Topology and control of transformer-less modular multilevel DC-DC converters for HVDC grid application

A high-voltage direct current (HVDC) system is more efficient at transmitting power over long distances than a high-voltage alternating current (HVAC) system. With the increase in renewable energy integration, HVDC technology is more important for the efficient integration of distributed energy sources (DERs) into grids. The features of a modular multilevel converter (MMC) make it the topology of choice for high-power applications for HVDC systems. To interconnect DC networks with different voltage levels, a DC-DC converter is a crucial component that plays the role of the AC transformer in the AC system. This thesis focuses on the topology of a transformer-less MMC DC-DC converter for HVDC grid applications and its control strategy. The main objective of the thesis is to develop a fully switch-based MMC DC-DC topology without using a transformer or passive filters. The proposed topologies have a hybrid combination of half-bridge submodules (HBSMs) and full-bridge submodules (FBSMs). Moreover, by taking advantage of both HBSMs and FBSMs, the proposed MMC DC-DC converter has the DC fault ride-through capability, which is necessary in DC systems. A family of transformer-less hybrid MMC DC-DC converters with T-type connections is investigated. The optimal selection rules of the submodule (SM) type, based on switch utilization and DC fault blocking capability, are evaluated under different voltage conversion ratios. A modified topology is also investigated to reduce the circulating current that balances the energy between the arms, which has delta-connected FBSMs to simultaneously maintain the unity power operation of the arms with HBSMs and the DC fault ride-through capability. In addition to the topology of an MMC DC-DC converter, a control strategy based on the model predictive control (MPC) of the MMC is presented. A voltage-level based MPC is proposed to address the issue of the large computational burden of conventional MPC used in MMC applications. Instead of directly selecting the switching states, the proposed predictive control has a hierarchical structure that first selects the optimal voltage level by assuming that the capacitor voltage of all SMs is balanced and then balances the capacitor voltages by using a separate control loop. The proposed predictive control is applied to the MMC DC-DC converter to guarantee the converter's fast response during transient operation.The performance of the proposed topology and control strategy is validated using both real-time simulation and a lab-scale, experimental test bench.Un système à courant continu haute tension (CCHT) est plus efficace pour transporter de l'électricité sur de longues distances qu'un système à courant alternatif haute tension (CAHT). Avec l'augmentation de l'intégration de l'énergie renouvelable, la technologie CCHT est plus importante pour l'intégration efficace des sources d'énergie distribuée (DER) dans les réseaux. Les caractéristiques d'un convertisseur modulaire multiniveaux (MMC) en font la topologie de choix pour les applications à grande puissance pour les systèmes CCHT. Afin d'interconnecter des réseaux à c.c. présentant différentes tensions, un convertisseur c.c.-c.c. constitue un élément essentiel qui joue le rôle du transformateur c.a. dans le système à c.a. La présente thèse est axée sur la topologie et la stratégie de commande d'un convertisseur c.c.-c.c. modulaire multiniveaux sans transformateur pour des applications de réseau CCHT. Le principal objectif de la thèse consiste à mettre au point une topologie c.c.-c.c. modulaire multiniveaux entièrement fondée sur un commutateur sans recourir à un transformateur ou à des filtres passifs. Les topologies proposées présentent une combinaison hybride de sous-modules en demi-pont (HBSM) et en pont complet (FBSM). De plus, en tirant parti des sous-modules en demi-pont et en pont complet, le convertisseur c.c.-c.c. modulaire multiniveaux comporte la capacité de maintien d'alimentation en cas de panne du courant continu nécessaire pour les systèmes à c.c. Une gamme de convertisseurs c.c.-c.c. modulaires multiniveaux hybrides sans transformateur fait l'objet d'une étude. Les règles de sélection optimales du type de sous-module, fondées sur l'utilisation de commutateurs et la fonctionnalité de blocage de défauts du courant continu, sont évaluées en vertu de différents scénarios de conversion de tension. Une topologie modifiée est également à l'étude pour réduire le courant de circulation qui équilibre l'énergie entre les branches, qui présente des sous-modules en pont complet connectés en delta pour maintenir simultanément le fonctionnement à puissance unitaire des branches avec les sous-modules en demi-pont et la capacité de maintien d'alimentation en cas de panne de courant continu. Outre la topologie d'un convertisseur c.c.-c.c. modulaire multiniveaux, une stratégie de commande fondée sur la commande prédictive de modèle (MPC) du convertisseur modulaire multiniveaux est présentée. Une commande prédictive de modèle fondée sur le niveau de tension est proposée afin de corriger le problème de l'importante charge de calcul de la commande prédictive de modèle classique utilisée dans des applications de convertisseur modulaire multiniveaux. Plutôt que de sélectionner directement les états de commutation, la commande prédictive proposée est dotée d'une structure hiérarchique qui sélectionne d'abord le niveau de tension optimal en présumant que la tension du condensateur de tous les sous-modules est équilibrée, puis elle équilibre les tensions du condensateur en utilisant une boucle de commande distincte. La commande prédictive proposée est appliquée au convertisseur c.c.-c.c. modulaire multiniveaux afin de garantir la réponse rapide du convertisseur durant un fonctionnement transitoire.Le rendement de la topologie et de la stratégie de commande proposées est validé au moyen d'une simulation en temps réel et d'un essai au banc expérimental en laboratoire