Fiche individuelle

This paper presents the modelling of the DC-DC Multilevel Modular Converter (DC-DC MMC) with half-bridge Sub-Modules (SM) and the control based on the inversion of its model. The DC-DC MMC structure presents many advantages such as its modularity, the absence of capacitors on the high DC bus voltage and a very low switching frequency due to the large number of SMs. This topology also preserves the intrinsic disadvantages of the MMC as the complexity of modelling and controlling due to the large number of semiconductors and state variables to control. The control of this converter cannot be symmetrical due to the interconnection of the two parts by an internal AC grid. The control strategy of one part of the DC-DC MMC uses the conventional control scheme with currents controls and stored energy control. The second one uses the energy control and produces the waveform of the three-phase internal AC bus voltage linking the two parts of the converter. The explicit control for the generation of internal AC voltages guarantees the correct operation of the converter even in a critical DC voltage dip on one or the other DC buses. Thus, it avoids the need of a DC circuit breaker or the use of full bridge MMC sub-modules. The validity of the proposed control is verified by simulation using Matlab-Simulink.

The M2DC exploits the interleaving between the three legs of an MMC to realize a promising uninsulated DC/DC converter to interconnect HVDC grids. This paper details a current and energies decoupled model of the M2DC. The major idea proposed in this paper is focused on the full energy control generating optimal current references to minimize the internal currents magnitude. The energy sum and difference models are fully detailled. Both current and energy control loops are based on the model inversion principle in order to control all the state variables. The proposed control is based a dynamic control developed with the model inversion principle associated on an optimization of the current magnitude deduced from a quasi static analysis. All dynamics of the system are then explicitly controlled, which guarantee a good dynamic behavior during the transient. Therefore, current and energy controls are presented in details. Simulation results show the dynamic behavior of the converter for various operating points.

DC/DC converters are necessary in HVDC networks to adapt different voltage levels, different configurations or to participate in power flow control. This paper focuses on a recent DC/DC converter topology, called Modular Multilevel DC Converter (M2DC), which uses direct DC/DC connection without galvanic separations. A general analysis of the topology is firstly discussed. Afterwards a decoupled mathematical model, reducing the control complexity is proposed. To improve converter’s performances and limit AC constraints on each leg, parameters adjust and inductor sizing are explored. Finally, simulation results are presented to validate the proposed decoupled model and the control. The impact of optimized parameters are shown on AC components values.

Le convertisseur DC-DC Modulaire Multi-niveaux (M2DC) est une topologie attrayante de convertisseur DC-DC non isolée pour les réseaux haute tension à courant continu (HVDC). Cet article présente dans un premier temps, le modèle et la commande du M2DC. Une étude de l’utilisation des degrés de liberté phares est menée dans un second temps pour réaliser une analyse de leurs impacts sur le dimensionnement des éléments du convertisseur tels que les condensateurs de sous modules ainsi que sur les pertes liées aux semi-conducteurs

Cet article présente la modélisation et la commande basée sur l’inversion de ce modèle, du Convertisseur Modulaire Multiniveaux DC-DC (MMC DC-DC) en demi-ponts. La structure DC-DC MMC présente beaucoup d’avantages tels que sa modularité, l’absence de condensateur sur le bus DC haute tension et une fréquence de commutation très faible étant donnée le grand nombre de SM. Elle conserve aussi les inconvénients intrinsèques du MMC comme la complexité de modélisation [2] et de contrôle [3] dû au grand nombre de semi-conducteurs et de variables d’état à contrôler. La stratégie de contrôle utilise le schéma de contrôle classique avec contrôle d'énergie et contrôle de puissance pour une partie du MMC DC-DC. La seconde partie utilise le contrôle d'énergie et génère la forme d’onde de la tension du bus triphasé AC liant les deux parties du convertisseur. Le contrôle explicite de la génération de l’onde de tension AC permet de garantir le bon fonctionnement du convertisseur même en cas de creux de tension DC critique sur l’un ou l’autre des bus DC et ainsi évite la nécessité de disjoncteur DC ou d’utiliser un MMC Full bridge. La validité du contrôle proposé est vérifiée par simulation à l’aide de Matlab-Simulink.

L’objectif de cet article est d’analyser le fonctionnement d’une nouvelle topologie de convertisseur DC/DC haute tension (DC/DC Modular Multilevel Converter) dédié au transport de l’énergie électrique HVDC (High Voltage Direct Current). Le contrôle du convertisseur est premièrement discuté au travers d’un modèle mathématique découplé. Le modèle proposé permet de réduire la complexité du contrôle du convertisseur. Afin d’améliorer les performances du convertisseur, le dimensionnement du convertisseur est exploré dans un second temps. Enfin, des résultats de simulation illustrent le fonctionnement et les performances du nouveau convertisseur DC/DC basé sur le modèle découplé proposé.

This work is based on Multi Terminal Direct Current (MTDC) grids. In the MTDC grid, DC/DC converter stations are needed to connect different HVDC grids. A lot of DC/DC converters have been studied and developed, but are not suitable for high voltage and great power constraints. Therefore, the objective of this work is the study of a DC/DC converter for high voltage and great power applications. For the potentially HVDC applications, the volume and costs are major criteria. According to this, a high voltage and great power potential DC/DC converter is selected, which is the Modular Multilevel DC-DC Converter (M2DC). Focusing on the M2DC, the work proposes analyses in steady state and builds an average model for the converter. Based on the average model, the basic control algorithm for the converter is developed to validate the previous analysis. Since the thesis aims to use the existing L2EP Modular Multilevel Converter (MMC) to test the M2DC model and control, a design of the M2DC based on MMC is proposed. Finally, the M2DC HIL (Hardware In-the-Loop) simulations results are presented confirming previous analyses and allowing to go on to prototyping the M2DC on the base of the existing MMC.