Valutazione del sistema di alimentazione HVDC-VSC nelle future reti di trasmissione ad alta tensione

The thesis aims to analyze HVDC systems in all their configurations and applications, in particular, is divided as follows: An in-depth analysis of the scientific literature of HVDC systems was carried out, taking into account all its components, starting from the typical configurations of this type of system, arriving at the study of the various operating modes that these systems can assume. The issue relating to the dynamic operation of HVDC systems with multi-level converters in the event of a fault is also addressed. An electromagnetic study is then carried out to identify the various problems that may arise on the components of the HVDC system, paying greater attention to the transient overvoltages that are generated on the DC bus of the connection itself. In particular, several electromagnetic studies were carried out to evaluate which were the transient overvoltages of higher value. Therefore, we proceeded to limit this phenomenon by adopting surge arresters, subsequently evaluating how much was the reduction in overvoltage obtained. In addition, the recent multi-infeed HVDC systems were analyzed. In particular, the interactions between the LCC converter and the VSC converter were evaluated when a transient overvoltage occurs on the VSC terminal. The HVDC connections present today are systems composed of numerous components that have to cooperate and work continuously and without interruptions. Therefore, the study of the reliability and availability of HVDC systems are an integral part of what encompasses the set of assessments necessary for the analysis of the resilience of the electrical system. For these reasons, this research thesis pays great attention to the reliability and availability studies of HVDC systems and, in particular, to voltage source converters (VSC) based systems. The reliability and availability analysis lays its foundations on in-depth studies of probability and statistics. For this reason, the main notions and definitions used throughout the thesis are subsequently given. In particular, the study of the reliability of multi-level converters is addressed, taking into account the different ways of managing the converters’ redundancies. A thorough study of Markov chains and how they could be used to model symmetrical monopolar configurations is presented. In particular, Markov chains are used to highlight how the management of spare parts of HVDC system components affects the availability of the overall system. Subsequently, the analysis of reliability and availability was also extended to the multi-terminal direct current systems (MTDC). These very complex systems, both in terms of topology and in the number of possible states, have been analyzed by adopting a matrix-based method called the “Multi-State Reliability” method (MSR). With this method, different multi-terminal systems were compared using different HVDC converter technologies. Finally, the Multi-State Reliability and the Markov chain methods were combined to analyze different configurations of multi-terminal HVDC systems. In particular, it was highlighted how, for a correct analysis of the reliability of HVDC systems, the real installation and spares management of each component must be taken into account.

La tesi si pone come obiettivo l’analisi dei sistemi HVDC in tutte le loro configurazioni e applicazioni, in particolare, si articola come segue: è stata eseguita un’approfondita analisi della letteratura scientifica dei sistemi HVDC, tenendo conto di tutti i suoi componenti, partendo dalle configurazioni tipiche di questa tipologia di impianti arrivando allo studio delle varie modalità di funzionamento che questi sistemi possono assumere. Viene inoltre affrontata la tematica relativa al funzionamento dinamico dei sistemi HVDC con convertitori multi-livello nel caso di guasto. Viene quindi effettuato uno studio elettromagnetico per individuare i diversi problemi che possono insorgere sui componenti del sistema HVDC, ponendo maggiore attenzione alle sovratensioni di origine transitoria che si generano sul bus DC del collegamento stesso. In particolare, sono stati effettuati diversi studi elettromagnetici al fine di valutare quali fossero le sovratensioni transitorie di valore maggiore. Si è quindi provveduto a limitare questo fenomeno adottando scaricatori di sovratensione, valutando successivamente quanto fosse la riduzione di sovratensione ottenuta. Inoltre, sono stati analizzati i recenti sistemi HVDC multi-infeed. In particolare, sono state valutate le interazioni tra il convertitore LCC e il convertitore VSC quando si verifica una sovratensione transitoria sul terminale VSC. I collegamenti HVDC presenti oggigiorno, sono sistemi composti da numerosi componenti che necessariamente hanno bisogno di cooperare e lavorare in maniera continuativa e senza interruzioni. Lo studio, dunque, dell’affidabilità e della disponibilità dei sistemi HVDC sono parte integrante di quello che racchiude l’insieme delle valutazioni necessaria all’analisi della resilienza del sistema elettrico. Per questi motivi, questa tesi di ricerca presta grande attenzione agli studi di affidabilità e disponibilità dei sistemi HVDC e, in particolare, dei sistemi basati su convertitori a tensione impressa (VSC). Gli studi sull’analisi dell’attendibilità e della disponibilità pongono le loro basi, come è facile immaginare, su approfondimenti di probabilità e statistica, per questo, sono state fornite le principali ed utili nozioni per l’utilizzo dei metodi presentati successivamente. In particolare, viene affrontato lo studio dell’affidabilità dei convertitori multilivello, tenendo conto delle diverse modalità di gestione delle ridondanze dei convertitori. Si è quindi passati allo studio dettagliato delle catene di Markov e di come potrebbero essere utilizzate per modellare in modo appropriato un sistema HVDC di tipo monopolare simmetrico. In particolare, le catene di Markov vengono utilizzate per evidenziare come la gestione delle parti di ricambio dei componenti del sistema HVDC influisca sulla disponibilità dell’intero sistema. Successivamente, l’analisi di affidabilità e disponibilità è stata estesa anche ai cosiddetti sistemi in corrente continua “multiterminale” (MTDC). Questi sistemi essendo molto complessi, sia in termini di topologia che di numero di stati che il sistema complessivo può assumere, sono stati analizzati adottando un metodo matriciale denominato metodo “Multi-State Reliability” (MSR). Con questo metodo, sono stati confrontati diversi sistemi multi-terminale utilizzando diverse tecnologie di conversione HVDC. Infine, i metodi Multi-State Reliability e quello delle catene di Markov sono stati combinati per analizzare diverse configurazioni di sistemi HVDC multi-terminale. In particolare, è stato evidenziato come, per una corretta analisi dell’affidabilità dei sistemi HVDC, si debba tener conto della reale gestione di ogni componente e di ogni sua riserva.