Optimal operation and design of modular multilevel converter for HVDC applications
Authors:   , Westerman Spier Daniel 
Published: July 2023

Modular Multilevel Converters (MMCs) are a type of Voltage Source Converter (VSC) which have become the preferred topology choice for High Voltage Direct Current (HVDC) applications. Compare to its HVDC converter predecessors, such as the Line Commutated Converter (LCC), the MMC can control active and reactive power independently, requires smaller filter reactors and have blackstart capabilities. Regarding classical two- and three-level VSCs, the MMC has improved efficiency, easier scalability to higher voltage levels and better AC output voltage harmonic content. However, they need more complex regulation strategy due to its increased number of degrees of freedom (DOFs). Nevertheless, when these DOFs are fully exploited, the MMC can provide better responses than classical converters, especially during unbalanced network conditions.

First, an in-depth steady-state mathematical analysis of the converter is performed to identify all its DOFs. Based on the DOFs and the currents imposed by them, the equations for the power transfer between the DC/AC networks and internally, between the upper and lower arms and among the phase-legs, are obtained. The resultant expressions indicate potential interactions between distinct DOFs. By taking advantage of those interactions, it is possible to improve existing circulating current reference calculation methods. Thus, enhancing the MMC response under balanced and unbalanced AC network conditions.

The performance of the MMC can be further improved when optimization algorithms are used to calculate its references, in which this thesis proposed two different methods. In the initial proposal, an optimization-based current reference calculation in the natural $abc$ reference frame is presented. It considers the Transmission System Operator (TSO) requirements during AC network voltage sags in the form of active/reactive current set-points to provide Fault Ride Through (FRT) capability and the converter limitations. However, due its highly nonlinear characteristics it presents a high computation burden not allowing it to be solved in real-time applications. To cope with this issue, a second method is introduced whereby modifications are performed in the previous optimization formulation and linearization techniques are employed. The resultant linearized optimization-based reference calculation is then integrated with an energy-based control for MMCs and different case studies are analyzed to validate its performance compared to classical approaches.
Finally, an optimization-based methodology to design the submodule (SM) capacitors is proposed. The algorithm considers all the DOFs of the MMC in order to size the SM capacitor while meeting the TSO's requirements and the converter's design limitations. The suggested method is compared with classical approaches for different operating points, and it is further exploited by considering AC network voltage sag conditions.
Els convertidors multinivells modulars (MMC) són un tipus de convertidor de font de tensió (VSC) que s'han convertit en l'opció de topologia preferida per a les aplicacions de corrent continu d'alta tensió (HVDC). En comparació amb els seus predecessors convertidors HVDC, com ara el convertidor de commutació de línia (LCC), l'MMC pot controlar la potència activa i reactiva de manera independent, requereix reactors de filtre més petits i té capacitats d'arrencada en negre. Pel que fa als VSC clássics de dos i tres nivells, l'MMC té una eficiència millorada, una escalabilitat més fàcil a nivells de tensió més alts i un millor contingut harmònic de voltatge CA. Tanmateix, necessiten una estratègia de regulació mès complexa a causa del seu major nombre de graus de llibertat (DOF). No obstant això, quan aquests DOFs exploten completament, l'MMC pot proporcionar millors respostes que els convertidors clàssics, especialment en condicions de xarxa desequilibrades. En primer lloc, es realitza una anàlisi matemàtica en estat estacionari en profunditat del convertidor per identificar tots els seus DOF. A partir dels DOF i dels corrents imposats per aquests, s'obtenen les equacions de la transferència de potència entre les xarxes DC/AC i la transferència de potència interna, entre els braços superior i inferior i entre les potes de fase. Les expressions resultants indiquen interaccions potencials entre diferents DOF. Aprofitant aquestes interaccions, és possible millorar el mètode de càlcul de referència de corrent circulant existent. En fer-ho, es pot millorar el rendiment de l'MMC en condicions desequilibrades i amb errors. El rendiment de l'MMC es pot millorar encara més quan s'utilitzen algorismes d'optimització per calcular les seves referències. A la proposta inicial, es presenta un càlcul de referència actual basat en l'optimització en el marc de referència natural abc. Considera els requisits de l'operador del sistema de transmissió (TSO) durant les caigudes de tensió de la xarxa de CA en forma de punts de consigna de corrent actiu/reactiu per proporcionar la capacitat de transmissió de fallades (FRT) i les limitacions del convertidor. Tanmateix, a causa de les seves característiques altament no lineals, presenta una gran càrrega de càlcul que no permet resoldre'l en aplicacions en temps real. Per fer front a aquest problema, es realitzen modificacions en la seva formulació i s'utilitzen técniques de linealització. A continuació, el càlcul de referència basat en l'optimització linealitzada resultant s'integra amb un control basat en energia per a MMC i s'analitzen diferents casos pràctics per validar el seu rendiment en comparació amb els enfocaments clàssics. Finalment, es proposa una metodologia basada en l'optimització per dissenyar els condensadors de submòduls (SM). L'algorisme considera tots els DOF de l'MMC per tal de dimensionar el condensador SM alhora que compleix els requisits del TSO i les limitacions de disseny del convertidor. El mètode suggerit es compara amb els enfocaments clàssics per a diferents punts de funcionament, i s'aprofita encara més tenint en compte les condicions de caiguda de la tensió de la xarxa de CA.