Dynamic Averaged Models of VSC-Based HVDC Systems for Electromagnetic Transient Programs

Les systèmes d'haute tension à courant continu (HTCC) basés sur technologies de convertisseur de source de tension (CST) offrent des prometteur opportunités dans une variété de domaines au sein de l'industrie des systèmes de puissance en raison de leurs avantages reconnus par rapport aux systèmes HTCC classiques basés à convertisseurs de commutation de ligne (CCL). La technologie CST-HTCC combine des convertisseurs de puissance, basé sur des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), avec des liens au courant continus pour transmettre la puissance dans l'ordre de milliers de mégawatts. En plus de contrôler le flux d'énergie entre deux réseaux à courant alternatif, les systèmes CST-HTCC peuvent fournir de réseaux faibles et même des réseaux passifs. Les systèmes CST-HTCC présentent une réponse dynamique plus rapide grâce à la méthode de modulation de largeur d'impulsions (MLI) en comparaison avec l'opération de commutation de fréquence fondamentale des systèmes HTCC traditionnels. Représentation détaillée des systèmes CST-HTCC dans les programmes d'Électromagnétique Transitoire (EMT) comprend la modélisation des valves IGBT et doit normalement utiliser de pas d'intégration petit pour représenter avec précision les événements de commutation rapides. Les simulations et les calculs informatiques introduits par les modèles détaillés compliquent l'étude des événements en régime permanent et transitoire mettant en évidence la nécessité de développer des modèles plus efficaces qui assurent un comportement similaire de la réponse dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des modèles moyennés qui reproduit avec précision le comportement statique et dynamique, en plus les transitoires des systèmes CST-HTCC dans des programmes de type EMT. Ces modèles simplifiés représentent la valeur moyenne des réponses des dispositifs de commutation, convertisseurs, et des contrôles à l'aide de techniques de valeur moyenne, de sources contrôlées et des fonctions de commutation. Cette thèse contribue également à l'élaboration de modèles CST détaillés utilisés pour valider les modèles moyenne proposés. Les modèles détaillés développés comprennent convertisseur avec topologies à deux et à trois niveaux et la plus récente topologie du convertisseur modulaire multiniveaux (CMM). Comparaison des différentes topologies de convertisseur approprié pour VSC-HVDC transmission, y compris leurs avantages et leurs limitations, sont également discutés.

Abstract

High Voltage Direct Current (HVDC) systems based on Voltage-sourced Converter (VSC) technologies present a bright opportunity in a variety of fields within the power system industry due to their recognized advantages in comparison to conventional line-commutated converter (LCC) based HVDC systems. VSC-HVDC technology combines power converters, based on IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), with dc links to transmit power in the order of thousands of megawatts. In addition to controlling power flow between two ac networks, VSC-HVDC systems can supply weak and even passive networks. VSC-HVDC systems present a faster dynamic response thanks to its Pulse-width Modulation (PWM) control in comparison with the fundamental switching frequency operation of traditional HVDC systems. Detailed representation of VSC-HVDC systems in Electro Magnetic Transient (EMT) programs includes the modeling of IGBT valves and must normally use small integration time-steps to accurately represent fast switching events. Computational burden introduced by such a detailed models complicates the study of steady-state and transient events highlighting the need to develop more efficient models that provide similar behavior and dynamic response. The objective of this thesis is to develop, test and validate averaged models to accurately replicate the steady-state, dynamic and transient behavior of VSC-based HVDC systems in EMT-type programs. These simplified models represent the average response of switching devices and converters by using averaging techniques involving controlled sources and switching functions. The work also contributes to the development of detailed VSC models used to validate the proposed average models. The detailed models developed include two- and three-level converter topologies and the most recent Modular Multilevel Converter (MMC) topology. Comparison of different converter topologies suitable to VSC-HVDC transmission, including their advantages and limitations, are also discussed. A control system is implemented based on vector control which permits independent control both active and reactive power (and/or voltage) at each VSC terminal. Available modulation techniques are presented and compared in terms of performance and power quality.