Performance analysis of the voltage source converter based back-to-back systems in medium-voltage networks [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Andreja Rašić

De
Performance Analysis of the Voltage Source Converter based Back-to-back Systems in Medium-voltage Networks Der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg Zur Erlangung des Grades DOKTOR-INGENIEUR Vorgelegt von Andreja Raši ć Erlangen - 2010 als Dissertation genehmigt von Der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg Tag der Einreichung: 20.04.2009 Tag der Promotion: 17.07.2009 Dekan: Prof. Dr. -Ing. habil. Johannes Huber Berichterstatter: Prof. Dr. -Ing. habil. Gerhard Herold Prof. Dr. -Ing. Andreas Steimel Analyse des Betriebsverhaltens von Spannungsumrichtern in Mittelspannungsnetzen Der Technischen Fakultät der Universität Erlangen- Nürnberg Zur Erlangung des Grades DOKTOR-INGENIEUR Vorgelegt von Andreja Raši ć Erlangen - 2010 As Dissertation Approved by the Faculty of Engineering Sciences of the University of Erlangen-Nürnberg Day of submission: 20.04.2009 Day of Examination: 17.07.2009 Dean : Prof. Dr. -Ing. habil. Johannes Huber Examiners : Prof. Dr. -Ing. habil. Gerhard Herold Prof. Dr. -Ing. Andreas Steimel Zusammenfassung Diese Dissertation ist im Fachgebiet Elektrische Energieversorgung angesiedelt. Sie hat die Optimierung des Betriebsverhaltens eines Spannungsumrichters (VSC = Voltage Source Converter) am Netz zum Ziel. Es soll in jedem Betriebspunkt eine möglichst hohe Versorgungsqualität gewährleistet werden.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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Source : D-NB.INFO/1003783155/34
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Performance Analysis of the Voltage Source Converter
based Back-to-back Systems in Medium-voltage
Networks
Der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
Zur Erlangung des Grades
DOKTOR-INGENIEUR
Vorgelegt von
Andreja Raši ć

Erlangen - 2010

als Dissertation genehmigt von
Der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg

Tag der Einreichung: 20.04.2009
Tag der Promotion: 17.07.2009

Dekan: Prof. Dr. -Ing. habil. Johannes Huber
Berichterstatter: Prof. Dr. -Ing. habil. Gerhard Herold
Prof. Dr. -Ing. Andreas Steimel
Analyse des Betriebsverhaltens von
Spannungsumrichtern in Mittelspannungsnetzen
Der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen- Nürnberg
Zur Erlangung des Grades
DOKTOR-INGENIEUR
Vorgelegt von
Andreja Raši ć

Erlangen - 2010
As Dissertation Approved by
the Faculty of Engineering Sciences
of the University of Erlangen-Nürnberg

Day of submission: 20.04.2009
Day of Examination: 17.07.2009

Dean : Prof. Dr. -Ing. habil. Johannes Huber
Examiners : Prof. Dr. -Ing. habil. Gerhard Herold
Prof. Dr. -Ing. Andreas Steimel
Zusammenfassung

Diese Dissertation ist im Fachgebiet Elektrische Energieversorgung angesiedelt. Sie hat
die Optimierung des Betriebsverhaltens eines Spannungsumrichters (VSC = Voltage
Source Converter) am Netz zum Ziel. Es soll in jedem Betriebspunkt eine möglichst
hohe Versorgungsqualität gewährleistet werden. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen
robustere Umrichter mit neuen Regelalgorithmen entwickelt werden. Hierzu sind das
stationäre Verhalten sowie die Reaktion auf Störungen bzw. die Behandlung von Stö-
rungen des VSC zu untersuchen.
In dieser Arbeit wurden ein Zweipunktumrichter sowie ein modularer mehrstufiger Um-
richter (MMC = modular multilevel Converter) analysiert und für die Verwendung als
Netzkupplung in Rücken-an-Rücken-Schaltung vorgeschlagen. Um das Umrichterver-
halten mathematisch beschreiben zu können, ist ein lineares zeitveränderliches Modell
(LTV = linear time varying) für beide Umrichtervarianten entworfen worden. Das je-
weilige System wurde zwischen zwei Schaltvorgängen als linear betrachtet. Da die
Schaltfunktionen periodischer Natur sind, konnte hier der stationäre Zustand berechnet
werden. Mit dem LTV wurden die beiden symmetrischen und unsymmetrischen Zu-
stände der Zweipunktumrichter analysiert. Da die Berechnung des stationären Zustands
einen niedrigen Rechenaufwand erfordert, zeigte die vorgeschlagene Methode eine gute
Alternative zu den numerischen Iterationsprozeduren.
Mit Hilfe der LTV-Analyse des mehrstufigen Umrichtersystems wurden die verschie-
denen Betriebspunkte, die von den Umrichterparametern abhängig sind, detektiert. Ein
spezielles Augenmerk wurde auf die Suche nach den optimalen Betriebspunkten unter
Berücksichtigung des Modulstroms gelegt. Da das Auftreten der zweiten Harmonischen
der Zweigströme und ihre Abhängigkeit von den Umrichterparametern erkannt wurde,
konnte sie als Kriterium zur Optimierung des aktuellen Moduls verwendet werden. Die
Resonanzpunkte der Umrichterzweigströme wurden auch ermittelt und dargestellt.
Es wurde außerdem eine Analyse im Frequenzbereich durchgeführt, um die Matrix der
Partial-Impedanzen und -Admittanzen zu gewinnen und um die analytische Lösung für
jede einzelne harmonische Komponente finden zu können. Die Ergebnisse des LTV-
Modells wurden von der Frequenzbereichsanalyse bestätigt.
Um einen VSC an das Netz zu schalten, wird ein spezieller Transformatorflussregler
verwendet. Der Regler estimiert der Transformatorfluss und generiert eine Referenz-
spannung, die ihn im linearen Bereich hält und gleichzeitig die Dauer des Einschaltvor-
ganges reduziert.
Um die Versorgungssicherheit kritischer Lasten aus zwei unabhängigen Netzen zu ge-
währleisten, werden drei Wechselrichter an einem gemeinsamen Zwischenkreis betrie-
ben. Hierzu wurde ein spezieller Zwischenkreis-Spannungsregler entwickelt. Dieser
ermöglicht, dass beide Wechselrichter einer Rücken-an-Rücken-Anordnung gleichzeitig
Einfluss auf die Zwischenkreisspannung nehmen können. Die Versorgung der kriti-
schen Last wird vom dritten, an die Gleichstrom-Sammelschiene angeschlossenen,
Wechselrichter geliefert.
Es wurde weiterhin ein Algorithmus für die Elimination des Einflusses der Gleichspan-
nungsmessfehler entwickelt und analysiert, der gleichzeitig die Regelung der Lastver-
teilung zwischen zwei Netzen erlaubt. Die Dynamik und der stationäre Zustand der fre-
quenzbasierten Lastflussalgorithmen wurden simuliert als auch im Labor an einem Ver-
suchsaufbau überprüft. Acknowledgement


The research work of this thesis has been carried out during the years 2005-2009 at the
“Lehrstuhl für elektrische Energieversorgung”- University of Erlangen – Nürnberg,
where I was working as a PhD student. This thesis is a part of the larger research project
“SIPLINK”, financed by the company Siemens AG.
I would like to express my gratitude to my supervisor, Prof. Gerhard Herold, for
accepting me as a PhD student at the institute, and for his valuable comments, guidance
and encouragement. I also wish to thank Prof. Andreas Steimel for accepting to be the
corrector of my work.
The financial support by the Siemens PTD TI department during my PhD studies is
greatly acknowledged. I also wish to thank my Siemens colleague Mr. Uwe Krebs for
collaboration and stimulating discussions on technical matters and for the effort he
made about my employment.
I would like to thank my colleagues: Dr.-Ing. H. Rubenbauer, Dr.-Ing. G. Ebner, Dr. –
Ing. C. Weindl, Dr. –Ing. W. Meyer, Dipl.-Ing. M. Ramold, Dipl.-Ing. T. Keil, Dr.-Ing.
J.A. Nasseir, Dipl.-Ing. I. Mladenovic and other researchers of the institute, and to our
secretaries Mrs. J. Biegel and Mrs. P. Gambel for the support and for the friendly
atmosphere on the institute. To my colleagues from the workshop Mr. D. Leuschner,
Mr. W. Ruschig and Mr. M. Oschmann, I would like to thank for the support on the
realization of the laboratory setup.

Most of all I am grateful to my wife Ana and to our triplets Milica, Stevan and Đor đe
for their love, patience and support during the preparation of this thesis. And overall to
my parents Đura and Vinka to whom I dedicate this work.
TABLE OF CONTENTS
1 INTRODUCTION ........................................................................................ 1
1.1 Motivation and objectives .................................................................................. 1
1.2 Literature overview ............................................................................................ 2
1.2.1 The analytical description and the control of the VSC..................................... 3
1.2.2 Multilevel converters........................................................................................3
1.2.3 The inrush current elimination.......................................................................... 4
1.2.4 The load flow analysis with the VSC ............................................................... 4
1.3 Thesis outline and major results........................................................................ 4
2 VOLTAGE SOURCE CONVERTERS AND THE BACK-TO-BACK
SYSTEM TOPOLOGY ....................................................................................... 7
2.1 Basic concept of Voltage-Sourced Converter (VSC) ....................................... 7
2.2 The back-to-back structure and fundamental frequency based power flow
model 11
2.3 The VSC connecting two or more grids.......................................................... 13
3 ANALYTICAL DESCRIPTION OF THE 2-LEVEL CONVERTER ............ 15
3.1 Linear time varying model............................................................................... 15
3.1.1 System equations of the VSC ......................................................................... 16
3.1.2 System equations for the Back-to-back operation mode ................................ 20
3.1.3 The steady-state solution ................................................................................ 22
3.2 Influence of the switching frequency .............................................................. 23
3.2.1 The case with switching frequency f = 3kHz .............................................. 24 c
3.2.2 fc=450 Hz............................................... 25
3.3 ZERO SEQUENCE OF THE SYSTEM .........................................................26
3.3.1 Influence of the unequal switching frequencies..............................................27
3.3.2 Influence of the IGBT’s ‘dead-time’...............................................................28
3.4 Conclusion and discussion................................................................................31
4 ANALYTICAL DESCRIPTION OF THE MODULAR MULTILEVEL
CONVERTER................................................................................................... 33
4.1 The general idea of the modular multilevel design ........................................33
4.2 The circuit configuration and principles of operation...................................35
4.3 The analysis of the system with one module per phase-arm .........................38
4.3.1 Switching linear time varying model of the MLM with two modules per
phase-leg......................................................................................................................40
4.3.2 The steady-state solution examples.................................................................43
4.3.3 The frequency-domain analysis of the Modular multilevel converter ............49
4.3.4 The resonance phenomena ..............................................................................53
4.3.5 Optimal operating point in terms of IGBT’s current.......................................55
4.3.6 The short circuit operating point .....................................................................57
4.3.7 The calculation with the finite switching frequency57
4.4 General case of the modular multilevel converter .........................................59
4.4.1 The switching time varying model of the general MMC converter................61
4.4.2 The influence of the unequal capacitor values................................................68
4.4.3 The averaged model........................................................................................69
4.4.4 The simulation results .....................................................................................70
4.4.5 Conclusion and discussion..............................................................................71
5 CONNECTION/RECONNECTION OF THE VOLTAGE SOURCE
CONVERTER TO THE POWER NETWORK................................................... 73
5.1 The problem definition and system structure.................................................73
5.1.1 Residual flux determination ............................................................................74

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