Estudio de la tolerancia a fallos de convertidores multipuerto basados en topologías MMC

Abstract

El convertidor Modular Multinivel (MMC) se ha convertido en una de las topologías multinivel más atractivas para aplicaciones de media/alta tensión, en particular para los sistemas de transmisión HVDC (High Voltage Direct Current). Sus características destacables son: • Una elevada modularidad/escalabilidad. • Una eficiencia mayor debido a que la frecuencia de conmutación es reducida. • Una mejora del contenido armónico debido a la mejora de la calidad de onda. • Un menor estrés en los dispositivos. • La ausencia de un condensador de gran tamaño en el bus de continua. Pese a las ventajas que presenta, el convertidor MMC presenta una desventaja importante. Esta topología de convertidor es incapaz de frenar la corriente cuando se produce un cortocircuito en su lado DC. Esto puede ser un aspecto crítico en sistemas HVDC. Esta limitación se deriva de que la topología de celda que utilizan los convertidores MMC es una estructura en medio puente, que se puede oponer al paso de la corriente en uno de los sentidos desactivando sus interruptores, pero no en el otro debido a la acción de los diodos de libre circulación. Existen soluciones clásicas basadas en circuitos mecánicos o fusibles. Se puede cortar la corriente de fallo mediante interruptores DC, sin embargo, son dispositivos caros y poco efectivos en cuanto a tiempo de respuesta y rearme tras el fallo. Otra opción son los interruptores AC, que son más baratos pero muy lentos. Debido a este problema, surge el interés en desarrollar soluciones basadas en el uso de los propios semiconductores del convertidor para frenar la corriente de fallo, evitando que se dañen sus dispositivos y consiguiendo rearmar el sistema en un tiempo muy reducido. Estas soluciones se centran en la modificación de la estructura de celda del convertidor, e implican normalmente un incremento tanto del número de dispositivos como de las pérdidas. Las celdas del convertidor MMC convencional tienen un condensador en el bus de continua, y por lo tanto una capacidad de almacenamiento de energía limitada. Sin embargo, es posible modificar las celdas del MMC conectando un convertidor de potencia al condensador para dotarlas de capacidad de transferir (inyectar o sacar) potencia. De esta modificación surge el convertidor Multipuerto basado en MMC (MP-MMC). Las topologías tolerantes a fallos desarrolladas para el convertidor MMC pueden ser aplicadas en el MP-MMC. Sin embargo, dichas topologías no están optimizadas en cuanto al número de dispositivos y pérdidas adicionales. El contenido de esta tesis abarca los siguientes aspectos. Se realiza un análisis de las topologías de convertidor DC/AC multinivel existentes, incluyendo su tolerancia a fallos. Se analizan a continuación en detalle las topologías de celda MMC tolerantes a fallos existentes, incluyendo funcionalidades, principios de funcionamiento, ventajas e inconvenientes. Se verifica su funcionamiento mediante simulación. Dicho análisis se extiende posteriormente a la topología MP-MMC. Finalmente, se propone una topología de celda optimizada que proporciona tolerancia a fallos al convertidor MP-MMC derivada de la estructura Double Clamp. Dicha topología aprovecha de los dispositivos necesarios en el funcionamiento normal para minimizar el número de semiconductores adicionales. Se analizan las funcionalidades y limitaciones de esta celda; se verifica su funcionamiento mediante simulación, tanto a nivel de celda como en el convertidor completo, y se realizan ensayos experimentales de una celda con esta topología en condiciones de cortocircuito. RESUMEN (en Inglés) The Modular Multilevel Converter (MMC) has become one of the most attractive multilevel topologies for medium/high voltage applications, in particular for the High Voltage Direct Current (HVDC) systems. The main features of this converter are: • High modularity and scalability. • A higher efficiency due to the low switching frequency. • Lower harmonic content due to the better wave quality. • An improvement on the devices stress. • An absence of a huge DC bus capacitor. However, despite this amount of advantages, the MMC converter has an important drawback. It is unable to block the current when a DC fault occurs. This could be a key aspect especially in HVDC systems. This limitation is due to the structure used in the MMC cells. It uses the Half-Bridge circuit. This topology can block the current in one direction by disabling the gate signals of the devices, but not in the other due to the presence of the freewheeling diodes. There exist classical solutions to solve this problem based on mechanical switches or fuses. The use of DC switches could block the current, but they are expensive and not very effective in terms of time to block and restart the converter. Another choice is to use AC breakers. They are cheaper but very slow. Because of this, appears an interest on the investigation in solutions based on the internal semiconductors for blocking the fault current to avoid the damage of the converter devices and restart it quickly. These solutions are based in the modification of the cell topology. They block the fault and imply the increase of the devices count and the losses. Cells of the MMC converter have a capacitor as a DC bus. Due to this fact, they have a limited storage capability. However, the cell structure could be modified to give it power transfer capability (give or extract). This is done connecting a power converter directly to the cell capacitor. Doing this modification, the Multiport MMC converter (MP-MMC) structure is obtained. The fault tolerant cell topologies used on the MMC converter could be used in the MP-MMC. However, they are not optimum in terms of devices count and losses. The contributions of this thesis covers several points. It is done an analysis of the existing DC/AC multilevel power converter topologies, and their fault tolerance. After that, the existing fault tolerant cell structures for the MMC converter are analyzed including its features, working principle, advantages and drawbacks. Its behavior is verified by simulation. This analysis is extended to the MP-MMC converter. Finally, a new cell topology, based on the Double Clamp concept, that provides fault tolerance to the MP-MMC is presented. This new cell structure uses the existing devices on the MP-MMC in normal operation with the aim of minimize the quantity of extra semiconductors added. The functionalities and limitations of this cell topology are analyzed. Its behavior is verified by simulation at a single cell level and inside a full converter, and experimental tests in a single cell with this topology are made under a shortcircuit.