HVDC transmission systems: Bipolar back-to-back diode clamped multilevel converter with fastoptimum-predictive control and capacitor balancing strategy

Voltage source multilevel power converter structures are being considered for high power high voltage applications where they have well known advantages. Recently, full back-to-back connected multilevel neutral diode clamped converters (NPC) have been used in high voltage direct current (HVDC) transmission systems. Bipolar back-to-back connection of NPCs have advantages in long distance HVDC transmission systems, but highly increased difficulties to balance the dc capacitor voltage dividers on both sending and receiving end NPCs. This paper proposes a fast optimum-predictive controller to balance the dc capacitor voltages and to control the power flow in a long distance HVDCsystem using bipolar back-to-back connected NPCs. For both converter sides, the control strategy considers active and reactive power to establish ac grid currents on sending and receiving ends, while guaranteeing the balancing of both NPC dc bus capacitor voltages. Furthermore, the fast predictivecontroller minimizes the semiconductor switching frequency to reduce global switching losses. The performance and robustness of the new fast predictive control strategy and the associated dc capacitors voltage balancing are evaluated. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Simulation of a rectifier malfunction on a offshore wind system with HVDC transmission

A new integrated mathematical model for the simulation of an offshore wind system having a rectifier input voltage malfunction at one phase is presented in this paper. The mathematical model considers an offshore variable-speed wind turbine on a floating platform, equipped with a permanent magnet synchronous generator using full-power three-level converter to inject energy into the electric network, through a high voltage direct current transmission submarine cable. The model for the drive train is a discrete three mass, incorporating the dynamic of the moving surface. A case study is presented to access conclusion about the malfunction.

An advanced thyristor valve for HVDC transmission

The development of an advanced outdoor valve requires coordinated research in the areas of light-triggered self-protecting thyristors, light triggering systems, insulation, cooling and mechanical design aspects. This thesis addresses the first two areas primarily, with a conceptual discussion of the remainder. Using the experience gained from evaluation of a prototype thyristor and computer IKdelling of turn-on behaviour, a light-triggered thyristor with immunity to damage from weak optical triggering and dv/dt triggering was designed, manufactured and evaluated. The optical turn-on process was investigated by measuring currents and voltages in the gate structure during turn-on, and this yielded insights not obtained through conventional measurement techniques. The mechanism by which the thyristor was immune to weak triggering damage is explained, and techniques for optimising the design of the gate structure are proposed. The most significant achievement, however, was the first demonstration of the feasibility of self-protection against forward recovery failure onditions. Furthermore, this was achieved without the need for complex structures or high levels of irradiation. The perfomance of the devices was limited by the inrush capability of the Zones, but it is believed that this can be improved by conventional means. A light triggering system was developed using sem~conductor lasers, and this incorporated several improvements over prior art In terms of optical performance and flexibility.

Protection schemes for meshed VSC-HVDC transmission systems for large-scale offshore wind farms

This chapter discusses network protection of high-voltage direct current (HVDC) transmission systems for large-scale offshore wind farms where the HVDC system utilizes voltage-source converters. The multi-terminal HVDC network topology and protection allocation and configuration are discussed with DC circuit breaker and protection relay configurations studied for different fault conditions. A detailed protection scheme is designed with a solution that does not require relay communication. Advanced understanding of protection system design and operation is necessary for reliable and safe operation of the meshed HVDC system under fault conditions. Meshed-HVDC systems are important as they will be used to interconnect large-scale offshore wind generation projects. Offshore wind generation is growing rapidly and offers a means of securing energy supply and addressing emissions targets whilst minimising community impacts. There are ambitious plans concerning such projects in Europe and in the Asia-Pacific region which will all require a reliable yet economic system to generate, collect, and transmit electrical power from renewable resources. Collective offshore wind farms are efficient and have potential as a significant low-carbon energy source. However, this requires a reliable collection and transmission system. Offshore wind power generation is a relatively new area and lacks systematic analysis of faults and associated operational experience to enhance further development. Appropriate fault protection schemes are required and this chapter highlights the process of developing and assessing such schemes. The chapter illustrates the basic meshed topology, identifies the need for distance evaluation, and appropriate cable models, then details the design and operation of the protection scheme with simulation results used to illustrate operation. © Springer Science+Business Media Singapore 2014.

Simulation of offshore wind system with three-level converters: HVDC power transmission in cloud scope

This paper is on a simulation for offshore wind systems in deep water under cloud scope. The system is equipped with a permanent magnet synchronous generator and a full-power three-level converter, converting the electric energy at variable frequency in one at constant frequency. The control strategies for the three-level are based on proportional integral controllers. The electric energy is injected through a HVDC transmission submarine cable into the grid. The drive train is modeled by a three-mass model taking into account the resistant stiffness torque, structure and tower in the deep water due to the moving surface elevation. Conclusions are taken on the influence of the moving surface on the energy conversion. © IFIP International Federation for Information Processing 2015.

HVDC Power Transmission Simulation for Offshore Wind System with Three-Level Converter

An integrated mathematical model for the simulation of an offshore wind system performance is presented in this paper. The mathematical model considers an offshore variable-speed turbine in deep water equipped with a permanent magnet synchronous generator using multiple point full-power clamped three-level converter, converting the energy of a variable frequency source in injected energy into the electric network with constant frequency, through a HVDC transmission submarine cable. The mathematical model for the drive train is a concentrate two mass model which incorporates the dynamic for the blades of the wind turbine, tower and generator due to the need to emulate the effects of the wind and the floating motion. Controller strategy considered is a proportional integral one. Also, pulse width modulation using space vector modulation supplemented with sliding mode is used for trigger the transistors of the converter. Finally, a case study is presented to access the system performance.

Fast optimum-predictive control and capacitor voltage balancing strategy for bipolar back-to-back NPC converters in high-voltage direct current transmission systems

Multilevel power converters have been introduced as the solution for high-power high-voltage switching applications where they have well-known advantages. Recently, full back-to-back connected multilevel neutral point diode clamped converters (NPC converter) have been used inhigh-voltage direct current (HVDC) transmission systems. Bipolar-connected back-to-back NPC converters have advantages in long-distance HVDCtransmission systems over the full back-to-back connection, but greater difficulty to balance the dc capacitor voltage divider on both sending and receiving end NPC converters. This study shows that power flow control and dc capacitor voltage balancing are feasible using fast optimum-predictive-based controllers in HVDC systems using bipolar back-to-back-connected five-level NPC multilevel converters. For both converter sides, the control strategytakes in account active and reactive power, which establishes ac grid currents in both ends, and guarantees the balancing of dc bus capacitor voltages inboth NPC converters. Additionally, the semiconductor switching frequency is minimised to reduce switching losses. The performance and robustness of the new fast predictive control strategy, and its capability to solve the DC capacitor voltage balancing problem of bipolar-connected back-to-back NPCconverters are evaluated.

Full Bridge MMC Converter Optimal Design to HVDC Operational Requirements

This project is funded by RTE, Paris, France

Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien

Sowohl die Ressourcenproblematik als auch die drohenden Ausmaße der Klimaänderung lassen einen Umstieg auf andere Energiequellen langfristig unausweichlich erscheinen und mittelfristig als dringend geboten. Unabhängig von der Frage, auf welchem Niveau sich der Energiebedarf stabilisieren lässt, bleibt dabei zu klären, welche Möglichkeiten sich aus technischer und wirtschaftlicher Sicht in Zukunft zur Deckung unseres Energiebedarfs anbieten. Eine aussichtsreiche Option besteht in der Nutzung regenerativer Energien in ihrer ganzen Vielfalt. Die Arbeit "Szenarien zur zukünftigen Stromversorgung, kostenoptimierte Variationen zur Versorgung Europas und seiner Nachbarn mit Strom aus erneuerbaren Energien" konzentriert sich mit der Stromversorgung auf einen Teilaspekt der Energieversorgung, der zunehmend an Wichtigkeit gewinnt und als ein Schlüssel zur nachhaltigen Energieversorgung interpretiert werden kann. Die Stromversorgung ist heute weltweit für etwa die Hälfte des anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich. In dieser Arbeit wurden anhand verschiedener Szenarien Möglichkeiten einer weitgehend CO2–neutralen Stromversorgung für Europa und seine nähere Umgebung untersucht, wobei das Szenariogebiet etwa 1,1 Mrd. Einwohner und einen Stromverbrauch von knapp 4000 TWh/a umfasst. Dabei wurde untersucht, wie die Stromversorgung aufgebaut sein sollte, damit sie möglichst kostengünstig verwirklicht werden kann. Diese Frage wurde beispielsweise für Szenarien untersucht, in denen ausschließlich heute marktverfügbare Techniken berücksichtigt wurden. Auch der Einfluss der Nutzung einiger neuer Technologien, die bisher noch in Entwicklung sind, auf die optimale Gestaltung der Stromversorgung, wurde anhand einiger Beispiele untersucht. Die Konzeption der zukünftigen Stromversorgung sollte dabei nach Möglichkeit objektiven Kriterien gehorchen, die auch die Vergleichbarkeit verschiedener Versorgungsansätze gewährleisten. Dafür wurde ein Optimierungsansatz gewählt, mit dessen Hilfe sowohl bei der Konfiguration als auch beim rechnerischen Betrieb des Stromversorgungssystems weitgehend auf subjektive Entscheidungsprozesse verzichtet werden kann. Die Optimierung hatte zum Ziel, für die definierte möglichst realitätsnahe Versorgungsaufgabe den idealen Kraftwerks- und Leitungspark zu bestimmen, der eine kostenoptimale Stromversorgung gewährleistet. Als Erzeugungsoptionen werden dabei u.a. die Nutzung Regenerativer Energien durch Wasserkraftwerke, Windenergiekonverter, Fallwindkraftwerke, Biomassekraftwerke sowie solare und geothermische Kraftwerke berücksichtigt. Abhängig von den gewählten Randbedingungen ergaben sich dabei unterschiedliche Szenarien. Das Ziel der Arbeit war, mit Hilfe unterschiedlicher Szenarien eine breite Basis als Entscheidungsgrundlage für zukünftige politische Weichenstellungen zu schaffen. Die Szenarien zeigen Optionen für eine zukünftige Gestaltung der Stromversorgung auf, machen Auswirkungen verschiedener – auch politischer – Rahmenbedingungen deutlich und stellen so die geforderte Entscheidungsgrundlage bereit. Als Grundlage für die Erstellung der Szenarien mussten die verschiedenen Potentiale erneuerbarer Energien in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung ermittelt werden, mit denen es erstmals möglich war, die Fragen einer großräumigen regenerativen Stromversorgung ohne ungesicherte Annahmen anhand einer verlässlichen Datengrundlage anzugehen. Auch die Charakteristika der verschiedensten Energiewandlungs- und Transportsysteme mussten studiert werden und sind wie deren Kosten und die verschiedenen Potentiale in der vorliegenden Arbeit ausführlich diskutiert. Als Ausgangsszenario und Bezugspunkt dient ein konservatives Grundszenario. Hierbei handelt es sich um ein Szenario für eine Stromversorgung unter ausschließlicher Nutzung erneuerbarer Energien, die wiederum ausschließlich auf heute bereits entwickelte Technologien zurückgreift und dabei für alle Komponenten die heutigen Kosten zugrundelegt. Dieses Grundszenario ist dementsprechend auch als eine Art konservative Worst-Case-Abschätzung für unsere Zukunftsoptionen bei der regenerativen Stromversorgung zu verstehen. Als Ergebnis der Optimierung basiert die Stromversorgung beim Grundszenario zum größten Teil auf der Stromproduktion aus Windkraft. Biomasse und schon heute bestehende Wasserkraft übernehmen den überwiegenden Teil der Backup-Aufgaben innerhalb des – mit leistungsstarker HGÜ (Hochspannungs–Gleichstrom–Übertragung) verknüpften – Stromversorgungsgebiets. Die Stromgestehungskosten liegen mit 4,65 €ct / kWh sehr nahe am heute Üblichen. Sie liegen niedriger als die heutigen Preisen an der Strombörse. In allen Szenarien – außer relativ teuren, restriktiv ”dezentralen” unter Ausschluss großräumig länderübergreifenden Stromtransports – spielt der Stromtransport eine wichtige Rolle. Er wird genutzt, um Ausgleichseffekte bei der dargebotsabhängigen Stromproduktion aus erneuerbaren Quellen zu realisieren, gute kostengünstige Potentiale nutzbar zu machen und um die Speicherwasserkraft sowie die dezentral genutzte Biomasse mit ihrer Speicherfähigkeit für großräumige Backup-Aufgaben zu erschließen. Damit erweist sich der Stromtransport als einer der Schlüssel zu einer kostengünstigen Stromversorgung. Dies wiederum kann als Handlungsempfehlung bei politischen Weichenstellungen interpretiert werden, die demnach gezielt auf internationale Kooperation im Bereich der Nutzung erneuerbarer Energien setzen und insbesondere den großräumigen Stromtransport mit einbeziehen sollten. Die Szenarien stellen detaillierte und verlässliche Grundlagen für wichtige politische und technologische Zukunftsentscheidungen zur Verfügung. Sie zeigen, dass bei internationaler Kooperation selbst bei konservativen Annahmen eine rein regenerative Stromversorgung möglich ist, die wirtschaftlich ohne Probleme zu realisieren wäre und verweisen den Handlungsbedarf in den Bereich der Politik. Eine wesentliche Aufgabe der Politik läge darin, die internationale Kooperation zu organisieren und Instrumente für eine Umgestaltung der Stromversorgung zu entwickeln. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass nicht nur ein sinnvoller Weg zu einer CO2–neutralen Stromversorgung beschritten würde, sondern sich darüber hinaus ausgezeichnete Entwicklungsperspektiven für die ärmeren Nachbarstaaten der EU und Europas eröffnen.

Studio, simulazione e verifica sperimentale di tecniche di controllo per convertitori multilivello modulari

L’evoluzione dei componenti elettronici di potenza ed il conseguente sviluppo dei convertitori statici dell’energia elettrica hanno consentito di ottenere un’elevata efficienza energetica, sia nell’ambito degli azionamenti elettrici, sia nell’ambito della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. L’efficienza energetica è una questione molto importante nell’attuale contesto storico, in quanto si sta facendo fronte ad una elevatissima richiesta di energia, sfruttando prevalentemente fonti di energia non rinnovabili. L’introduzione dei convertitori statici ha reso possibile un notevolissimo incremento dello sfruttamento delle fonti di energia rinnovabili: si pensi ad esempio agli inverter per impianti fotovoltaici o ai convertitori back to back per applicazioni eoliche. All’aumentare della potenza di un convertitore aumenta la sua tensione di esercizio: le limitazioni della tensione sopportabile dagli IGBT, che sono i componenti elettronici di potenza di più largo impiego nei convertitori statici, rendono necessarie modifiche strutturali per i convertitori nei casi in cui la tensione superi determinati valori. Tipicamente in media ed alta tensione si impiegano strutture multilivello. Esistono più tipi di configurazioni multilivello: nel presente lavoro è stato fatto un confronto tra le varie strutture esistenti e sono state valutate le possibilità offerte dall’architettura innovativa Modular Multilevel Converter, nota come MMC. Attualmente le strutture più diffuse sono la Diode Clamped e la Cascaded. La prima non è modulare, in quanto richiede un’apposita progettazione in relazione al numero di livelli di tensione. La seconda è modulare, ma richiede alimentazioni separate e indipendenti per ogni modulo. La struttura MMC è modulare e necessita di un’unica alimentazione per il bus DC, ma la presenza dei condensatori richiede particolare attenzione in fase di progettazione della tecnica di controllo, analogamente al caso del Diode Clamped. Un esempio di possibile utilizzo del convertitore MMC riguarda le trasmissioni HVDC, alle quali si sta dedicando un crescente interesse negli ultimi anni.

Distributed Power balance and damping control for high power multiport LCL DC hub

This project is funded by European Research Council in FP7; grant no 259328, 2010 and EPSRC grant no EP/K006428/1, 2013.

Distributed Power balance and damping control for high power multiport LCL DC hub

This project is funded by European Research Council in FP7; grant no 259328, 2010 and EPSRC grant no EP/K006428/1, 2013.

Simulation of offshore wind system with two-level converters: HVDC power transmission

A new integrated mathematical model for the simulation of offshore wind energy conversion system performance is presented in this paper. The mathematical model considers an offshore variable-speed turbine in deep water equipped with a permanent magnet synchronous generator using full-power two-level converter, converting the energy of a variable frequency source in injected energy into the electric network with constant frequency, through a high voltage DC transmission submarine cable. The mathematical model for the drive train is a concentrate two mass model which incorporates the dynamic for the structure and tower due to the need to emulate the effects of the moving surface. Controller strategy considered is a proportional integral one. Also, pulse width modulation using space vector modulation supplemented with sliding mode is used for trigger the transistor of the converter. Finally, a case study is presented to access the system performance. © 2014 IEEE.

Simulation of offshore wind system with two levels converters: HVDC power transmission

A new integrated mathematical model for the simulation of offshore wind energy conversion system performance is presented in this paper. The mathematical model considers an offshore variable-speed turbine in deep water equipped with a permanent magnet synchronous generator using full-power two-level converter, converting the energy of a variable frequency source in injected energy into the electric network with constant frequency, through a high voltage DC transmission submarine cable. The mathematical model for the drive train is a concentrate two mass model which incorporates the dynamic for the structure and tower due to the need to emulate the effects of the moving surface. Controller strategy considered is a proportional integral one. Also, pulse width modulation using space vector modulation supplemented with sliding mode is used for trigger the transistor of the converter. Finally, a case study is presented to access the system performance. © 2014 IEEE.

Metodologia para o cálculo de harmônicas em conversores de potência no sistema HVDC

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS