POST FAULT TOLERANCE STRATEGY WITH COLD RESERVE SUBMODULE FOR HYBRID MODULAR MULTILEVEL CONVERTER

In recent years, the energy transition has led to a significant expansion of renewable energy sources such as photovoltaic and wind power, which has required improvements to the existing grid infrastructure to enable stable and efficient connections. In particular, the technology used is Medium Voltage Direct Current (MVDC), which allows direct current (DC) networks to be connected to alternating current (AC) networks using power converters. This thesis focuses on the analysis of the Modular Multilevel Converter (MMC), which is considered a promising solution for MVDC networks due to its modularity characteristics that allow it to be easily adapted to different voltage levels and the quality of the output waveforms. The MMC is made up of a series of power devices that operate in combination to overcome their power limitations and achieve the values required for medium voltage connection; these are generally half-bridge (HBSM) and full-bridge (FBSM), the former being simpler and cheaper, while the latter offers DC fault blocking capability. This thesis has analysed the hybrid MMC, which exploits the advantages of both types, guaranteeing reduced costs and power losses compared to the same converter using only the FB topology. When connecting renewable energy sources to the grid, it is important to ensure that the voltage and current values are within a certain range of the nominal value in order to avoid disconnecting these generation sources from the grid. This aspect focuses attention on the power converter and, in particular, on the possible faults that would lead to a voltage drop. For example, if a sub-module is damaged, it must be excluded from the normal operation of the converter, but this leads to a reduction in the output voltage and a consequent imbalance in the output waveforms. For this reason, this thesis focused on redundant fault-tolerant techniques involving fault analysis and the use of additional submodules to replace the submodule affected by the fault. The thesis work was carried out at the Power Electronics Department of the CAU Institute of Electrical Engineering and Information Technology in Kiel (DE).

Negli ultimi anni la transizione energetica ha portato ad una significativa diffusione delle fonti rinnovabili come il fotovoltaico e l'eolico, ciò ha reso necessario migliorare l'infrastruttura di rete già esistente per permetterne il collegamento stabile ed efficace. In particolare la tecnologia che viene utilizzata è quella delle reti Medium Voltage Direct Current (MVDC) che consente il collegamento di reti in corrente continua (DC) a reti in corrente alternata (AC), mediante l'utilizzo di convertitori di potenza. Questa tesi si sofferma sull'analisi del convertitore modulare multilivello (MMC) considerato una promettente soluzione per le reti MVDC, grazie alle sue caratteristiche di modularità che ne permettono un facile adattamento ad i diversi livelli di tensione e alla qualità delle forme d'onda in uscita. L'MMC è formato da una serie di dispositivi di potenza che operando in maniera combinata permettono di superare le loro limitazioni in termini di potenza ed ottenere i valori necessari al collegamento in media tensione; questi generalmente sono Half-Bridge (HBSM)e full-bridge (FBSM), i primi sono più semplici ed economici mentre i secondi offrono la capacità di blocco dei guasti in DC. in questo lavoro di tesi si è analizzato l'MMC ibrido che sfrutta i vantaggi di entrambe le tipologie garantendo dei costi e perdite di potenza ridotti rispetto allo stesso convertitore formato dalla sola topologia FB. Nel collegamento delle fonti rinnovabili alla rete è importante garantire che i valori di tensione e corrente siano contenuti in un determinato range del valore nominale per evitare il distacco di tali fonti di generazione dalla rete. Questo aspetto pone l'attenzione sul convertitore di potenza ed in particolare su quelli che possono essere i guasti che comporterebbero una riduzione di tensione. Ad esempio nel caso in cui un sottomodulo si danneggia deve essere escluso dal normale funzionamento del convertitore, ma ciò comporta una riduzione della tensione di uscita ed un conseguente squilibrio delle forme d'onda in uscita. Per tale motivo questo lavoro di tesi si è soffermato sulle tcniche di fault tolerant ridondanti che prevedono l'analisi del guasto e l'utilizzo di sottomoduli aggiuntivi che andranno a sostituire il sottomodulo affetto da guasto. Il lavoro di tesi è stato svolto presso la cattedra di Elettronica di Potenza dell’Istituto di Ingegneria Elettrica e Tecnologia dell’Informazione CAU di Kiel (DE).