Hybrid Converters for HVDC Transmission

• The line-commutated converter (LCC) and the voltage-source converter (VSC) are the two main converter technologies utilized in high-voltage direct current (HVDC) transmission applications. Depending on the application requirements, one technology might be more advantageous than the other. On the one hand, the LCC features technological maturity, high efficiency, and high power-transfer capability, but it lacks the ability to independently control active and reactive power and to ride through ac faults. On the other hand, the VSC overcomes the shortcomings of the LCC and offers more functionality, as it features the ability to independently control active and reactive power, ac-fault ride through capability, black-start capability, and superior harmonic performance. Yet, it is less mature, less efficient, and has lower power-transfer capability than the LCC. Thus, the combination of the LCC and the VSC topologies could yield hybrid converters that leverage the complementary characteristics of both technologies and thus are optimized for HVDC applications. Therefore, the main objective of this thesis is to investigate existing and derive new hybrid converters that combine the complementary characteristics of the LCC and VSC technologies.The hybrid converters investigated in this thesis are divided in two main categories, namely: (a) current-source; and (b) voltage-source hybrid converters. The former category includes hybrid converters that are based on the LCC structure and utilize a VSC part either for compensating the reactive power consumed by the LCC, or for active filtering of the LCC current harmonics, or for independently controlling active and reactive power, or for achieving a combination of these functionalities. Four different current-source hybrid converters have been investigated and compared in terms of functionality, conduction losses, and semiconductor requirements.The second category includes more complex circuits that combine thyristors and modular VSC elements in ways that enable these hybrid converters to operate as VSCs and to achieve high active-power capability. Two new voltage-source hybrid converters are analyzed and compared in terms of active-power capability, semiconductor requirements, and controllability. This study reveals that the hybrid alternate-common-arm converter (HACC) is the most interesting circuit; thus, an in-depth analysis is performed for this converter. The theoretical analysis shows that, under certain operating conditions, the HACC can transfer twice the active power of the full-bridge modular multilevel converter (FB-MMC) with lower semiconductor rating per unit of active power. Yet, if the total commutation time of the thyristors and/or the power angle are increased beyond certain values, the active-power capability of the HACC is reduced. Finally, simulation and experimental results are provided in order to verify the theoretical analysis and prove the feasibility of the HACC.

• Linjekommuterade (LCC) och spänningsstyva (VSC) omvandlare är de två huvudteknologier som används i högspänd likströmsöverföring (HVDC). Beroende på applikationskraven kan den ena varianten vara mer fördelaktig än den andra. LCC är teknologiskt mogen, har hög effektivitet och hög överföringskapacitet, men det saknar förmåga att styra den reaktiva effekten oberoende av den aktiva effekten. LCC är också känslig för ac-linjefel. VSC har inte dessa brister och erbjuder dessutom möjlighet till så kallad “black start”. Den harmoniska prestandan är överlägsen. Dock är tekniken mindre mogen, har något lägre verkningsgrad och lägre överföringskapacitet än LCC. Sålunda kan kombinationen av LCC- och VSC-teknologierna ge hybridomvandlare som utnyttjar de komplementära egenskaperna och därför lämpar sig väl i HVDC-applikationer. Huvudsyftet med denna avhandling är att undersöka befintliga och utveckla nya hybridomvandlare som kombinerar de komplementära egenskaperna hos LCC- och VSC-teknologierna.Omvandlarna som undersöks i denna avhandling är uppdelade i två huvudkategorier: (a) strömstyv och (b) spänningsstyv. Den förstnämnda kategorin innefattar hybridomvandlare som är baserade på LCC-strukturen och använder en VSCdel antingen för att kompensera den förbrukade reaktiva effekten, för aktiv filtrering av strömövertonerna som genereras av LCC-omvandlaren, för att oberoende styra aktiv och reaktiv effekt eller för att uppnå en kombination av dessa funktioner. Fyra olika strömstyva hybridomvandlare har undersökts och jämförts med avseende på funktionalitet, ledningsförluster och halvledarkrav.Den andra kategorin innehåller mer komplexa kretsar som kombinerar tyristorer och modulära VSC-element på sätt som gör det möjligt för dessa hybridomvandlare att fungera som VSC och för att uppnå hög överföring av aktiv effekt. Två nya spänningsstyva hybridomvandlare analyseras och jämförs med avseende på aktiv effekt, halvledarkrav och styrbarhet. Denna studie visar att den så kallade "hybrid alternate-common-arm converter" (HACC) är den mest intressanta topologin. Därför utförs en djupgående analys för denna omvandlare. Den teoretiska analysen visar att HACC under vissa driftsförhållanden kan överföra två gånger den aktiva effekten hos en modulär multinivåomvandlare med fullbryggor (FB-MMC) med lägre halvledarbehov per enhet av aktiv effekt. Dock reduceras överföringsförmågan om den totala kommuteringstiden för tyristorerna och/eller effektvinkeln överskrider vissa värden. Slutligen redovisas simuleringar och experimentella resultat för att verifiera den teoretiska analysen och påvisa fördelarna med HACC-topologin.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

High-voltage direct current (HVDC)

hybrid alternate-common arm converter (HACC)

hybrid converters

line-commutated converters (LCCs)

modular multilevel converters (MMCs)

thyristors

"Hybrid alternate-common-arm converter" (HACC)

hybrid omvandlare

högspänd likströmsöverföring (HVDC)

linjekommuterade omvandlare (LCC)

modulära multinivåomvandlare (MMC)

tyristorer

Electrical Engineering

Elektro- och systemteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)