Modular multilevel converter-transformers suitable for HVDC link installations and easy DC current breakings

Recent advancements in the technologies for power productions and the ever more demanding loads require unparalleled levels of grid flexibility and resilience. Therefore, the electrical power systems are undergoing fundamental transformations accommodating renewable energy integrations to meet stringent environmental targets. In this scenario, the High-Voltage Direct Current (HVDC) systems propose themselves as efficient transmission solutions over extended distances and large-scale grid interconnections. In fact, the technical advantages of HVDC become clear as the distances exceed several hundreds of kilometers for overhead transmission lines with the elimination of certain problems like the skin effect and the reduction of both corona effect and losses, the latter due to absence of reactive power. On a structural point of view, the bipolar HVDC configurations is less demanding then the AC due to only two conductors requirement that results in narrower transmission corridors and lower infrastructure investment costs. Despite these compelling advantages, several technical boundaries limit the advancement of these solutions such as DC fault interruptions. This doctoral research addresses these barriers that continue to hinder the implementation of a HVDC infrastructure. The topic is the development and the validation of an innovative power electronic solution that aim to redefine the approach to DC fault management with the advantages of the multilevel converter architecture. This focus is justified by converter stations being one of the major problem particularly for shorter transmission distances where the economic benefits may not justify the initial investment. Furthermore, the complex management of DC-side fault conditions have still no solutions adding too high investment risk. As extensively documented in the literature, the absence of zero-crossings complicates the fault interruption mechanism, making the AC circuit breakers ineffective for DC fault clearance. Specialized DC circuit breakers are under active research and development to close this technological gap, encompassing solid-state breakers, hybrid semiconductor-mechanical switching configurations, and advanced multilevel converter with integrated fault-blocking capabilities. In the light of this analysis, several device topologies are rapidly increasing sophistication pursuing superior efficiency, enhanced reliability, operational flexibility and improved power quality. Among these developments, Modular Multilevel Converters (MMCs) established themselves as the main solution for VSC-HVDC application due to their exceptional versatility and scalability across different voltage and power ratings. The main advantage of MMCs can be observed in the high efficient harmonic performance achieved through multilevel voltage synthesis that try to closely approximate a sinusoidal waveform reducing the harmonic distortion and minimizing the requirement for the AC filtering infrastructure. However, conventional MMC topologies exhibit inherent limitations. The elevated number of component counts brings elevated costs and operational complexity both in hardware and control system implementation. An important challenge is related to the required presence of capacitive or battery-based storage elements that necessitates of complex balancing algorithms for power flow and voltage level control. Furthermore, the DC-side fault scenarios remains a significant challenge. This doctoral research addresses these limitations through the comprehensive development and validation of a novel family of converter transformer devices, designed as "modular multilevel converter-transformer (MMCT)" or "Rettitrafo". This system, developed through a collaboration between Terna S.p.A., the Italian Transmission System Operator (TSO), and Politecnico di Milano, proposes as a step in the Terna's Development Plan 2023, designed for improving flexibility and efficiency of the Italian grid infrastructure to support the national energy transition objectives. The MMCT aims to maintain the harmonic performance and modular scalability of MMCs proposing an innovative solution for DC fault management. Furthermore, the device is built without energy storage elements fundamentally simplifying the control architecture and the control algorithms. The thesis wants to provide a comprehensive analytical framework for this device including theoretical principles, modeling methodologies, control system design and experimental validation. The initial phase of the research focused on the development of a highly detailed switching model implemented in Simulink® to capture the complex and nonlinear dynamics of the converter system. Due to the computational limitations, a Simplified Model based on average circuit approach was also developed. Rigorous control strategies were then designed, implemented and finally tested on a low voltage physical prototype demonstrating the feasibility of the converter fault interruption capability under realistic operating conditions.

I recenti progressi nelle tecnologie per la produzione di energia e i carichi sempre più esigenti richiedono livelli di flessibilità e resilienza della rete senza precedenti. Pertanto, i sistemi elettrici di potenza stanno attraversando trasformazioni fondamentali per accogliere l'integrazione di energie rinnovabili al fine di soddisfare rigorosi obiettivi ambientali. In questo scenario, i sistemi ad Alta Tensione in Corrente Continua (HVDC) si propongono come soluzioni di trasmissione efficienti su lunghe distanze e per interconnessioni di rete su larga scala. Infatti, i vantaggi tecnici dell'HVDC diventano evidenti quando le distanze superano diverse centinaia di chilometri per le linee di trasmissione aeree, con l'eliminazione di alcuni problemi come l'effetto pelle e la riduzione sia dell'effetto corona che delle perdite, quest'ultime dovute all'assenza di potenza reattiva. Da un punto di vista strutturale, le configurazioni HVDC bipolari sono meno impegnative rispetto alla corrente alternata grazie alla necessità di soli due conduttori, il che si traduce in corridoi di trasmissione più stretti e minori costi di investimento infrastrutturale. Nonostante tutti i vantaggi, diversi limiti tecnici ostacolano l'avanzamento di queste soluzioni, come le interruzioni di guasto in corrente continua. Questa ricerca di dottorato affronta queste barriere che continuano a ostacolare l'implementazione di un'infrastruttura HVDC. Il tema è lo sviluppo e la validazione di una soluzione innovativa di elettronica di potenza che mira a ridefinire l'approccio alla gestione dei guasti in corrente continua con i vantaggi dell'architettura di convertitore multilivello. Questa attenzione è giustificata dal fatto che le stazioni di conversione rappresentano uno dei maggiori problemi, in particolare per distanze di trasmissione più brevi dove i vantaggi economici potrebbero non giustificare l'investimento iniziale. Inoltre, la gestione complessa delle condizioni di guasto lato corrente continua non ha ancora soluzioni, aggiungendo un rischio di investimento troppo elevato. Come ampiamente documentato in letteratura, l'assenza di attraversamenti per lo zero della corrente complica il meccanismo di interruzione del guasto, rendendo gli interruttori in corrente alternata inefficaci per l'eliminazione dei guasti in corrente continua. Gli interruttori in corrente continua sono tuttora oggetto di ricerca e sviluppo per colmare questo divario tecnologico, tra cui troviamo interruttori a stato solido, configurazioni ibride di commutazione semiconduttore-meccanica e convertitori multilivello avanzati con capacità integrate di blocco dei guasti. Alla luce di questa analisi, diverse topologie di dispositivi si stanno rapidamente sofisticando perseguendo efficienza superiore, affidabilità migliorata, flessibilità operativa e miglior qualità di potenza trasmessa. Tra questi sviluppi, i Convertitori Modulari Multilivello (MMC) si sono affermati come la soluzione principale per le applicazioni VSC-HVDC grazie alla loro eccezionale versatilità e scalabilità su diverse tensioni e potenze nominali. Il principale vantaggio degli MMC può essere osservato in basso contenuto armonico e alta efficienza ottenute attraverso la sintesi di tensione multilivello che cerca di approssimare quanto più fedelmente possibile una forma d'onda sinusoidale riducendo la distorsione armonica e minimizzando i requisiti per l'infrastruttura di filtraggio in corrente alternata. Tuttavia, le topologie MMC convenzionali presentano limitazioni intrinseche. L'elevato numero di componenti comporta costi elevati e complessità operativa sia nell'hardware che nell'implementazione del sistema di controllo. Una sfida importante è legata alla necessaria presenza di elementi di accumulo capacitivi o a batterie che necessitano di algoritmi di bilanciamento complessi per il controllo del flusso di potenza e del livello di tensione. Inoltre, gli scenari di guasto lato corrente continua rimangono una sfida significativa. Questa ricerca di dottorato affronta queste limitazioni attraverso lo sviluppo e la validazione completi di una nuova famiglia di dispositivi trasformatori convertitori, progettati come "convertitore-trasformatore modulare multilivello (MMCT)" o "Rettitrafo". Questo sistema, sviluppato attraverso una collaborazione tra Terna S.p.A., il Gestore della Rete di Trasmissione Italiana (TSO), e il Politecnico di Milano, vuole proporsi come un passo in avanti nel Piano di Sviluppo 2023 di Terna, progettato per migliorare la flessibilità e l'efficienza dell'infrastruttura di rete italiana per supportare gli obiettivi nazionali di transizione energetica. L'MMCT mira a mantenere le prestazioni armoniche e la scalabilità modulare degli MMC proponendo una soluzione innovativa per la gestione dei guasti in corrente continua. Inoltre, il dispositivo è costruito senza elementi di accumulo di energia semplificando fondamentalmente l'architettura di controllo e gli algoritmi di controllo. La tesi vuole fornire un quadro analitico completo per questo dispositivo includendo principi teorici, metodologie di modellazione, progettazione del sistema di controllo e validazione sperimentale. La fase iniziale della ricerca si è concentrata sullo sviluppo di un modello di commutazione altamente dettagliato implementato in Simulink® per catturare le dinamiche complesse e non lineari del sistema di conversione. A causa delle limitazioni computazionali, è stato sviluppato anche un Modello Semplificato basato sull'approccio a circuito medio. Strategie di controllo rigorose sono state quindi progettate, implementate e infine testate su un prototipo fisico a bassa tensione dimostrando la fattibilità della capacità di interruzione del guasto del convertitore in condizioni operative realistiche.