Implementation of control schemes on a DC-AC terminal based on a HVDC-MMC

Abstract

Los sistemas de transmisión de energía eléctrica a alta tensión en corriente directa o High Voltage Direct Current (HVDC) se han convertido en una solución atractiva para la integración de fuentes de energía renovables cómo las granjas eólicas que se encuentran alejadas de los centros de consumo.Tradicionalmente esta energía es transmitida mediante enlaces de corriente alterna (ac) lo que acarrea costos técnicos y económicos muy elevados. Los sistemas HVDC reducen las pérdidas que están asociadas a los efectos capacitivos de las líneas de transmisión ya que no dependen de la frecuencia y la distancia a la cual se transmite la energía por lo tanto no existe la necesidad de sistemas de compensación, utilizan un espacio más reducido para la ubicación de torres y las pérdidas de energía por conducción se reducen considerablemente. Los sistemas HVDC en su estructura topológica cuentan con estaciones convertidoras que realizan el proceso de conversión de energía ac-dc y dc-ac respectivamente, estas estaciones convertidoras se basan en la electrónica de potencia cuya configuración permite realizar la conversión de la energía y ser transmitida a largas distancias. Los sistemas de control requeridos por las estaciones convertidoras son de alta complejidad y no es una tarea sencilla diseñarlos debido a que el número de variables a regular es bastante alto, cómo las corrientes circulantes por los brazos, corrientes de salida, tensión en los capacitores entre otras. El objetivo principal de este proyecto es diseñar una técnica de control adecuada para un terminal HVDC basado en Modular Multilevel Converter (MMC), que garantice la estabilidad del sistema frente a pequeñas perturbaciones en las principales variables eléctricas, cómo por ejemplo cuando se presentan desbalances en la tensión y corriente de la red eléctrica, desbalance de tensión en los capacitores, reducción de las corrientes circulantes y el balance de energía en el terminal MMC. En el proyecto se realizará el modelado de un terminal MMC teniendo en cuenta el comportamiento dinámico del sistema, también se desarrollarán simulaciones del modelo en MATLAB Simulink para realizar la validación del modelo y diseñar las diferentes técnicas de control requeridas para cada tipo de variable.High voltage direct current or High Voltage Direct Current (HVDC) electric power transmission systems have become an attractive solution for the integration of renewable energy sources such as wind farms that are far from consumption centers. Traditionally, this energy is transmitted through alternating current (ac) links, which entails very high technical and economic costs. HVDC systems reduce the losses that are associated with the capacitive effects of the transmission lines since they do not depend on the frequency and the distance at which the energy is transmitted, therefore there is no need for compensation systems, they use a space smaller for the location of towers and energy losses by conduction are considerably reduced. HVDC systems in their topological structure have converter stations that carry out the AC-DC and DC-AC energy conversion process respectively, these converter stations are based on power electronics whose configuration allows energy to be converted and transmitted. a long distance. The control systems required by the converter stations are highly complex and it is not an easy task to design them because the number of variables to regulate is quite high, such as the circulating currents through the arms, output currents, voltage in the capacitors between others. The main objective of this project is to design a suitable control technique for an HVDC terminal based on the Modular Multilevel Converter (MMC), which guarantees the stability of the system against small disturbances in the main electrical variables, such as when there are imbalances in the voltage and current of the electrical network, voltage imbalance in the capacitors, reduction of circulating currents and the energy balance in the MMC terminal. In the project, the modeling of an MMC terminal will be carried out taking into account the dynamic behavior of the system, simulations of the model will also be developed in MATLAB Simulink to carry out the validation of the model and design the different control techniques required for each type of variable. The design will be implemented in a digital signal processor or Digital Signal Processing (DSP) to be validated in a prototype of the proposed system.MaestríaMagíster en Ingeniería EléctricaContents pág. 1 Introduction 2 Objectives 3 2.1 General Objective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.2 Specific Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 Literature Review 5 3.1 High Voltage Direct Current (HVDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3.1.1 Advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3.1.2 Disadvantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3.2 Most essential projects of HVDC systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.2.1 ABB implementations [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.2.2 Siemens Implementation [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3.3 HVDC Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.3.1 Bipolar Set-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.3.2 Homopolar Set-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 3.3.3 Back to Back Set-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.3.4 Pole to Pole Set-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3.4 Power Electronics Converters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.5 Line Commutated Converter (LCC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.5.1 LCC Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.6 Voltage Source Converter (VSC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.6.1 VSC Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4 Modular Multilevel Converter 19 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.2 Submodule Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.3 Operating Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.3.1 Currents Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 4.3.2 Circulating Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.4 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.4.1 MMC Averaged Dynamic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.4.2 Dynamic Performance of the MMC . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.4.3 Selection of the Mean Sum Capacitor Voltages . . . . . . . . . . 27 4.4.4 Averaging Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.5 Design Considerations of the MMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.5.1 Design of The Submodule Capacitance CSM . . . . . . . . . . . 31 4.5.2 Arm Inductance Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.6 Modulation Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.6.1 Carrier Disposition PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.6.2 Carrier Phase Shifted PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 5 Control Schemes Applied to an MMC Terminal 41 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5.2 Proportional Integral Control (PI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5.2.1 Active and Reactive Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.2.2 Internal Current Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 5.2.3 Average Voltage Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 5.2.4 Single Voltage Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.2.5 Reference Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.3 Proportional Integral Resonant Control (PIR) . . . . . . . . . . . . . . 49 5.3.1 Time Delays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.3.2 Output Current Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.3.3 Circulating Current Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.3.4 Reference Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.3.5 Hybrid Voltage Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.3.6 Phase Locked Loop (PLL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.4 Model Predictive Control (MPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6 Simulation and Results 71 6.1 Output Voltage Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.2 Output Current Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.3 SM Capacitor Voltage Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.4 Circulating current Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.5 Small Signal Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 7 Experimental Results on a Scale Down MMC Prototype 83 7.1 Design Considerations for the Experimental MMC . . . . . . . . . . . . 85 7.1.1 MMC Submodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7.2 Measurement Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.2.1 Current Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7.2.2 Voltage Transducer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 7.3 Control Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.4 Experimental Waveforms of the MMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 8 Conclusion and Remarks 99 References 10