) hanno suscitato un crescente interesse grazie alla loro versatilità e scalabilità a diversi livelli di tensione. Per questo motivo, è stata sviluppata una nuova famiglia di convertitori modulari multilivello destinati alle operazioni di raddrizzamento, inversione e conversione DC/DC, basata sui principi fondamentali che regolano il funzionamento degli MMC. Questo dispositivo innovativo, brevettato dal Gestore della Rete di Trasmissione Italiana, è stato progettato per applicazioni nelle stazioni di conversione ad alta tensione (HVDC). I principi di funzionamento di questa nuova famiglia di convertitori sono stati convalidati attraverso simulazioni basate su modelli che includessero la commutazione dell’elettronica di potenza (modello switching), inizialmente sviluppati per un sistema a bassa tensione (BT). Il seguente approccio ha consentito di validare il convertitore in simulazione e di sviluppare un prototipo fisico a bassa tensione per verificarne sperimentalmente il comportamento. Tuttavia, il modello switching risulta complesso e computazionalmente inefficiente. Questa tesi propone, dunque, un modello semplificato basato su circuiti equivalenti ai valori medi, validati rispetto al modello esistente. Questo approccio consente non solo di semplificare e velocizzare gli studi sul convertitore, ma anche di sviluppare e testare le prime strategie di controllo nelle varie modalità operative. Inoltre, rappresenta un riferimento fondamentale per l’evoluzione del prototipo a media tensione (MT).