Reaction of grid-connected converters to unsymmetrical grid voltages with focus on modular multilevel converters

• Autorzy: Staudt V. , Kleine Jäger M. , Meyer D. , Bartelt R. , Heising C.

Warianty tytułu

PL

Reakcja zasilanych z sieci przekształtników na asymetrię napięcia ze szczególnym uwzględnieniem modularnych przekształtników wielopoziomowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The topology and the resulting properties of power-electronic converters influence mitigation concepts for undesirable power oscillations in the connected assets. Power theory in general provides an answer for the optimal way to operate under aspects of efficient energy transmission. However, practical aspects and design considerations (including size and cost) as well as grid-code specifications also influence the chosen technical solution. With this background, control objectives have to be related to the technical options available and the demands given by e.g. grid codes. One aspect frequently discussed is the mitigation of power fluctuations with double line frequency resulting from unsymmetrical ACgrid voltages. In case of conventional voltage- and current-source-based converters, where the converter itself does not contain any energy storage, these power fluctuations affect the DCside. This paper concentrates on the special case of modular multilevel converters (MMC) where the converter itself contains relevant energy-storage devices. For this application, a control structure is described which incorporates the optimal coupling between ACside and DCside also under unsymmetrical AC-grid voltages and smoothly transits from symmetrical to unsymmetrical conditions.

PL

Topologia i wynikające z niej właściwości przekształtników energoelektronicznych oddziałują na koncepcje ograniczania niepożądanych oscylacji w sieciach rozdzielczych. Teoria mocy dostarcza ogólnie odpowiedzi odnośnie pracy systemu, z punktu widzenia skutecznej transmisji energii. Aspekty praktyczne oraz warunki projektowe (wliczając w to rozmiary i koszt) jak również standardy sieciowe, mają także wpływ na rozwiązania techniczne. Mając powyższe na uwadze, cele sterowania muszą być związane z dostępnymi możliwościami technicznymi i wymaganiami standardów sieciowych. Jednym, często dyskutowanym problemem jest ograniczanie zmienności mocy z podwójną częstotliwością sieci, spowodowanej asymetrią napięcia. W przypadku przekształtników konwencjonalnych ze źródłem napięciowym lub źródłem prądowym, nie mających żadnych źródeł energii, ta zmienność mocy oddziałuje na stronę prądu stałego przekształtnika. Artykuł skupia się na szczególnych przypadkach modularnych wielopoziomowych przekształtników (MMC) mających odpowiednie zasobniki energii. W artykule przedstawiona jest struktura sterowania takich przekształtników, która zawiera optymalne sprzężenie między stroną prądu zmiennego i stroną prądu stałego przekształtnika, działająca również w warunkach asymetrii napięć w sieci prądu zmiennego i łatwo przechodząca z warunków zasilania symetrycznego do asymetrycznego.

Słowa kluczowe

EN

modular multilevel converter; unsymmetrical grid voltage; power fluctuations

PL

przekształtnik wielopoziomowy; asymetria napięć; zmienność mocy

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 91, nr 11
• Strony: 124--128
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Staudt V.

• Ruhr-Universität Bochum, Energiesystemtechnik und Leisttungsmechatronik, Universitätsstr. 150, 44780 Bochum, Germany

autor

Kleine Jäger M.

• Ruhr-Universität Bochum, Energiesystemtechnik und Leisttungsmechatronik, Universitätsstr. 150, 44780 Bochum, Germany

autor

Meyer D.

• Avasition GmbH, Joseph-von-Fraunhofer-Str. 20, 44227 Dortmund, Germany

autor

Bartelt R.

• Avasition GmbH, Joseph-von-Fraunhofer-Str. 20, 44227 Dortmund, Germany

autor

Heising C.

• Avasition GmbH, Joseph-von-Fraunhofer-Str. 20, 44227 Dortmund, Germany

Bibliografia

• [1] DIN 40110-2 (2002): Wechselstromgrößen - Teil 2: Mehrleiter-Stromkreise (Quantities used in alternating current theory - Part 2: Multi-line circuits) (in German)
• [2] IEEE 1459-2010: IEEE Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions
• [3] K. Ilves, A. Antonopoulos, S. Norrga, and H. P. Nee, “Steadystate analysis of interaction between harmonic components of arm and line quantities of modular multilevel converters”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 27 (2012), no. 1, pp. 57–68
• [4] X. Liu; P. Wang; P. Chiang Loh; F. Blaabjerg.; M. Xue: "Six switches solution for single-phase AC/DC/AC converter with capability of second-order power mitigation in DC-link capacitor", IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011, pp. 1368-1375
• [5] H. Li; K. Zhang; H. Zhao; Sh. Fan; J. Xiong: "Active Power Decoupling for High-Power Single-Phase PWM Rectifiers", IEEE Transactions on Power Electronics, vol.28 (2013), no.3, pp.1308-1319
• [6] R. Wang; F. Wang; D. Boroyevich; R. Burgos; R. Lai; P. Ning; K. Rajashekara: "A High Power Density Single-Phase PWM Rectifier With Active Ripple Energy Storage", IEEE Transactions on Power Electronics, vol.26 (2011), no.5, pp.1430-1443
• [7] A. Lesnicar and R. Marquardt, “An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range,” Proc. Power Tech Conf., Bologna 2003, p. 6.
• [8] A. Lesnicar, Neuartiger, Modularer Mehrpunktumrichter M2C für Netzkupplungsanwendungen, Diss. Universität der Bundeswehr München 2008[9] C. Heising; R. Bartelt; T. Schrader; V. Staudt, V. and A. Steimel: Multivariable Pole- Restraining Control of MMC-based HVDCs under Dynamic Operation. PCIM, Nuremberg 2013
• [10] Q. Tu; Zh. Xu; Y. Chang; L. Guan: “Suppressing DC Voltage Ripples of MMC-HVDC Under Unbalanced Grid Conditions”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 27 (2012), no. 3, pp. 1332-1338
• [11] X. Shi; Z. Wang; B. Liu; Y. Li; L.M. Tolbert; F. Wang: “DC Impedance Modelling of a MMC-HVDC System for DC Voltage Ripple Prediction under a Single-Line-to-Ground Fault”, ECCE 2015, Pittsburgh
• [12] R. Bartelt, C. Heising, B. Ni, M. K. Zadeh, T. Lebioda, and J. Jung, “Simulation of the large-scale offshore-wind farms including hvdc-grid connections using the simulation tool viavento,” 11th international Workshop on Large-Scale Integration of Wind Power into Power Systems, Lisbon, Portugal, 2012.
• [13] V. Staudt, M. Kleine Jäger, A. Rothstein, A. Steimel, D. Meyer, R. Bartelt, C. Heising, “Short-Circuit Protection in DC ship grids based on MMC with full-bridge modules”, ESARS 2015, Aachen