Dynamic Averaged Models of VSC-Based HVDC Systems for Electromagnetic Transient Programs

RESUME Les systemes d’haute tension a courant continu (HTCC) bases sur technologies de convertisseur de source de tension (CST) offrent des prometteur opportunites dans une variete de domaines au sein de l'industrie des systemes de puissance en raison de leurs avantages reconnus par rapport aux systemes HTCC classiques bases a convertisseurs de commutation de ligne (CCL). La technologie CST-HTCC combine des convertisseurs de puissance, base sur des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), avec des liens au courant continus pour transmettre la puissance dans l'ordre de milliers de megawatts. En plus de controler le flux d'energie entre deux reseaux a courant alternatif, les systemes CST-HTCC peuvent fournir de reseaux faibles et meme des reseaux passifs. Les systemes CST-HTCC presentent une reponse dynamique plus rapide grâce a la methode de modulation de largeur d'impulsions (MLI) en comparaison avec l'operation de commutation de frequence fondamentale des systemes HTCC traditionnels. Representation detaillee des systemes CST-HTCC dans les programmes d’Electromagnetique Transitoire (EMT) comprend la modelisation des valves IGBT et doit normalement utiliser de pas d'integration petit pour representer avec precision les evenements de commutation rapides. Les simulations et les calculs informatiques introduits par les modeles detailles compliquent l'etude des evenements en regime permanent et transitoire mettant en evidence la necessite de developper des modeles plus efficaces qui assurent un comportement similaire de la reponse dynamique. L'objectif de cette these est de developper des modeles moyennes qui reproduit avec precision le comportement statique et dynamique, en plus les transitoires des systemes CST-HTCC dans des programmes de type EMT. Ces modeles simplifies representent la valeur moyenne des reponses des dispositifs de commutation, convertisseurs, et des controles a l'aide de techniques de valeur moyenne, de sources controlees et des fonctions de commutation. Cette these contribue egalement a l'elaboration de modeles CST detailles utilises pour valider les modeles moyenne proposes. Les modeles detailles developpes comprennent convertisseur avec topologies a deux et a trois niveaux et la plus recente topologie du convertisseur modulaire multiniveaux (CMM). Comparaison des differentes topologies de convertisseur approprie pour VSC-HVDC transmission, y compris leurs avantages et leurs limitations, sont egalement discutes.----------ABSTRACT High Voltage Direct Current (HVDC) systems based on Voltage-sourced Converter (VSC) technologies present a bright opportunity in a variety of fields within the power system industry due to their recognized advantages in comparison to conventional line-commutated converter (LCC) based HVDC systems. VSC-HVDC technology combines power converters, based on IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), with dc links to transmit power in the order of thousands of megawatts. In addition to controlling power flow between two ac networks, VSC-HVDC systems can supply weak and even passive networks. VSC-HVDC systems present a faster dynamic response thanks to its Pulse-width Modulation (PWM) control in comparison with the fundamental switching frequency operation of traditional HVDC systems. Detailed representation of VSC-HVDC systems in Electro Magnetic Transient (EMT) programs includes the modeling of IGBT valves and must normally use small integration time-steps to accurately represent fast switching events. Computational burden introduced by such a detailed models complicates the study of steady-state and transient events highlighting the need to develop more efficient models that provide similar behavior and dynamic response. The objective of this thesis is to develop, test and validate averaged models to accurately replicate the steady-state, dynamic and transient behavior of VSC-based HVDC systems in EMT-type programs. These simplified models represent the average response of switching devices and converters by using averaging techniques involving controlled sources and switching functions. The work also contributes to the development of detailed VSC models used to validate the proposed average models. The detailed models developed include two- and three-level converter topologies and the most recent Modular Multilevel Converter (MMC) topology. Comparison of different converter topologies suitable to VSC-HVDC transmission, including their advantages and limitations, are also discussed. A control system is implemented based on vector control which permits independent control both active and reactive power (and/or voltage) at each VSC terminal. Available modulation techniques are presented and compared in terms of performance and power quality.