Topologies and control estrategies of multiport modular multinivel converters

Abstract

Reducir la dependencia de combustibles fósiles se ha convertido en una prioridad para los países industrializados debido a asuntos medioambientales, recursos limitados y el aumento progresivo de su coste. Esta situación ha impulsado la entrada de las energías renovables en el sistema eléctrico actual. Sin embargo, una integración a gran escala de energías renovables en el sistema eléctrico actual supone un gran desafío, puesto que gran parte de la capacidad instalada estará conectada a la red de distribución. Soluciones innovadoras basadas en convertidores de potencia de alta tensión y potencia, como Sistemas de Alta Tensión en Continua (HVDC), Sistemas de transmisión flexible en AC (FACTS) y Transformadores de Estado Sólido (SST), tienen el potencial para lidiar con estos desafíos. Los convertidores multinivel son adecuados para el rango de media-alta tensión y media-alta potencia, los cuales son los requeridos por los convertidores electrónicos de potencia que se conectan a las redes de media tensión. Entre ellos, los Convertidores Modulares Multinivel (MMC) constituyen una topología prometedora para aplicaciones que requieren un puerto de alta tensión DC. Los MMC, los cuales fueron presentados por primera vez hace una década, realizan una conversión DC/AC bidireccional. Comparten las características intrínsecas a los convertidores multinivel, pero añaden características adicionales realmente atractivas, como modularidad, escalabilidad y almacenamiento de energía distribuido, de este modo eliminando la necesidad de un condensador DC de gran capacidad. Esta tesis engloba tanto la topología MMC como los Transformadores de Estado Sólido derivados a partir de la citada topología. Se han incluido características operacionales como estrategias de modulación, métodos de equilibrado de la tensión de los condensadores y control del convertidor. Se ha presentado un exhaustivo análisis y clasificación de las estrategias de control existentes de la corriente circulante. Además, se ha estudiado el funcionamiento del MMC bajo condiciones de operación anormales que afecten a sus márgenes de tensión disponible, como pueden ser transitorios en los puertos de tensión AC o DC, o fallos en una o más celdas. Bajo estas circunstancias, el MMC puede ser forzado a operar en la región de sobremodulación. Este trabajo incluye los límites de tensión así como técnicas de sobremodulación. Los MMC convencionales se basan en celdas constituidas por un medio puente y un condensador. Las estrategias de control y modulación desarrolladas para los MMC buscan conseguir el equilibrio de potencias entre los puertos AC y DC, lo cual es necesario para mantener el valor medio de tensión de los condensadores de las celdas a su tensión objetivo. Sin embargo, es posible transferir potencia (absorber o entregar) a través de las celdas del MMC. Esto permite obtener nuevas características con gran potencial, como almacenamiento de energía distribuido, integración de recursos energéticos distribuidos a nivel de celda (DER) y convertidores multinivel multipuerto que combinan puertos de alta/baja tensión en DC/AC. Estos últimos conducen a topologías de transformadores de estado sólido basados en el MMC. Este trabajo propone la modificación de las celdas convencionales de los MMC para dotarlas de capacidad para transferir potencia y de este modo, la transformación de esta topología en convertidores multipuerto basados en MMC. Estos convertidores multipuerto pueden ser simétricos o asimétricos dependiendo del número y la posición de las celdas que transfieren potencia. Ambas opciones se abordan en esta tesis, incluyendo su análisis, estrategias de control y límites de operación. RESUMEN (en Inglés) Reducing the dependence on conventional fossil fuels has become a priority for industrialized countries due to environmental concerns, limited resources and the progressive increase of their cost. This scenario has pushed the penetration of renewable energies in the existing electric power system. However, massive integration of renewable energy into the existing and future grids poses major challenges, as a significant part of the installed capacity will be connected to the distribution levels. Innovative solutions based on high-power, high-voltage electronic power converters, like High Voltage Direct Current (HVDC), Flexible AC Transmission Systems (FACTS) and Solid State Transformers (SST) have the potential to cope with these challenges. Multilevel converters are well suited for medium-high voltage and power ranges which are required for electronic power converters connected to medium voltage electrical grids. Among these, Modular Multilevel Converters (MMCs) appear as a promising topology for applications requiring a high voltage DC port. MMCs, which was first introduced one decade ago, realizes a bidirectional DC/AC power conversion. It shares those advantages intrinsic to multilevel converters, but adds some additional attractive features, such as modularity, scalability and distributed energy storage, therefore eliminating the need of a bulk DC capacitor. This thesis covers both the MMC topology and Solid State Transformers mainly derived from MMC topology. Operational features such as modulation strategies, capacitor voltage balancing methods and control of the converter are covered. A thorough analysis and classification of existing circulating current control strategies is presented. Additionally, the MMC converter is also studied under abnormal operating conditions affecting to its voltage margins, such us transients in the DC or the AC ports voltages, or failures of one or more cells. Under these circumstances, the MMC can be forced to operate in the overmodulation region. Voltage limits and overmodulation techniques are discussed in this work. Conventional MMCs use cells consisting of a half-bridge and a capacitor. Control and modulation strategies developed for MMCs are aimed to balance the power between the AC and DC ports, which is needed to maintain the average voltage of the cells capacitors at its target value. It is possible however to transfer (absorb or deliver) power through the MMC cells. This enables new potential features, including distributed energy storage; integration of distributed energy resources (DER) at the cell level; and multiport multilevel power converters combining different low/high AC/DC ports, eventually leading to an MMC-based Solid State Transformer topology. This work proposes the modification of conventional cells in the Modular Multilevel Converter to provide power transfer capability and thus, the transformation of this topology into the so-called MMC-based multiport power converter. Such multiport power converter can be asymmetric and symmetric, depending on the number and location of cells transferring power. Both options are covered in this thesis including their analysis, control strategies and limits of operation.