Modular Multilevel Converters for HVDC power stations

This work was performed in the frame of collaboration between the Laboratory on Plasma and Energy Conversion (LAPLACE), University of Toulouse, and the Second University of Naples (SUN). This work was supported by Rongxin Power Electronic Company (China) and concerns the use of multilevel converters in High Voltage Direct Current (HVDC) transmission. For more than one hundred years, the generation, the transmission, distribution and uses of electrical energy were principally based on AC systems. HVDC systems were considered some 50 years ago for technical and economic reasons. Nowadays, it is well known that HVDC is more convenient than AC for overhead transmission lines from 800 - 1000 km long. This break-even distance decreases up to 50 km for underground or submarine cables. Over the twenty-first century, HVDC transmissions will be a key point in green electric energy development. Due to the limitation in current capability of semiconductors and electrical cables, high power applications require high voltage converters. Thanks to the development of high voltage semiconductor devices, it is now possible to achieve high power converters for AC/DC conversion in the GW power range. For several years, multilevel voltage source converters allow working at high voltage level and draw a quasi-sinusoidal voltage waveform. Classical multilevel topologies such as NPC and Flying Capacitor VSIs were introduced twenty years ago and are nowadays widely used in Medium Power applications such as traction drives. In the scope of High Voltage AC/DC converters, the Modular Multilevel Converter (MMC), proposed ten years ago by Professor R. Marquardt from the University of Munich (Germany), appeared particularly interesting for HVDC transmissions. On the base of the MMC principle, this thesis considers different topologies of elementary cells which make the High Voltage AC/DC converter more flexible and easy suitable respect to different voltage and current levels. The document is organized as follow. Firstly, HVDC power systems are introduced. Conventional configurations of Current Source Converters (CSCs) and Voltage Source Converters (VSCs) are shown. The most attractive topologies for VSC-HVDC systems are analyzed. The operating principle of the MMC is presented and the sizing of reactive devices is developed by considering an open loop and a closed loop control. Different topologies of elementary cells offer various properties in current or voltage reversibility on the DC side. To compare the different topologies, an analytical approach on the power losses evaluation is achieved which made the calculation very fast and direct. A HVDC link to connect an off-shore wind farm platform is considered as a case study. The nominal power level is 100 MW with a DC voltage of 160 kV. The MMC is rated considering press-packed IGBT and IGCT devices. Simulations validate the calculations and also allow analyzing fault conditions. The study is carried out by considering a classical PWM control with an interleaving of the cells. In order to validate calculation and the simulation results, a 10kW three-phase prototype was built. It includes 18 commutation cells and its control system is based on a DSP-FGPA platform.Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le cadre d'une collaboration entre le LAboratoire PLAsma et Conversion d'Énergie (LAPLACE), Université de Toulouse, et la Seconde Université de Naples (SUN). Ce travail a reçu le soutien de la société Rongxin Power Electronics (Chine) et traite de l'utilisation des convertisseurs multi-niveaux pour le transport d'énergie électrique en courant continu Haute Tension (HVDC). Depuis plus d'un siècle, la génération, la transmission, la distribution et l'utilisation de l'énergie électrique sont principalement basées sur des systèmes alternatifs. Les systèmes HVDC ont été envisagés pour des raisons techniques et économiques dès les années 60. Aujourd'hui il est unanimement reconnu que ces systèmes de transport d'électricité sont plus appropriés pour les lignes aériennes au-delà de 800 km de long. Cette distance limite de rentabilité diminue à 50 km pour les liaisons enterrées ou sous-marines. Les liaisons HVDC constituent un élément clé du développement de l'énergie électrique verte pour le XXIème siècle. En raison des limitations en courant des semi-conducteurs et des câbles électriques, les applications à forte puissance nécessitent l'utilisation de convertisseurs haute tension (jusqu'à 500 kV). Grâce au développement de composants semi-conducteurs haute tension et aux architectures multicellulaires, il est désormais possible de réaliser des convertisseurs AC/DC d'une puissance allant jusqu'au GW. Les convertisseurs multi-niveaux permettent de travailler en haute tension tout en délivrant une tension quasi-sinusoïdale. Les topologies multi-niveaux classiques de type NPC ou " Flying Capacitor " ont été introduites dans les années 1990 et sont aujourd'hui couramment utilisées dans les applications de moyenne puissance comme les systèmes de traction. Dans le domaine des convertisseurs AC/DC haute tension, la topologie MMC (Modular Multilevel Converter), proposée par le professeur R. Marquardt (Université de Munich, Allemagne) il y a dix ans, semble particulièrement intéressante pour les liaisons HVDC. Sur le principe d'une architecture de type MMC, le travail de cette thèse propose différentes topologies de blocs élémentaires permettant de rendre le convertisseur AC/DC haute tension plus flexible du point de vue des réversibilités en courant et en tension. Ce document est organisé de la manière suivante. Les systèmes HVDC actuellement utilisés sont tout d'abord présentés. Les configurations conventionnelles des convertisseurs de type onduleur de tension (VSCs) ou de type onduleur de courant (CSCs) sont introduites et les topologies pour les systèmes VSC sont ensuite plus particulièrement analysées. Le principe de fonctionnement de la topologie MMC est ensuite présenté et le dimensionnement des éléments réactifs est développé en considérant une commande en boucle ouverte puis une commande en boucle fermée. Plusieurs topologies de cellules élémentaires sont proposées afin d'offrir différentes possibilités de réversibilité du courant ou de la tension du côté continu. Afin de comparer ces structures, une approche analytique de l'estimation des pertes est développée. Elle permet de réaliser un calcul rapide et direct du rendement du système. Une étude de cas est réalisée en considérant la connexion HVDC d'une plateforme éolienne off-shore. La puissance nominale du système étudié est de 100 MW avec une tension de bus continu égale à 160 kV. Les différentes topologies MMC sont évaluées en utilisant des IGBT ou des IGCT en boitier pressé. Les simulations réalisées valident l'approche analytique faite précédemment et permettent également d'analyser les modes de défaillance. L'étude est menée dans le cas d'une commande MLI classique avec entrelacement des porteuses. Enfin, un prototype triphasé de 10kW est mis en place afin de valider les résultats obtenus par simulation. Le système expérimental comporte 18 cellules de commutations et utilise une plate-forme DSP-FPGA pour l'implantation des algorithmes de commande