Cryo-MMC - a Modular Multilevel Converter with Superconducting Coupled Arm Coils - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Cryo-MMC - a Modular Multilevel Converter with Superconducting Coupled Arm Coils

Cryo-MMC - un convertisseur modulaire multiniveau avec des bobines de bras supraconductrices couplées

Résumé

In this thesis, we study a Modular Multilevel Converter (MMC) with high temperature superconducting (HTS) directly-coupled arm coils that we proposed to call cryo-MMC. We design directly-coupled HTS arm coils and their cooling system for a cryo-MMC in a point-to-point high-voltage direct-current (HVDC) link rated at ±320 kV and 1 GW. We numerically assess the steady-state and transient performance of the cryo-MMC, which confirms its thermal and electrical stability. The HTS arm coils reduce the DC and AC prospective fault currents by a factor of five during a pole-to-pole DC fault. From a technical and economic point of view, the cryo-MMC was demonstrated to be a feasible topology, and its fault-current limitation capability could simplify the protection of future HVDC grids. In addition, this topology lowers the arm coils mass by a factor of four while reducing their footprint by a factor of 1.6 compared to a reference case, which is particularly advantageous for offshore applications. We propose a first experimental proof of this concept with a 5-level cryo-MMC, detail its design construction, and report the steady-state response of the prototype. This prototype brings the cryo-MMC to a technology readiness level of 3-4.
Dans cette thèse, nous étudions un convertisseur modulaire multiniveau (MMC) avec des bobines de bras supraconductrices couplées, que nous proposons d'appeler cryo-MMC. Nous dimensionnons les bobines supraconductrices de bras en couplage direct en utilisant des rubans supraconducteurs à haute température (HTS) afin de les intégrer dans un cryo-MMC pour une application haute-tension courant continu à ±320 kV et 1 GW. Nous évaluons numériquement les performances en régime permanent et transitoire du cryo-MMC, qui permettent de confirmer sa stabilité thermique et électrique. En particulier, lors d'un défaut DC pôle-à-pôle, les bobines supraconductrices réduisent les courants DC et AC par un facteur de cinq. D'un point de vue techno-économique, le cryo-MMC est une topologie réalisable et sa capacité de limiter les courants de défaut peut simplifier la protection des futurs réseaux HVDC. En fait, le concept proposé réduit la masse des bobines de bras d'un facteur de quatre et divise leur empreinte au sol par un facteur de 1,6 par rapport au cas de référence, ce qui est particulièrement attirant pour les applications embarquées en mer. Nous présentons une toute première preuve expérimentale de ce concept avec un cryo-MMC à 5 niveaux et détaillons le dimensionnement, la réalisation, la construction et la caractérisation en régime permanent de ce prototype. Cette démonstration pratique permet de classer le cryo-MMC dans un niveau de maturité technologique de 3-4.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03883261 , version 1 (03-12-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03883261 , version 1

Citer

Rafael Coelho Medeiros. Cryo-MMC - a Modular Multilevel Converter with Superconducting Coupled Arm Coils. Electric power. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPAST026⟩. ⟨tel-03883261⟩
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