Modular multilevel converter under unbalanced inter-cluster power operation: a comprehensive analysis of current and voltage requirements

Abstract

Los conversores de potencia realizan labores cruciales que permiten y estimulan la electrificación de la sociedad moderna. Entre ellos, el Conversor Modular Multinivel (MMC) ha realizado recientemente importantes aportes en campos como la transmisión de energía, y tiene mucho más que ofrecer. El MMC puede integrarse con un Sistema de Energía Distribuido (DES) para ampliar sus funcionalidades y llevar a cabo múltiples tareas simultáneas. Por ejemplo, un MMC integrado con un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS) puede interconectar redes ac y dc prestando servicios como contrarrestar la variabilidad e intermitencia de fuentes de energía renovables. Sin embargo, un DES puede inducir desbalances de potencia dentro del MMC, lo que afecta a las corrientes y voltajes internos del conversor. Investigaciones han suscitado preocupación por de este fenomeno, pero aún no se ha desvelado todo su alcance, comportamiento e implicaciones en diferentes aplicaciones MMC-DES. Esta tesis formula ecuaciones que modelan los efectos de desbalances de potencia inter-cluster en MMCs. Para ello, introduce un conjunto de métricas que representan los desbalances y sus efectos. Propone una representación matemática de los DES basada en sus capacidades de desbalance y analiza el estres que podrían ejercer a un MMC. Esto se lleva a cabo para múltiples modos de operación de un MMC-DES. Las ecuaciones y métricas desarrolladas en esta tesis permiten evaluar rápidamente posibles aplicaciones de MMC-DES en cuanto a los requisitos de corriente y voltaje del MMC. Provee herramientas para comparar la conveniencia del MMC y topologías similares para aplicaciones con integración de DES. Las ecuaciones del modelo de desbalance desarrolladas son validadas mediante experimentos y simulaciones que las evalúan en diversas condiciones y puntos de operación.