Analysis and design of passive capacitor voltage balancing in modular multilevel converter during precharge operation

Abstract

O Conversor Modular Multinível (MMC) é uma topologia que vem atraindo muito interesse em pesquisa. Suas aplicações incluem sistemas de Alta Tensão em Corrente Contínua, acionamentos em médias tensões e integração de fontes renováveis a uma rede. Algumas vantagens desta topologia são seu design modular baseado na conexão de submódulos, que facilita sua fabricação e manutenção, e possibilidade de operação sem transformadores e filtros de saída. É vantajoso que cada circuito eletrônico local de sinais de cada submódulo seja alimentado por uma fonte auxiliar conectada ao respectivo capacitor deste submódulo, e que todos sejam alimentados por uma fonte conectada à porta de corrente contínua do conversor. Entretanto, durante a etapa de pré-carga este arranjo pode não levar a tensões balanceadas ou mesmo estáveis nos capacitores dos submódulos. O balanço das tensões nos capacitores do MMC durante sua précarga é crucial para sua operação correta. Uma estratégia passiva de balanceamento que consiste em adicionar uma resistência de balanço em paralelo com cada um dos submódulos é analisada neste trabalho. É proposto um modelo instantâneo e suave por partes levando em conta as dinâmicas não lineares deste sistema. Estas são analisadas para um sistema com dois submódulos. São obtidas condições para estabilidade local do ponto de operação do sistema, e o resultado é estendido para um sistema com número arbitrário de submódulos. É estudado o efeito da variação da resistência de balanço nas dinâmicas do sistema. Também se obtém condições de estabilidade global para um sistema com dois submódulos, e se propõe algumas diretrizes para o projeto da resistência de balanço. Experimentos confirmam os resultados analíticos e de simulação.

Abstract: The Modular Multilevel Converter (MMC) is a topology that has been increasingly attracting interest in research. It is applied in High Voltage Direct Current systems (HVDC), Medium Voltage Drives (MVD), and integration of renewable power sources to a grid. Some advantages of this topology are its modular design, based on the connection of submodules (SMs), which facilitates its manufacturing and maintenance, and possibility of operating without bulky transformers and output filters. It is advantageous that each SM local signal electronics circuits is self-powered by means of a power supply fed from the respective SM capacitor. This configuration, however, can lead to unbalanced and even unstable voltages during the precharge process. The balancing of the MMC?s capacitor voltages during its precharge stage is crucial to its correct operation. A passive balancing strategy consisting in adding a balancing resistance in parallel with each SM is analyzed in this work. An instantaneous piecewise smooth (PWS) nonlinear model is proposed. The system nonlinear dynamics are analyzed for a system with two SMs. Conditions for local stability of the operating point are obtained, and the results are extended for a system with an arbitrary number of SMs. The effects of variation of the balance resistance in the dynamics of the system are studied. Also, conditions for global stability are obtained for a system with two SMs, and some guidelines for the design of the balancing resistance are proposed.