Energy-based control schemes of Modular Multilevel Converters for HVDC applications

Abstract

High Voltage Direct Current (HVDC) is a power electronics -based technology that enables the transmission of large amounts of power over long distances, the integration of remote offshore wind power to the main land, and the interconnection of asynchronous AC systems. The Modular Multilevel Converter (MMC) is the state-of-the-art technology for Voltage Source Converter (VSC) based HVDC applications. As compared to the two-level converter, the MMC presents a more complex control scheme. However, it brings additional flexibility into the system. The present work focuses on the (energy-based) control of the MMC for HVDC applications, aiming to understand the additional degrees of freedom related to the internal energy of the MMC. First, DC voltage regulation in HVDC point-to-point links. Moreover, an experimental validation using a scaled MMC-based point-to-point link is carried out, particularly focusing on a novel experimental design of an HVDC cable emulator. With such a laboratory setup, the simulated system dynamics are contrasted with experiments . Furthermore, a generic controller for the same application is presented, and different optimal tuning techniques are addressed. Thus, the most suitable control gains are obtained automatically based on system constraints. In HVDC applications such as remote offshore wind farm clusters or isolated systems with low or non-existing synchronous generation, the MMC needs to operate as grid-forming. The present work explores the role of the internal energy of the MMC through different control structures . Finally, a multi-terminal HVDC grid where some terminals share the regulation of the DC voltage and others operate in grid-forming mode is considered, addressing the distributed DC voltage droop control design.

L'alta tensió en corrent continu (HVDC) és una tecnologia basada en electrònica de potència que permet la transmissió de gran potència en distàncies llargues, la integració de parcs eòlics marins remots a la xarxa terrestre, i la interconnexió de sistemes asíncrons de corrent altern. El convertidor modular multinivell (MMC) és la tecnologia més recent per aplicacions HVDC basada en convertidors en font de tensió (VSC). Comparat amb el convertidor de dos nivells, l'MMC presenta un esquema de control més complex, però aporta una major flexibilitat al sistema. Aquest treball es centra en el control dels MMC per aplicacions HVDC, amb l'objectiu d'entendre els graus de llibertat addicionals relacionats amb la seva energia interna. En primer lloc, s 'estudia el control de l'MMC per aplicacions de control de tensió contínua en enllaços punt a punt. Després, es realitza una validació experimental mitjançant un enllaç punt a punt a escala, posant l'èmfasi en el disseny d'un emulador de cable HVDC. D'aquesta manera, els resultats de les simulacions es poden contrastar amb els experiments de laboratori. A continuació, es presenta una estratègia de control genèrica i el càlcul òptim dels seus paràmetres amb diferents mètodes. Així doncs, els guanys més adequats pels controladors s'obtenen automàticament, basats en un conjunt de restriccions sobre el sistema. En aplicacions HVDC com els grans parcs eòlics marins o els sistemes aïllats amb poca o cap generació síncrona, un o diversos convertidors han de generar la xarxa d'alterna. En aquest treball s'investiga el rol de l'energia interna de l'MMC, implementant diferents estructures de control. Finalment, es considera una xarxa HVDC multiterminal, en la qual un conjunt de convertidors controla la tensió contínua i d'altres formen la xarxa d'alterna. En aquest escenari, es planteja el disseny del control distribuït de tensió contínua