A study on the operations and controls of a new modular multilevel converter transformer in HVDC links

n recent times, the necessity of transmitting power over long distances has been increasingly satisfied by HVDC transmission systems. Terna, the Italian TSO, has addressed this growing demand through the development of a MMC-based family of converters, capable of AC/DC, DC/DC and DC/AC operations, to be employed for HV power transmission. The reliable operation of these converters has been validated by a prototype and simulations based on switching and average behavior models on Low Voltage (LV) passive loads. However, no analysis was carried out on the HV grid connected converters so far. This thesis focuses on further developments of the Simplified Model, with the goal of sim- ulating a HVDC link using this new typology of converters and implementing a control scheme analogous to the ones employed in thyristor based links. This approach proves the reliability of the chosen modeling strategy but, most importantly, solves one of the main issues encountered in HVDC link control, that is, the management over drawn reactive power. Furthermore, the fault management approach proposed by Terna allows DC line interruptions using standard AC line breakers, which represents an important evolution in HVDC transmission. In light of these considerations, these devices appear promising and could substitute current Line-Commutated Converters (LCCs) typically employed for such purposes. To facilitate the transition to this new device class, the proposed model and control scheme faithfully mirror the approach already well known in this field. The final outcome of this work presents a power controlled HVDC link based on the proposed innovative converters, which represents an important milestone for HV prototypes realization.

Oggigiorno, i requisiti di trasmissione di energia elettrica attraverso linee a lunga distanza vengono soddisfatti sempre più dall’impiego di tecnologie HVDC. Terna, l’operatore di rete in Italia, ha cercato di rispondere a questa crescente domanda tramite lo sviluppo di una nuova famiglia di convertitori, basati su tecnologia MMC, in grado di effettuare conversioni di potenza AC/DC, DC/DC e DC/AC. Di questi dispositivi sono stati sviluppati modelli switching e semplificati la cui robustezza è stata validata da diverse simulazioni in bassa tensione con carichi passivi. E’ inoltre stato realizzato un prototipo in bassa tensione. Tuttavia, nessuna di queste simulazioni ha riguardato la connessione di questi dispositivi a reti elettriche. Di conseguenza, questa tesi si pone come obiettivo la simulazione di un collegamento HVDC con il relativo schema di controllo, basato su questa nuova famiglia di convertitori, la cui struttura risulterà analoga a quella tipicamente impiegata nei dispositivi basati su tiristori. Lo scopo di questo sviluppo è sia di validare la affidabilità della strategia di modellazione impiegata, sia di proporre uno schema di controllo che permetta di affrontare uno dei grossi problemi tipici dei collegamenti HVDC, ovvero la gestione della potenza reattiva assorbita dal raddrizzatore. Un altro punto a favore di questi nuovi convertitori è la possibilità proposta da Terna di gestire i guasti sulla linea DC utilizzando dei dispositivi di interruzione progettati per linee AC, semplificando così la gestione di situazioni di emergenza. Per facilitare la transizione verso questa nuova tecnologia, sia il modello del collegamento HVDC sviluppato sia il relativo schema di controllo presentano notevoli somiglianze con gli schemi già impiegati nei dispositivi basati su ponti a tiristori. Il risultato finale della tesi propone un collegamento HVDC con gestione di potenza, reso possibile tramite l’impiego dei convertitori proposti da Terna. Questo traguardo rappresenta un importante pietra miliare nello sviluppo di modelli ad alta tensione (HV).