In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  3, S ep 2019,  pp.  1 4 1 0 ~1 4 1 8   ISSN: 2088- 8694,  DOI :   10.11591 /ijpeds. v10. i 3.pp1410-1418          1410     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   A high voltage direct curre nt transmission system:  natur a l and selective  harmonic cancellation       Azi z a   Ben a boud 1 , Alfre d R u fer 2   1   E RN,   Roy a l Navy   S cho o l ,   B oulev ard  S o ur  J d i d,  C as abl a nca,   M oroc co   2  EP F L , Swiss Federal   Ins t it u t e o f  Techn o l o g y  L a u s a n n e,  Lau sanne,  S witzerl a nd       Art i cl e In fo     ABSTRACT A r tic le hist o r y :   R e c e i v e d  Oct  2 3 ,  2 018  Re vise d Jan  2,  201 9   Ac ce p t ed  M ar 2 4 ,  2 019      Th is   s t u d y   f o c u s ed  o n  t h e  s p eci a l   H igh   Volt age  D i rect   C urrent   t e c hn olog y.   Th e  cont ext   is  g iv en  b y  com b inin g   t w o  o r i g i n a l   s o l ut i o ns ;  t h e   f ir st  s olu t io n,  us in g  a  n a tu ral  harm on ic  can c e ll ati o n ,   c o n s i sts   t o   c on nect  i n  s eries  two  clas si ca l   f r eq uen c y  i n v e rters  which   are  coup led   t o   t he  g ri d   thr o ugh  a  s p ecifi c   tran s f o r m e r  co nnect io n.    O n  th e   ot her  h a n d ,   t h e  s econ d   s o l u t i o n   i s  ach ieved   by   u s i n g   t h r ee,  f iv e  or  m ore  l e ve l   conv erters   i n  s q u a re  w av e  m o du la t i o n ,  in   order  to  e liminat e  some  s e l ect ive   h a rmon ic s  by   o p t i m iz in g  a   sw i t c hing   a ng le .   Th e  s i m u l a ti on   a nd   e x p e rim e n t al   r esu lts  i ndicat e  t h at  t h e   p ro p o sed  Hi gh  Vo lt age  Direct   C u rrent  t ran s m i ssi on  s y stems  off e r  hi gh  effi c i e n cy,  unity  po wer  f act or  a n d   b etter  current  a nd   v o l t a ge  q ual i t y   w it h   f e w e r  harm on ic.   K eyw ord s :   HV DC  T ra ns m i s s ion   Square  W ave  M odulation    NP C t h ree l e vel con v erters   NP C fi ve l evel   c on verters   Tran sf orm e r co n n ectio n  S w itchi ng  ang l e.   Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   A z iza   Bena bou d   Roya l   N a vy  S c hoo l,    Bou l e v a r d S o u r  Jdid,  C a s ab la nca ,   M or occ o   A z iza . be na bo u d @ g ma il. com       1.   I N TR OD U C TI O N   P o w e r  e l e c tro n ic  t e c h n o lo g y   i s  f unda me nta l   t o  rene w a ble  e n erg y   sys t em s.  M a ny  rene w a ble   resour ces  a re   i n t erm itte nt,   a nd  w ith ou t  po w e r  electr o n i c s   w e  co u l d  n o t  r e gu la te  v olta ge ,  fre que n c y,  a n d   pow er   out pu t  c h a r ac t e ris tics.   R e n ew a b l e   s our ces,   such  a s  sun l i g ht,   hy dro g en,   an d  w i n d   e ner g y,  r e qui r e   A C- D C  con ve rsio n   fol l ow e d  b y  t h e   D C -A C inver t e r  to i n te gr ate  the   A C gri d  [ 1].  In  t hi s  pa pe r  w e   p rese n t   a   s p e c i a l   H igh   V o l t a ge  D i r ec t  C u rr en t   tec h n o logy .   It  c onsist s  on  the  flexible  exc h a n ge  o f  p o w e r   be tw ee n  tw o  no des  of  a   n etw o rk  t hro u gh  a  D C   l i nk.  T he  c onve rsi on  from  A C   t o  D C   a n d   vice   v e r sa  i s  a c hie v e d   by  tw o  c l ass i cal  f r e q u enc y   i nver t e r s  in  a   se ries   c o nnec t i o n.   I n  order  t o   t ake  a d v a nta g e   o f   n a t u r al   h a r mo n i c  c a n c e l l a t i on ,  th e s e  i nvert e r s  are   co upl ed  t h r ou gh   a   s p e ci fi c  t r an sforme r  c o nn ec ti on ,  a n d  t h ei r cont rol   si g n al s a r e   shi f te d b y   3 0 °  [ 2] .    In  a ddition  t he  t ransform ation  ra ti o  m u s t   b e  equal  f o r  the  firs t   t r a n s f o r m e r   t o  1  a n d   f o r  t h e  s e c o n d   tra n sf or m e r t o   √ 3 [ 3 ] .   On   t he   o t h e r   h a nd,  a  c ont ro l  m e th od  i s a l so   p rop o s ed  to   be ne f i t  fr o m   sel e ct iv e   h a rmo n i c   c a n cel la tio n  by  us ing   three,   f ive  or  m ulti-le vel  c onve r t ers in   s qu are wave  m odu lat i o n  [ 4,  5 ].    Th i s   p ap er  i s  or ga niz e d   a s   f o l l o w s .   S e c t i o n   2   ci te s  s o m e   r ela t e d   work;  sess ion   3  l i s t s  the  advantage s   of   HVD C   tra n smi s sio n .   S e c t ion   4  d e sc ri be s  the   p r opo se d   HV DC  s ys te m  an d  show s  ho w  to   b ene f i t   f r o m   n a t u ra l   h a rmon i c   c a n ce l l a ti on .  Se ctio n  5  p r o poses   a   c on tr ol  m et hod   t o  be ne fi t  f r o m   s e l e c tive   h a rmo n ic   ca ncel la t i o n   b y   us in g  Mu l t i l ev e l   N P C   i nv er t e r  in   S WM ,   an d   Sect i on   6   p ro po s e s   t h e   de dic a t e d   c o n t r o l   stra te g y .   La t e r  in  S ec t i on   7 ,   si m u la ti on   a nd  e x p e ri ment al   r es ul ts   a re   p re se nte d   t o  h i g h li g h t   t he   c a p a b i l i t i e s   of   th e  p r op ose d   HVDC  s yste ms.   Final l y   i n   se ct i o n   8,  t he   m ai n   conc l us i ons  o f   ou r  res earch   w or k  as  w e l l  a s   a   d i s c u s si o n  o f   th ei r  pot e n ti al  i m p lica t i o ns  a re h ig h lig ht ed .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       A  high  vo l t a g e  di rect  cur r en t t r an sm i s s i on sy stem :  Na t u r a l an d  selec t ive  h a rm o n i c  …  ( A ziza  Bena b o u d )   1 411 2.   RELA TED WORK  S u st a i na b l e   e n er gy  ge ner a ti o n   l i k e  hydr o,   w i n d  a n d   su n  w i l l   b e  in t e gr ate d   i n t o  p o w e r   ne t w o r k  a l l   o v e r  th e   wo r l d  a s   p res e nt e d   i n   Fi gu re  1 .  Th ey   a r e   n o r ma lly   not   l o ca ted  c l o s e   t o   t he  c onsum p tio n.   I t  wil l   b e   ve r y   i mp or ta nt   t o  f i nd  ef f i cie n t  w a y s   t o  tr an spor t  lar g e   am ou n t s  of  e l e ct ri ci ty   l on g   di st an ce s.  T o d a y ,   HVDC  t r an smi s si o n   see m s t o  b e t h e   be st  sol ut i o n   of t hi s   p r obl e m  [ 6] .           F i gur e  1.   P ow er   n e t w o r k   a l l   o ver   t h e   w o r l d.       I t   h as  b e e n   w ide l y  d o cum e n t ed  i n  t h e  his t o r y  o f   t he  i nd us tr ia l  e l e c tric i t y   t hat  the   firs t  c o mm er cial  el ec t r i c ity   g ene r a t e d   b y   T homas  A l v a  E d i s o n   was   di rec t   c u r re n t   elec t r ic al  p ow er .   A l so  i n  18 8 2   w he n  t h e   tr a n smiss i on   o f  e l ec t r ic  e ner gy  beg a n,   it  w a s  base d  o n   d ir ec t   c ur r e nt   s yste m s   [ 7] .   H o w e v e r ,   D C   p o w e r   a t   l ow   vo l t age  co u l d no t be  tra n s m itte d o v er  lo n g  d ista nces.     I n   1 8 8 7 ,   N i ko l a   T e s la   i ntr oduc ed  a   s yste m  f o r   a lte r n a t i ng  cur r e nt  g ener at or s,   t r a nsf o r m e r s,   m otor s,   wi res  an d  lig ht .  T h e  a d v a nt ag e s   o f   t r a n smit ti n g   A C   e l ectri c a l   e ne r g y  o v e r   l on g  dista n c e s  c o m p ar e d   t o   D C   tr a n smiss i on  w e r e  m ade   c l e a r   in  t hese  v er y  e a r l y   be gi n n i n g s .     D u r i n g   t he  d e c a de   o f  1 9 30s,   m e r c ur y  ar c  r ecti f ier s   w e r e  in ven t e d  a n d  D C   t r a nsmiss ion  be ga n  to  b e  c o n s i d er ed  a ga in   a s  an  o pt ion   of   t r a nsmi t tin g  e l e c t r i ca l   e n er gy ,   bu t   th i s   t i m e   at   h igh   vol t a g e   l ev el s.   I n  1 954 ,  the  f i r s t  H V D C   ( 1 0 M W)   t r a nsmiss i on  sys t e m   w as  c ommissi o n e d   i n  G ot l a nd  [ 8 ] .   S i n c e  t h e  19 60 s,   H V D C   t r a n s m i ssi o n   s y ste m   i s  now   a   m atur e  tec h n ol ogy   a n d   h a s   p l a yed   a   v i t a l  pa r t   in  b o t h   lo n g   d i s ta nc e  tr a n sm i s si on  a nd  i n   t he   i nte r con n ec t i on  o f   sy stems.  I n   1 9 7 0   HVDC  t r a n s mission   h a d   a   r e vo lu tio nar y   c ha n g e  w h en   t h y r i s t or s  w e r e   u se d  in  a   c on ver t e r   f or   t he   f ir st  t im e,   t her e   a r e   u se d   f o r   dc   tr a n smiss i on  a nd  i t   i s  k n o w n   a s  Cur r ent  S our ce  Co n v e r ter   (CS C - H VDC)  [ 9 ], [ 1 0 ] .   A   ne w   r e le va nt   s tep   in   D C   t r ansmiss i o n   h a p pe ned  in  1 99 0s  w he n  t h e   I n s u l at ed   G a t e  Bi pol ar  Tr ansist or   ( I G B T )   w a s  in tr o duce d ,   th us  g ivi n g  r i se   t o  V o l t a g e  S ou rce  Co nv erter  (VS C -HVDC)  at  h igh  vo l t age  l e v e ls  [ 1 1 ] .   T his  la st  v er si on  c o u l d  b e   r e a lize d   t ha nks   t o  t h e   r e solu t i o n   o f  t h e  p r ob l e m   of  t he  s er ie s   c o n n ec ti o n   o f  I G BT’ s ,   a l so  d ue  t o  t h e  deve lopm en t  of   t he i r   s o  c a lle d   pr ess-pac k   v ersi o n ,  ea sily   i nsert a ble   i n   lar g e  c o nver t er   s tac k s  [ 12,   13] .     V S C   t e ch no l o gy  a l low s   c o n t r o l l i n g  a c t i ve   a nd  r e a c t i ve   p ow er   i n d epe n d e nt l y   w i t h out  a ny  nee d s  f o r   e x t r a  c o m p e n s a ti n g   e q u ipm e nt ;   an d  br i n gs  t he  a d v a n ta ge   o f  dec o u p l ing  of   h a r mo ni c s   b et we en  g e n erat o r s.   Ho wev e r  k nown   sy st ems  o f   HVDC  u se  t wo   l e v el  i nv er t e r   techn o lo gy ,   th at  i ntr o d u c e s  r e lat i v e l y  hig h   c on te n t   of har mon i c  v o l ta ge s an d  curr ent s  [1 4 ,   15].     I m por ta nt  r ese a r c h ef f o r t s w e r e   d o n e  to  c a n c e l  som e   h ar m onic s  o r   t o   r ed uc e  th e   h a rmon i c s  di st o r t i on  of   o u t pu t  i n ver t e r   v o l t a ge  a n d   c ur r e nts,   t h i s  sys t em   c a n   f u l fi l l   t h e   r e qu ir e m e n t s   o f   t h e  o u t p ut   pow e r   q ua li ty ,   bu t  wi t h   a   l imi t ed  v a l ue   o f  th e   con v e r ters  e ffi c i e n cy  b e c a u se   o f  ver y   h ig h  sw itch i ng  l o sses  d ue   t o  t h e   hi g h   f r e que n c y  of   t h e   P WM  t e c h n i que  n or ma l l y  u s e d   f or   i ts  c on t r ol  [ 1 6 ] .   I n   o r d er   t o  ta k e   a dva nta g e   o f   n at ur al  a n d   s elec ti ve  h a r mo nic   c a nce lla tio n  a  spec i a l   H i gh  V o l t a g e   D i r e ct  C ur r e n t   t ec hn olo gy  is  p r e se n t e d   i n  thi s   p ap er .  Th e  c o n t e xt   o f   thi s   c on tr ibut io n  is  g i v e n   b y   c o mbi n ing  t w o  or ig in al  s olu t io ns  [ 3,   4 ].       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 4 1 0   –   1 418  1 412 3.   HVDC  O R  H VAC   T RANS MISSION   HVD C   syste m   a llows  t r a nsm itt ing  e l ec trica l   p ower  f rom  one   p o i n t  t o   a n o t h e r   t h a t  a r e  n o t   syn c hr o n iz ed  o r   d o es  n o t   e v e n  ha ve  t he  s a m e  fr eque nc y.   F igur e   2   r epr e sen t s  a  sc he ma t i c   dia g r a m   of  t he  HVD C   t r ansm i ssion system .            Figu re  2. Sc h e m a tic   diagram  o f  the  HVDC   t ra nsm i s s i o n s y s t em       S o m e   a d v a n t a g e s   o f   H D V C  t r a n s m i s s i o n   s y s t e m  a r e :   N o  l i m i t s   i n   t ra nsm i tte d  d i st an c e ,  t h is  i s  v a li d   for   sea   o r   und er gr oun d   ca ble s .   V e r y   f a s t  co ntro l   of   p o w e r   f low ,  w h i c h  i m p l i e s   s t a b i l i t y  i m p r o v e m e n t s ,  n o t   only   fo r   t h e   H V D C   l i n k   b ut  a l s o   for   the   su rro und in g  AC   s y s te m.   D i re ct i o n   of  p o w e r   f l o w   c a n   b e  ch ange d   very   q u i c k ly ;  an d  o n ly   t wo  c on duc t o rs  a re   n e e de d   ( o r   e v e n   one   c on duc t o r  if   t he   g rou nd  o r   s ea  i s   used  a s  r e tur n )   for   H V D C   c om par e d  t o   t hr ee  co nd uc tor s   f or   a lt e r na ti n g   c u rren t   [ 17 ].      4.   S Y STEM AND METH OD  D E S CRIPTI O N   F i g u r e   3   ill us trates  t he   s c h e m a t ic   d iagra m   o f  t h e  pro p o sed   HVD C   s yste m s .   I t   i s  a cch i e ve d  by  tw o   f r e que n c y  inve r t er s  i n   s er ie s  con n e c tio ns.   T h e s e  fr eq uenc y  in ve r t e r s  ca n  be   c o n f i g u r e d  a s   a   t hr ee,   f ive   o r   m o r e   l eve l   i n v e r t er s.   T hey  ar e   c o u p l e d  t h r o ug h  a   spec i f i c   t r a ns f o r m er   c onnec tio n,   a n d   t he ir   c o n tr o l   s i g n a l s   are   sh i f t e d  b y   30°.            Fi gure   3 .  Sc h em a t ic  d i a gram  of   th e   pr o p os e d  HVDC s y s tem   with t h r e e   le vel  inve rter s          F i gure   4 .   S c h em a t ic  d i a gram   o f   th e   pro p o s e d   t ra nsf o rm er’s  c o n ne cti o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       A  high  vo l t a g e  di rect  cur r en t t r an sm i s s i on sy stem :  Na t u r a l an d  selec t ive  h a rm o n i c  …  ( A ziza  Bena b o u d )   1 413 F i g u r e   4   s h o w s   t he  t r a ns for m er ’ s   c on nec t i on.   V ’ p1   r epr e sen t s  the   f i r s t  ou tpu t   i nve r t er   v ol t a ge  a n d   u’ p1   r epr e sents  t h e   se co n d   p ha se  t o  p h a s e   out pu t  i n ve r t er   v o lta ge.   V s1   a nd  V ’ s1   a r e   r espe ctive l y  t h e  sec o ndar y   vo l t age s   o f  tr a n sf or m e r s   ( I)   a nd  ( I I ).    T h e  t r an sf o r ma t i on   r at i o   i s  c h o s e n   e qual   fo r  t h e  f i r s t   t r a n sf or m e r   to  1   a nd  fo r   th e   s econd   t r a ns fo r m e r   to  √ 3 . Th e  o utp u t vo ltag e  is   g i v e n  acco r d in g  t o   ( 1 ) :    V V  V ′                                                                                                                                                                                                                                                   V  V   a nd  V ′  ′  √  wi t h   u ′  V ′   V ′          ( 1 )     I n   t he  o the r   h a nd,   b o t h  in ver t e r s  ha ve  t he   s a m e  sw i t c h in g  ang l e  δ n .   The   ou tp u t   v o lta ge   i s  gi ve n  by  ( 2 ) :       V √ ∑  U co s       co s  1 15 ° cos 1 15 ° s i n ωt       ( 2 )     V   i s  r e pr esente d  by  m u lti p lic at i o n  of  t w o   t er m s   w hi c h   d e p end  o n   the  ha r m onic   υ   a nd  on  the  sw i t c h i n g   an gl e  δ n .  It will be  e qua l   ze ro whe n o n e  of t h e se  ter ms is  nul l :    co s 1 15 ° co s  1 15 ° 0                    or                     c o s  0                      ( 3 )     The   f i r s t t e r m   o f   ( 3 )   is  v e r i f ie d an d  c a n be equa l to ze r o  w h en : ν 6 12 n ∓1     and n  mus t  be an   in te ger ,   o t h e r w i se  calcu la t e d  if  υ   =   5 ,  7,  17,   19,   29,   31,   … . .   T h e s e  harm onics  a re   n atura l l y   c ance l l e d .    V   c o n t a i n s   t he  f u nda me n t a l   ( υ  =  1)   a n d   h a r m onic s   num ber   11,   1 3,   2 3, . . .   O n e  or   t w o   o f  th ese  har m on ics  c a n  b e   c a nce l l e d  w h e n   t he  s e c o n d   t e r m  of  ( 3)   i s  ve rif i e d .   This  p oi n t   w il l   be  d escr i b ed  i n  t h e  ne xt   s ec t i on.       5.   M U L T I LEVE L   N E U T RAL  P OINT CLA MPED  I NV E R TER IN  SWM    5 . 1 .   T h ree lev el   N PC  i n v ert e r in SWM  A  three   Leve l   Neutra l  P o in t  C l am pe d  in ve rter  i s  mos t ly  u se d  for   m ed i u m  and   h i gh   vol t a ge  a p p lica tio ns.         (a )   (b )     F i gur e  5.   ( a): P h as e  circu i t   di a g ram o f   a  3  lev el  NP C  in v e rter .      (b) :   O u t p ut  v o l ta g e ’s  w av e f o r m o f  3  lev el N PC  i n v e r t e r      F i g u r e  5 ( a )   s h o w s   t h e   c i r c u i t   o f  t h e  N e u t r a l  P o i n t  C l a m p e d  i n v e r t er,  t h e   DC   s id e  i s   c o n n e ct e d   t o   t h e  n e ut ra l  poi nt  b e t ween   c ap a c i t o rs  v i a   d i o d e s   to   r ea ch  t h e   t hi rd  le ve l  in  t he   o u t p u t   v o l tage.   [ 18,   1 9] .    F i g u r e   5 ( b )   show s  an ou t put- v o l tage ’ s   w a v e f or m  of  a  thr ee - l eve l   c o n v er te r   ope r a te d  i n   s quar e - w ave  m o de .   I n   th is o u t p u t  vo lt age ’ s wa vefor m , δ n   i s  t h e   op t i mize d  sw i t c h i ng  an g l e,   it  c a n   be   g ive n   b y  ( 4 ) :       U     νπ U cos                                                       ( 4 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 4 1 0   –   1 418  1 414 T h e  swit ch ing   an g l e  δ n  ca n  be   s elec ted  to  e l i m inate   som e   h a r m oni c s .   F o r   exa m ple ,   t he   1 1 th   har m on ic  d i sa pp e a rs  w hen   δ n =   8. 18 °,   o r   the   1 3 th   h ar monic  d i sa ppe ar s  w h e n   δ n  =   6 . 9 2 ° .   M o r e   h a r m o n i c s  c o u l d  b e   e l im i n a t e d   t o g e the r   w he n  us i ng  f i ve  o r   m o re   l eve l   i n v er ter .     5. 2.   F i v e   le ve l   N P C   in vert er   i n   S W M  A   F i ve  L e v el  N e u tr a l   P oint  C l a mpe d   i n v e r ter   is  c om pose d   by  8  sw i t c h e s   a nd  con n ecte d   t o  neu t r a l   po in t   v i a  diode s  as  i l l u str a t e d  in  f i g ur e  ( 6 . a ) .   T h e   o u t pu t  v o l t a ge’ s   w ave   f o r m   i s  dr ow n  in   F i g ur e  ( 6 . b ) .   I n  this   w a ve  f or m,   δ n1   a nd  δ n2   pr e s e n t  sw it c h ing  a n g l e s   w h i c h   c a n   b e  c h osen  a c c o r d ing  to  ( 5)   i n  or der   to  e l i m i nate   f o r   e x am pl e   th e  11th  an d  th e   13 t h   h ar mon i c s   t o g e t h e r .        U   co s 1 1   c o s 1 1  0                                                                                                                                                 U   co s 1 3   c o s 1 3  0  ( 5 )     Bo t h   1 1 th  a n d   1 3 th   h arm o n i cs   c an  b e   el imi n ate d   w he n  δ n1  a n d   δ n2   a re  s e l ected  to  v erify   (5 ).     It  m ean s   δ n1 =  1. 2 6 °  an d  δ n2 = 1 3 .8 5°.     O t her   o p ti m i z a t i o n   te ch n i q u e  ca n  be   u se d  to  f i nd  t h e  bes t   c ombi n a t i on   o f  swi t c hi ng   a ngl es  t o   re du ce   th e  THD  [ 6 ].           (a )   (b )     Fig u re 6 .   (a) :   P has e   c ir c u it d ia gr a m  of   a 5  lev e l  N P C in verter .   ( b ) :   O u tp ut   v ol t a ge ’s wa v ef or m of  5  lev el   N P C   in ver t e r       6.   TH E   PROP OS E D   M ET HO DE   T O  CON T RO L MULT IL EVEL N P C INVERTE R   I n   t hi s  sect io n  a   contr o l   s t r a t e gy  is  p r o p o sed  for   t h r e e ,   f ive  or   m or e  le vel  N e u t r a l   P o i n t  Clam ped   c o n v e r ter ,   c ha racte r i z ed  b y  its  h i gh  e f fic i en cy  due  t o  the   use  of   s quar e - w ave  oper a t i o n   m ode.   The  main   a d v a n t a g e of  t his  m ode  i s  t h e   quasi   a bsenc e   of   s w i t c hin g  lo sses .   I n   t hi s mo de,   onl y the   fr equenc y  ca n   be  v ar ied   be t w e e n  t h e  i nput  a nd  the  ou tp ut   v o lta ge s,   but  t h e i r   m a gnitu des   a re  n ot   freel y   c o ntro llab l e.  A   v o l tage  m a gnitude   a da ptat io n  ca n  be  d o n e  b y   v ar y i n g   t he  D C  lin k  vo lt a g e .   The   p r oduc ed  a c tive   and   r eac t i ve  pow e r   c a n  b e   c ontr o l l e d  by  the  ge ner a tor   exc itat i o n   a s  w e ll  a s   b o t h  t he   a ng l e   s hi ft   b e t w e en  t he   g ene r ator   a nd  r e ctif ier   vo ltages  a nd  b e tw e e n  the  in v e r t er   a nd  netw or k  vo lt a g es,   F i g u r e   3.  T he   capa c itive  in term ediary  c ircuit  b r i ngs  the  advan t age  of  d ec oupl in g  of  h a r m o nics  b e t w een  t he  g ener ato r   and  t h e   netw or k  c u r r e n t s  [20] .   B o th  i np ut  a nd  out put  c on ver t er s  ar e  contr o lle d   in  t he  s am e  m a n ner.   T he r e f o r e ,   only   one  s id e   c o n t r o l   of  t h e  ou t p u t  con v erter  i s   d escr ibed in th is paper , F ig ur e 4.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       A  high  vo l t a g e  di rect  cur r en t t r an sm i s s i on sy stem :  Na t u r a l an d  selec t ive  h a rm o n i c  …  ( A ziza  Bena b o u d )   1 415 D C   v o l ta ge   a nd  the   a ngle  s h i f t  b e tw een  t he   i n v e r ter   and  n e t w or k   v o l ta ge s  ar e   given  a s   f unc ti on  o f   a c ti ve   a n d   r ea cti v e   po w e rs  r efere n c e s  and  they  d epen d  on  t h e  i n duc t a nce’ s  va l u e  and  the   gr id  v ol tage   m a gnitude   a c c or din g   t o   ( 6 )   a nd  ( 7 ) :   U   V Q   P                ( 6 )   θ  t a n               ( 7 )     X X X  W i t h   X   a nd  X ar e r e spec tive l y  th e   tr ansf or me r  a nd  t h e  ne tw or k   i n d u c t a n c e s.   St a r t i n g  fro m  t h e  a c t i v e  a n d   rea c t iv e  po wers  r ef ere n ce s  equ a l   t o  z e r o   ( F i gur e  7- a) ,   the  sys t em   r uns   in i t ia ll y  in  no  loa d   o per a t i o n ,   bo th  i n v er ter   a nd  ne tw or k  v o l t a ge s  ha ve  t he  s am e  phase  w h e r e   t he   a mp li t u de  i s   e qua l  t o   nom in al.   Ther e f or e   t h e  li ne  c ur r e n t   i s  z e r o .           F i gur e  7.   D iagr am   o f  vol t a ge  a nd  c u r r e n t       I n   t he  f ir st  t r a n s iti o n ,   the   ne t w or k  ac ti ve  a nd  r eac tive   p o w e r s   a re  d ifferent   f r o m  zero .   Co n s equ e n tly ,   the  a n gle  s h i f t  and  t h e  D C   v o l ta ge  c ha n g e  fr om  ( θn0,   U d0)   t o  ( θ nc,   U d c)   ( F i gur e   7- b) .   Their   va lue s   d e p en d  o n   th e activ e  an d   reactiv e  po w e r-ref e ren c es  acco r d i n g   to  (6 )  an d   (7 ).  In   t h e   s ec ond  t r a n sit i o n ,   t he  r ea ct iv e   powe r   r a m p s   down   t o   z e r o ,   a s   s h o w n   i n  ( F igur e  7- c) .  C onse q uen t ly,   t h e   a n gle  sh if t   and  the   D C   v olta ge   m us t  c h ange  f r om  ( θn c,   U dc )   t o   ( θ’ nc ,   U ’ dc ) .   T hen  t h e  r eac t i ve  power  ca n  be   com p ensa t e d an d  t h e   sys t em  c an be   oper a te d  usi ng  a   uni t y   pow e r   f actor .       7.   EX PERIMENT AL R E S ULTS  A N D  DIS CUSSION S   The  s y stem   d epic te d  i n   F i g ur e  4  ha s  be e n   s imu l a t e d   i n  Ma t l ab  S i m u l i nk  us in g  t h e   fo llow i n g   ch a r ac t e ri sti c s:   V n   =   1 p u   i s  t h e  ne tw or k  v o l ta ge.   X n = 0 . 2 p u :   i n du cta n c e   b etw e e n   t r a ns f o r m e r s  a nd  ne t w or k.   Tr ansform e r s   c hara cteris t i cs :   L=  1 e-3 p u   i s  L e aka g e   in duc t a nce,   R=  1 e-3 p u   i s  wi n d i n g  re sis t a n ce.   S im u l a t i o n  r e sults  f or   d if f e r e nt  s w i t c h i ng   a ngle  δ n  a r e  presen te d;               F i g u r e   8 .   T r a nsfor m er   out pu t   vo l t a g e  w h e n   δ n =  8. 18   F igur e  9.   T r a nsfor m e r   out pu t  vo l t age  w h e n   δ n = 6. 9 2 °   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94  I n t   J Po w   Elec  &  Dr i  Sy st,  Vo l. 1 0 ,  No . 3 ,   S e p   2 019   :     1 4 1 0   –   1 418  1 416 F i gur e   8  a nd  F i gur e   9  s h ow   r espe ct ive l y  t h e  tr a n s f or me r  ou tpu t   vol t a ge   w h e n   δ n =   8. 18 °,   t he   1 1 th   ha r m onic   d i sa ppea r s  an d  the   c a se  w hen  δ n   =   6 . 92°  t he  1 3 th   h ar mon i c  d i sa ppea r s.   H ar mo nic s   num be r   υ  =  5,   7 ,  17,   19,   29,   31,   … . .   a r e   n a t ur a l l y   c a n ce l l e d .     S im ulat io n  r e su lt s  c onf ir m  t h e   ana l yt i c s  calc u l a ti ons   d o n e   a ccor d i n g  to  ( 2)  i n   the pr ev i o u s   s ec t i on s.    In  o rder   t o   va li date   t he de d ica t e d   c o n t r o l  s t r a teg y ,   a   thre e  le vel   freq u e n c y   c on v e rter   c on n e cted   t o t h e  gr id  v i a   i n d u c t anc e s  has  bee n   s im ula t e d .   F i gur e  10  s how s  sim u la te d  ac t i v e   a nd  r e a c t i ve  pow er s  for   d i f f e r e nt  ope ra ti o n   m od es.   The  l i n e  cu rr ent  is  i n  p h as e  wit h   t he  n e t work  v o lta ge  w he n  t h e   r e a c t iv e   p o w e r   is  n ul l .   T h e   sy s t em o p e r a tes w i th   u nity  power facto r .          Fig u r e  10 .  Simu l a tion   r e sult s :  ( co sφ = 0 .8 )   an d   (co s   φ   =  1 ).      The   sam e   s yste m  has  be en  b u i lt  an d  tes t e d   u s i n g   a   l ow   v o l ta ge  l a b or at or y  p r ot oty p e   F i gur e   11.           F i gur e  1 1 .   Labor a t or y   pr o t o t ype   u s i n g   3 L 3 P N P C   i nver t e r       Ac tive   a n d  r e ac tive   p o we rs  a re   m e a sured   an d  pre s en te d  in  F igur e   1 2  a n d  F i gur e  13   t o g e t he r   w ith   t he   a l te r n at i v e  li n e   c ur r e nt,   in ver t e r   a nd  ne tw or k   v o l t a g es.   W h e n   t h e   r ea ct i v e  p o w er  i s  n e a r   z ero ,   t h e   a lt erna t i ve  li ne  c ur r e n t   i s  i n   pha se   w it h  th e  netw or k  vo lt age .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st   I S S N :  2088- 86 94       A  high  vo l t a g e  di rect  cur r en t t r an sm i s s i on sy stem :  Na t u r a l an d  selec t ive  h a rm o n i c  …  ( A ziza  Bena b o u d )   1 417     F i gur e  1 2 .   P r acti c a l   v e r i f icat i o n  r e sults :  ( c osφ  =   1)           F i g u r e   13.   P r acti c a l   v e r i f ica t i o n  r e sults :  ( c osφ  ≠  1)      8.   CONCLUSION   Su s t ai n a b l e  e n ergy   g e n er ati on  is  o f t e n   l oca t e d   v e r y  fa r   fr om   t he  p lace   w her e   t he   ene r gy  w ill  be   c o n s um ed.   I t   w il l  be  v e r y  i m por ta nt   t o  f i nd  e f f i cie n t  w a ys  t o  t ra n s port   l a rg e  a m o u n t s  o f   e l e ct r i c i t y   l ong  d i stan ces.  T o d ay ,   HVDC  t r a n s missio n  s e ems  to  b e  the  b e st  s ol uti on   o f  this  p rob l em.  I n d e ed ,   HVDC  tra n smiss i on   s ys tem s   m ake  it  po ssi b l e   to   e a s ily   i n t er co nn ect  n e tw or ks  w her e   v ol ta ge   a nd   f r e q u e n cy   a r e   n o t   c o mpa t i b le,   to   t r a nsmi t  ener gy  o v er   l o n g   d i s ta nce s   a nd  t h ey  a ls o  c o n t r i bu te  t o   t h e  st a b il it y  of  t he  n etw o r k   tha n ks  t o  the i r   contr o l l a b il it y  i n   t he   4   Q u a dr an ts  P Q .   T he  c o n t r i bu tio n  pr o p o se d  i n   t his  paper   i n clu d e s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694  Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst ,  V ol.  10,  N o.  3 , S e p   2 0 1 9  :   141 0   – 1 418  1 418 ori g ina l   e l e me nts  base d  o n   t h e   c omb i na t i o n   o f  tw o  so l u t i on s,   t o   r ed uc e  the   ha rmon ics  di stor ti o n   o f  the   o u t p u t   in verter   v o l t a g e ,   a nd  to  o pe rate  w i t h   u n ity   pow er   f ac t o r  and   be t t er  c u r r e nt  q ua l i t y .  The  s i m u lat i on  a n d   expe r i me n t a l   r esu l t s   i n d i c a te   t ha t  the   pr op ose d   H V D C  t r a n sm issi on  s ys t e m s   o ff er   h igh  efficienc y ,  and  show e d   t ha t  w i t h   t he  c ontro l   of  t he  t w o   i n v erter s   a n d   t h e   s pe ci al   c o upl ing   of   t h e   t wo   t ra nsfo rme r s ,   t hi s  con t ri b u t i on  ma kes i t  pos sib l e   to take   ad va nt a g e of na t ura l   a nd   s e l ect i v e  ha rm oni c   c a nce lla ti on.       REFE RENCES   [1]   P r asad a r ao   V S ,   J o s hi   M an oh ar  K V.  A n a ly s i s  Grid   I nterco nn ectio n  o f  P V   S y s t e m  U s i n g  S y m m e t r i c   a n d   As ymm e tri c   M LI  T op o l ogy .  In te r natio na l Jo ur nal of  P o wer   El ectro ni cs a nd Dr ive S y st em.     2 0 18;  9 (4):  161 6-1 6 2 3 ,    [2]   Ruf e r  A,  K nap p   P .  N e t zein s p e isung   m it   v erlu st armem   p u ls wechsel r icht er .  St euer ung s el ek t r o n i k , pr ecision .  19 9 1 :   25-29.  [3]   Buhler  H .   Converti s seurs  stat iq ues.  Co ll ecti on  E l ect ricité,   Presses  Po l y tech ni q u es  et U n iver si ta ires   Ro ma ndes,    L a u s an ne,   1 9 91:  2 63 -2 67 .  [4]   Benab oud   A .  Con v erti s s eur  de  f réqu ence  in di rect   à   r ap po rt   d e  te n s io n  fix e :  i n terf ace  ent r e  t u rb o-alt e rnat eurs  à   hau t e v i t e sse  e t rés eau él ectriq u e.    Do c t or a l  t h esis  n  3 733  EPFL ,   Lau s an ne ,   20 07.   [5]   Das h   S K ,   N ay ak  B A,  S ahu   JB.  S e lect ive  Harm o n i c   E liminatio n  of  a n  El even   L evel   I n v erte r  Usin g   W h a le  Op ti mizati o n   Tech ni que.   Int e rnati o n a l Jou r n a l  of Po we r Electr onics  an d  D r i ve Sys t em . 2 01 8 ;  9(4 ) :  1 94 4 - 19 57 .   [6]   Tan g   G .   Hi gh   P o w er  C o n v e rsi on  Tech no lo gy  f o r  Hi gh   V o l tage  D C  Tr an smissi o n   A pp li catio n .   2016   ECCE- I E EE.   Mi lwau kee,  W I ,  US A, En e r gy  Conver si on  Cong re s s  a nd Exp o sit i o n :  18 -2 2.   [7]   Lat o rre  H .  Mod e l i ng  a nd  C ont rol   of  V SC-HV D C  Trans m i s s i on s .   Doct ora l   thes i s , Royal In stitute of  Technology  Sch o o l  o f   E l ect r i ca l  Engin eerin g ,  El ectric p o wer s y st ems  S t ockh olm, S w eden,  2 01 1.  [8]    Kim  C ,  So od   V ,   Ja n g   G ,  Lim  S,  L e e   S.   H V D C   T R ANS MI SSION   P o w e r   C o n v e rsi on  A pplicatio ns   i n  P o wer  Sy ste m s .   I EEE P R E SS,  John Wi l ey  & S ons   ( A si a )   P t e  L t d . 200 9 .   [9]   Hoffmann M,  Le o wald K.  A th yris to r va l v e f o r a pe ak  b lock in g v o lta ge   o f 12 0 k v .   Siemen s-Z e it sch r ift .   1 9 68;  42(4 ) .  [10]   Anwan d er E, E tt er P. Thy r i stor c o n v e rt er v al v e  for   1 00  kv   dc b r id ge  v olta ge .  Brown B o veri  M itt .  1 96 9;   5 6 ( 2).  [11]   Co l e  S , Bel mans  R. Trans mi ss i o n   o f  bu l k   po wer,   I n dustrial Elect ronics Magaz i n e  I E E E . 2 00 9 ;  3(3 ) :  1 9-2 4 .   [12]   Ei cher  S , Rah i mo   M ,  Tsy p l a ko v  E ,   S ch neid er  D ,   Ko pt a  A,   S chl a p b a ch  U ,   Carrol l   E .   4. 5 kv pres s  pack  i gb t desi gn e d   f o r  ruggedness  a nd  r eli a bilit y .  IEEE, Industry  A pplicat i o ns Co nf erence,  39t h  I A S Annual   M eet ing.   Seat t l e,  WA,   USA,   200 4 ;   3 : 1534 -15 39.   [13]   As pl und   G . A ppli cati on  of   HVDC  li ght  t o  p o wer  s y s t e m   e nh ance m e nt .  P o wer en gi neeri n g  so cie t y wi nt er meet ing  IEEE.   2 00 0;  4 :   2498 -25 0 3 .   [14]   Gy ug yi  L .  Reactiv e  p o wer  gen e rat i o n   a n d   c ont rol   by   t hy ristor  c i rcuits.   IEEE  Tra n s a cti on In dustr y Ap p l ica t i ons.   19 79 ;  1 5 (5):   5 21-5 3 2 .   [15]   S h al chi  Alis hah   R,   N aza rp ou r  D ,   H os sei n i   S H ,   Sabahi   M .   D e sig n   o f  N e w   Sing le-p hase  M ul tilev e l  Vo ltag e  So urce   Inverter.  In ter n a t io nal Jo ur na l o f  P o wer El ectro n i cs a nd Drive S y st em .   20 14 ; 5 ( 1) :   45 -55 .   [16]   Lak s hm an a  B,  V enk a taratn am   G .   TH D   an d  Sw it chi ng  lo s s es   A naly s i s   o f  Mul t i - Level  Inverter   F ed  3 φ  Induct i o n  Mot o r  D r ive.  In ternati o na l  Journal  o f  Sc i e ntific  &  E ngineering  R e search.   20 14;  5 (1):   2 0 67-2 0 7 4 .  [17]   As pl und  G.   S u s tai n ab le  e n e rgy  sy st e m s  with   H VDC  t ransm i ssi on.   I EEE Po wer  Eng i neer in g Societ y General   M eet ing .  Den v er ,   CO , USA .   2 0 0 4 ,    [18]   Baker  Ri chard  H.   B ri dg e con v erter ci rcui t.  Un ited  St a t es  P a t e nt,  4 270  1 63.   26  M a y  1 9 8 1 .     [19]   Nab ae  A,  T akah ash i   I ,  Ak agi  H.  A   n eut r a l -p oin t -c l a mp ed  P W M   i nve rt er .  IEEE Tran sacti ons on  I n dustry  Applications . 19 8 1;  I A(1 7 ) :  51 8 -5 23 .    [20]   Benab oud   A ,  Ruf e r  A .   A   F lex i b l e,  H ig h  effi cien cy,  V S I-Based  HVD C  tr ansm ission  s ystem   with  r educ ed  harm onics .   P o wer  Elect ro n i cs Specia lists Co n f eren c e   IEEE -PE S C R hod o s  G r eec e . 2 00 8;  41 1 7 - 41 23 .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.