I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  A p r il   20 25 ,   p p .   1 2 9 7 ~ 1 3 2 1   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 15 i 2 . pp 1 2 9 7 - 1 3 2 1           1297       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   M o delling  and co ntrol o f  LCL  vo lt a g e so urce  co nv er ter - ba sed   hy brid  hig h vo lta g e alternating  cu r rent / hig h vo ltag e  direct  current   sy stem       M a hm o o d Sa a deh 1 ,   M o ha m m a d H a m da n 2 ,   O s a ma   Sa a d eh 3   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   E n g i n e e r i n g ,   T h e   H a sh e m i t e   U n i v e r si t y ,   Z a r q a ,   J o r d a n   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   E n g i n e e r i n g   a n d   Te c h n o l o g y ,   A p p l i e d   S c i e n c e   P r i v a t e   U n i v e r s i t y ,   A mm a n ,   J o r d a n   3 D e p a r t me n t   o f   E n e r g y   En g i n e e r i n g ,   G e r man   Jo r d a n i a n   U n i v e r si t y ,   A mm a n ,   J o r d a n       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   4 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Oct  5 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Oct  2 3 ,   2 0 2 4       Vo lt a g e   so u rc e   c o n v e rters   (VSC s)  h a v e   re v o l u ti o n ize d   h i g h   v o lt a g e   d irec t  c u rre n t  (HV DC)  tran sm issio n ,   o f fe rin g   n u m e ro u s  a d v a n ta g e s  su c h   a s  b lac k   sta rt  c a p a b il it y ,   a b se n c e   o f  c o m m u tatio n   fa il u re ,   a n d   e fficie n t  c o n tr o l  o f  b id irec ti o n a l  p o we r  flo w .   Th is  stu d y   in tro d u c e s  a   c o m p a ra ti v e   a n a ly sis  o f   a d v a n c e d   VSC  tec h n o lo g ies ,   fo c u sin g   o n   a   n o v e l  se ries   h y b r id   c o n v e rter   in c o rp o ra ti n g   a n   i n d u c to r - c a p a c it o r - i n d u c to r  ( LCL )  p a ss iv e   c ir c u it .   T h is   c o n fig u ra ti o n   is  e x p l o re d   f o r  it s  p o ten ti a l  to   e n h a n c e   b o t h   h ig h   v o lt a g e   a lt e rn a ti n g   c u rre n t   (HV AC)   a n d   h i g h   v o lt a g e   d irec t  c u rre n t   (H VD C)   sid e   fa u lt   su p p re ss io n   c a p a b il it ies   a n d   im p ro v e   DC  o u tp u t  v o l tag e   q u a li t y ,   a d d re ss in g   c rit ica l  d ra wb a c k s  o f  trad it io n a l  VSCs.  Th ro u g h   c o m p re h e n siv e   sim u latio n s   in   M ATLAB/S imu li n k ,   th is  re se a rc h   e v a lu a tes   a n d   c o m p a re s  th re e   d iffere n t  c o n v e rter  t o p o lo g ies :  th e   th re e - lev e l  n e u tral  p o in t   c lam p e d   c o n v e rter,  t h e   h y b ri d   c o n v e rter  with   AC  sid e   c a sc a d e d   H - b rid g e   c e ll s,  a n d   th e   LCL   h y b ri d   c o n v e rter.  Th e   c o m p a riso n   is  b a se d   o n   k e y   p e r fo rm a n c e   m e tri c s  su c h   a s  DC o u tp u t  v o l tag e   q u a li ty ,   fa u lt   su p p re ss io n   c a p a b il it ies ,   a n d   sy ste m   e fficie n c y   d u rin g   n o rm a l   a n d   fa u lt   c o n d it i o n s.  T h e   stu d y   fin d s  th a t   th e   LCL   h y b r id   c o n v e rter  o u t p e rfo rm s  trad it io n a l  c o n v e rters   b y   sig n ifi c a n tl y   imp ro v i n g   DC  o u tp u t  v o lt a g e   q u a li t y   a n d   e n h a n c i n g   fa u l t  su p p re ss io n   c a p a b il it ies   in   HV DC  sy ste m s.  It  e ffe c ti v e ly   re d u c e s  rip p le  a n d   m a in tain s  sta b il it y   d u ri n g   fa u lt s,   m a k i n g   it   a   su p e rio r   c h o ice   fo r   f u tu re   HV DC  c o n v e rter   d e sig n s  a n d   a p p l ica ti o n s,  o ffe ri n g   v a l u a b le   in si g h ts   fo r   a d v a n c i n g   HV DC t e c h n o lo g y .   K ey w o r d s :   H - b r id g e  ce lls   L C L   h y b r id   c o n v e r ter   Mu lti - ter m in al  h ig h   v o ltag e  d ir ec t c u r r e n t   s y s tem s   Neu tr al  p o in t c lam p e d   co n v er ter   Ser ies h y b r id   co n v er ter s   Vo ltag e  s o u r ce   co n v er ter   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Ma h m o o d   Saad eh   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   Facu lty   o f   E n g in ee r in g ,   T h e  Hash em ite  Un iv e r s ity   P.O.   B o x   1 5 0 4 5 9 ,   Z ar q a  1 3 1 1 5 ,   J o r d an   E m ail: saad eh _ m ah m o o d @ h u . ed u . jo       1.   I NT RO D UCT I O N   An   ef f icien t  p o wer   tr an s m is s io n   an d   d is tr ib u tio n   s y s tem   i s   a  f u n d am en tal  r eq u ir e m en t   to   f u lf ill  cu s to m er s   with   es s en tial  en er g y   n ee d s .   Fo r   m an y   d ec a d es  elec tr icity   n etwo r k s   h av e  p r o v id ed   th e  v ital  lin k s   b etwe en   p r o d u ce r s   an d   c o n s u m er s   with   g r ea t  s u cc ess .   Po w er   g r id s   h av e  b ee n   d esig n ed   t o   s er v e  th e  n ee d s   o f   lar g e  p r ed o m in an tly   ca r b o n - b ased   g en er atio n   lo ca ted   r e m o t ely   f r o m   d em a n d   ce n ter s .   Ho wev er ,   th e  elec tr icity   g en er atio n   la n d s ca p e  is   f ac ed   with   n ew  ch allen g es.   T h e  en er g y   s ec to r   is   b ein g   ch allen g ed   b y   lim ited   f o s s il  en er g y   r eso u r ce s ,   clim ate  c h an g e  a n d   g r o win g   en e r g y   co n s u m p tio n .   I t  is   es tim ated   th at  b y   th e  y ea r   2 0 4 0 ,   elec tr icity   co n s u m p tio n   will  b e  g r o wn   b y   4 0 %  [ 1 ] .   Un d o u b ted l y ,   th ese  m ajo r   o b s tacle s   s h o w  th at  t h er e  is   a  n ee d   f o r   n ew  en er g y   s tr ateg ies.  Gr ea t  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 2 9 7 - 1 3 2 1   1298   atten tio n   h as  b ee n   g iv e n   to   n e w  en er g y   s tr ateg ies  b ased   o n   r en ewa b le  tech n o lo g ies  a n d   p o wer   tr ad in g .   T o d ay   th er e  ar e   o v er   5 0 0 , 0 0 0   k m   o f   p o wer   lin es  ac r o s s   th e  g lo b e   en o u g h   to   s tr etch   1 2   tim es  a r o u n d   th e   ea r th   [ 1 ] .  T h e  cu r r en t   tr an s m is s io n   an d   d is tr ib u tio n   s y s tem   h as  s er v ed   th e   p u r p o s e  e x tr em ely   we ll  b u t  will  n o t  b e   s u f f icien t in   th e  f u tu r e  [ 2 ] .   B y   th e  en d   o f   th e  1 9 th   ce n t u r y   d u e  to   ea s e  o f   alter n atin g   cu r r en t  ( AC )   v o ltag e  lev el  tr an s f o r m atio n ,   AC   tech n o lo g y   was  s elec ted   to   tr a n s m it  elec tr ic  p o wer .   E v en   th o u g h   h i g h   v o ltag e   alter n atin g   c u r r en t   ( HVAC)   tr an s m is s io n   s u f f er s   f r o m   s o m e  tech n ical  r estrictio n s ,   n o wad ay s   m o s t e lectr ical  p o wer   is   tr an s m itted   u s in g   HVAC.  T h e  m ain   lim itatio n s   o f   AC   tr an s m is s io n   a r e  r ea ctiv e  p o wer   g en er atio n /co n s u m p tio n ,   th e   im p o s s ib ilit y   o f   asy n ch r o n o u s   ties ,   ch allen g es  in   o f f s h o r e  win d   f ar m   in teg r atio n ,   an d   th e   lim itatio n   in   tr an s m is s io n   d is tan ce .   T o   o v e r co m e  t h ese  lim itatio n s   an d   to   d ev elo p   t h e  tr a n s m is s io n   ca p ab ilit y   h ig h   v o ltag e   d ir ec t  cu r r en t  ( HVDC)   tr an s m is s io n   was  s u g g ested .   HVDC  is   n o   n ew  s o lu tio n ,   b u t  th e  ad o p tio n   o f   d ir ec t   cu r r en t   ( DC )   tr an s m is s io n   wa s   lim ited   d u e   to   th e   lack   o f   r e liab le  h ig h   v o ltag e   p o wer   co n v er s io n   eq u ip m e n t.  T h e  r ev o lu tio n   in   th e  p o wer   s em ico n d u ct o r   in d u s tr y   m an a g ed   to   r ed u ce   th e  co m p lex ity   a n d   s ize  o f   th e  p o wer   co n v er ter s .   HVDC  g r ew  i n   a   r em ar k ab le   m an n er   m ak in g   it   an   attr ac tiv e  alter n ativ e  to   c o n v en tio n al  HVAC  tr an s m is s io n   [ 3 ] .   R ec en t  ad v an ce m e n ts   in   H VDC  s y s tem s   h av e  r ev o lu t io n ized   p o wer   tr a n s m is s io n ,   o f f e r in g   s ig n if ican t  b en e f its   o v er   t r ad it io n al  HVAC  s y s tem s ,   esp ec ia lly   in   lo n g - d is tan ce   a n d   h ig h - p o wer   ap p licatio n s .   HVDC  s y s tem s ,   p ar ticu lar ly   t h o s e  em p lo y in g   v o ltag e   s o u r c e  co n v e r ter s   ( VSC s ) ,   h av e  em er g ed   as  a   s u p er io r   alter n ativ e  d u e  to   th eir   e f f icien cy ,   s tab ilit y ,   an d   ab ilit y   to   in teg r ate  r en ewa b le  en er g y   s o u r ce s .   T h ese  s y s tem s   en ab le  th e  s ea m less   in teg r ati o n   o f   o f f s h o r e  win d   f ar m s   a n d   o th er   r e n ewa b le  en er g y   s o u r ce s   in to   ex is tin g   g r id s ,   f ac ilit atin g   t h e  tr a n s itio n   to war d s   m o r e   s u s tain ab le  e n er g y   s y s tem s .   Ho wev er ,   th e  co m p lex ity   o f   m u lti   ter m in al  d ir ec t  c u r r e n t  ( MT DC )   s y s tem s   in tr o d u ce s   n ew   ch allen g es  in   co n t r o l  an d   p r o tectio n ,   w h ich   ar e   cr itical  r esear ch   ar ea s   [ 4 ] .   I n   th e  co n tex t  o f   MT DC   s y s tem s ,   th e  r o le  o f   a d v an ce d   co n v e r ter s   s u ch   as  VSC s   h as  b ee n   h ig h lig h ted   in   s tu d y   [ 5 ]   e m p h asizin g   th e  im p o r ta n ce   o f   r o b u s t  co n tr o l  s tr ateg ies  in   en s u r i n g   v o lta g e  s tab ilit y   ac r o s s   in ter co n n ec te d   g r id s .   T h e  in tr o d u ctio n   o f   f r ac tio n al  o r d er   p r o p o r tio n al - i n teg r al  c o n t r o ller s   r ep r esen ts   a   s ig n if ican t  im p r o v em en t  o v er   tr ad itio n al  p r o p o r tio n al - in teg r al  ( PI )   co n t r o ller s ,   o f f er in g   en h an ce d   s tab ilit y   an d   ad a p tab ilit y   in   m u lti - in f e ed   v o lta g e  s o u r ce   co n v er ter - h ig h   v o ltag e  d i r ec t  cu r r en t   ( VSC - HVDC )   s y s tem s .   T h is   in n o v atio n   a d d r ess es  th e  lim itatio n s   o f   co n v en tio n al  co n tr o l  m eth o d s ,   p ar tic u lar ly   in   h an d lin g   n o n lin ea r ities   an d   d y n am ic  c h an g es  in   p o wer   s y s tem s ,   th er eb y   im p r o v in g   th e  o v er all  r e liab ilit y   o f   HVDC  n etwo r k s .   Fu r th er m o r e ,   th e   in teg r atio n   o f   o f f s h o r e   win d   p o wer   in to   w ea k   g r i d s   v ia  VSC - HVDC  tr an s m is s io n   s y s tem s   h as  b ee n   th o r o u g h l y   ex p lo r e d   in   s tu d y   [ 6 ] .   T h is   s tu d y   h ig h lig h ts   th e  ef f ec tiv en ess   o f   VSC s   in   m ain tain in g   v o ltag e   s tab ilit y   a n d   s u p p o r tin g   g r id   o p e r atio n s   u n d er   f lu ctu atin g   l o ad   c o n d iti o n s .   T h e   ab ilit y   o f   VSC - HVD C   s y s tem s   to   p r o v i d e  d y n am ic  r ea ctiv e  p o wer   s u p p o r t  is   cr u cial  f o r   en h a n cin g   th e  r esil ien ce   o f   wea k   g r id s ,   wh ich   is   in cr e asin g ly   co m m o n   in   r em o te  a n d   o f f s h o r e  lo ca tio n s .   T h e  em er g en ce   o f   ad v an ce d   p r o tectio n   m eth o d s   f o r   DC   f au lts   in   HV DC   s y s tem s   is   an o th er   cr itical  ar ea   o f   r esear ch ,   as  i n   [ 7 ] .   I n   wh ich ,   a  co m p r e h en s iv e  r e v iew  o f   DC   f au lt  p r o tectio n   tech n iq u es  u n d er s co r es   th e  im p o r tan ce   o f   f ast  an d   r eli ab le  f au lt  d etec tio n   a n d   is o lati o n   m ec h a n is m s   in   p r ev e n tin g   ca s ca d in g   f ailu r es  in   HVDC  n etwo r k s .   T h ese  a d v an ce m en ts   a r e  ess en tial  f o r   t h e  s af e   an d   ef f icien t  o p er atio n   o f   f u tu r e  DC   g r id s ,   p ar ticu lar ly   as th e  d e p lo y m en t   o f   HVDC sy s tem s   co n tin u es to   ex p a n d   g l o b ally .   T h e  d ev elo p m e n t  o f   h y b r id   f ee d f o r war d   co n tr o l  s ch em es  f o r   in d u cto r - ca p ac ito r - in d u c to r   ( L C L )   g r id - co n n ec ted   in v e r ter s ,   as  d em o n s tr ated   in   [ 8 ] ,   f u r t h er   co n tr ib u tes  to   th e   en h a n ce m en t   o f   HVDC  s y s tem   p er f o r m an ce .   T h eir   wo r k   f o c u s es  o n   m itig atin g   th e  ch allen g es  ass o ciate d   with   L C L   f ilter s ,   s u ch   as  r eso n an ce   an d   s tab ilit y   is s u es,  b y   em p lo y in g   a d v an ce d   c o n tr o l  tec h n iq u es  th at  im p r o v e   th e  d y n am ic  r esp o n s e  an d   r ed u ce   h ar m o n ic  d is to r tio n .   T h is   is   p ar ticu lar ly   r elev an t  in   th e  co n tex t  o f   HVDC  s y s tem s ,   wh er e  m ain tain in g   p o wer   q u ality   an d   s tab ilit y   is   p ar am o u n t.   I n   co n clu s io n ,   th e  o n g o in g   r esear ch ,   an d   tech n o lo g ical  ad v an ce m e n ts   in   HVDC  s y s tem s   ar e   ad d r ess in g   th e   co m p lex   ch all en g es  ass o ciate d   with   m o d e r n   p o wer   tr a n s m is s io n .   T h e   i n teg r atio n   o f   n o v el  co n tr o l  s tr ateg ies,  im p r o v e d   co n v er ter   tech n o lo g ies,  an d   ad v an ce d   p r o tectio n   m ec h an i s m s   ar e  cr u cial  f o r   r ea lizin g   th e  f u ll  p o ten tial  o f   HVDC   s y s tem s .   T h ese  d ev elo p m en ts   n o t  o n ly   en h an ce   th e  p er f o r m a n ce   an d   r eliab ilit y   o f   HVDC n etwo r k s   b u t a ls o   p av e  t h e  way   f o r   m o r e  r esil ien t a n d   s u s tain ab le  en er g y   in f r astru ctu r es.   I n   th is   r esear c h ,   th e   p e r f o r m an ce   o f   an   L C L   h y b r id   v o lt ag e  s o u r ce   co n v er ter   is   in v e s tig ated .   A  h y b r id   L C L   v o ltag e  s o u r ce   co n v er ter   b ased   m u lti - ter m in al  d ir ec t  cu r r en t  ( VSC - MT DC )   tr an s m is s io n   s y s tem   was  m o d eled   an d   s im u lated .   T h e  p er f o r m a n ce   o f   L C L   h y b r id   v o ltag e   s o u r ce   co n v er ter s   was  th en   co m p a r ed   to   tr ad itio n al  v o ltag e  s o u r ce s   co n v er ter s   d u r in g   n o r m al  a n d   ab n o r m al  c o n d itio n s .   T h e  L C L   cir cu it  was  al s o   co m p ar ed   to   th e  H - b r id g e   ce lls   in   th eir   r esp ec tiv e  ef f ec tiv e n ess   in   im p r o v in g   a  th r ee - lev el  n eu tr al  clam p ed   co n v er ter .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Mo d ellin g   a n d   co n tr o l o f LC L v o lta g e  s o u r ce   co n ve r ter - b a s ed   h yb r id   …  ( Ma h mo o d   S a a d eh )   1299   I n   th is   r esear ch ,   a   co m p r eh en s iv e  co m p a r ativ e  a n aly s is   o f   ad v a n ce d   HVDC  co n v e r ter s   was  co n d u cte d .   T h e  c o m p r eh en s i v e  an aly s is   co n d u cted   f o c u s es  o n   th e  p er f o r m a n ce   o f   a   n o v el  L C L   h y b r id   co n v er ter   in   c o m p a r is o n   to   tr ad itio n al  co n v e r ter s   s u ch   a s   th e  th r ee - lev el  n eu tr al - p o i n t  clam p ed   ( NPC )   co n v er ter   an d   th e  h y b r id   c o n v er ter   with   H - b r id g e  ce lls .   W h ile  th e  L C L   h y b r id   co n v e r ter   ap p r o ac h   is   n o t   en tire ly   n ew,   o u r   s tu d y   p r o v id es  a  d etailed   ev alu atio n   o f   its   p er f o r m an ce   u n d er   v ar io u s   o p er atin g   co n d itio n s ,   wh ich   h as n o t  b ee n   th o r o u g h l y   ex p lo r ed   in   p r ev i o u s   s tu d ies.   T h e  co m p ar ativ e  an aly s is   r ev ea led   th at  th e  L C L   h y b r id   co n v er ter   o f f e r s   d is tin ct  ad v an tag es  in   f au lt  s u p p r ess io n   an d   DC   o u tp u t  v o ltag e  q u ality ,   p ar ticu lar ly   wh e n   in teg r ated   in to   m u lti - ter m in al  HVD C   s y s tem s .   B y   s y s tem atica lly   co m p ar in g   d if f er en t  to p o lo g ies,  we  wer e   ab le  to   id en tify   th e  s tr en g th s   an d   lim itatio n s   o f   ea ch   ap p r o ac h ,   p r o v id i n g   v al u ab le  in s ig h ts   f o r   th e  d esig n   an d   im p lem en tatio n   o f   HVDC  s y s tem s .   Alth o u g h   th e  co n ce p t  o f   th e  L C L   h y b r id   co n v er te r   h as  b ee n   p r o p o s ed   b ef o r e,   o u r   wo r k   co n tr ib u tes  to   th e  f ield   b y   v alid atin g   its   ef f ec tiv en ess   th r o u g h   r i g o r o u s   s im u latio n   an d   an aly s is .   Mo r eo v er ,   o u r   f in d in g s   h ig h lig h t   p r ac tical  co n s id er atio n s   f o r   d ep lo y in g   s u ch   co n v er te r s   in   r ea l - wo r ld   ap p licatio n s ,   ad d r ess in g   k ey   ch allen g es   s u ch   as  co s t,  co m p lex ity ,   an d   s ca lab ilit y .   T h is   s tu d y   n o t  o n l y   en h a n ce s   th e  u n d er s tan d in g   o f   th e  L C L   h y b r id   co n v er ter ' s   ca p ab ilit ies  b u t  also   o f f er s   p r ac tical  r ec o m m e n d atio n s   f o r   its   in teg r atio n   in to   f u tu r e  HVDC   s y s tem s .   B y   p r o v id in g   a  b alan ce d   ass es s m en t  o f   d if f er en t  co n v er ter   tech n o lo g ies,  o u r   r ese ar ch   co n tr ib u tes  to   th e  o n g o in g   d ev elo p m en t o f   m o r e  r esil ien t a n d   e f f icien t p o wer   tr an s m is s io n   s o lu tio n s .   T h e  L C L   h y b r id   c o n v e r ter   s h o wed   s ig n if ican t   im p r o v em e n t  o v er   th e   tr ad itio n al  th r ee - le v el  n e u tr al  clam p ed   co n v er ter   in   n o r m al  an d   ab n o r m al  co n d itio n s .   T h e   H - b r id g e  ce lls   h av e  a  b etter   ef f ec t  th an   th e  L C L   cir cu it  in   im p r o v in g   th e  th r ee - lev el  n eu tr al  clam p ed   r esp o n s e.   Ad d in g   th e  L C L   cir cu it  to   th e  h y b r i d   co n v er te r   h as  a  m i n o r   ef f ec t   in   im p r o v i n g   th e   h y b r i d   co n v er te r   p e r f o r m an ce .   I t  was  d e m o n s tr ated   t h at  th e   L C L   h y b r id   co n v er ter   h as  th e  a b ilit y   to   s u p p r ess   DC   as  well  as  AC   f au lts .   I n   two   ter m i n al  an d   m u lti - ter m in al  HVDC   s y s tem s ,   th e  L C L   h y b r id   co n v er ter   p r o v ed   to   h av e  a   s u p er io r   o p er atio n   b eh a v io r .   Fo llo win g   th is   in tr o d u ctio n ,   s ec tio n   2   p r esen ts   a  r e v iew  o f   th e  r elev an t   liter atu r e,   estab lis h in g   th e   th eo r etica l  an d   p r ac tical  co n te x t  f o r   th is   s tu d y .   Af ter   th at  s ec tio n   3   d is cu s s es  th e  co n v er ter   to p o lo g ies  a d o p ted   in   th is   r esear ch .   I t  p r o v i d es  an   o v e r v iew  o f   VSC s   an d   ju s tifie s   th e  ad o p tio n   o f   V SC   o p p o s ed   to   lin e   co m m u tated   co n v er ter s   ( L C C ) .   T h en   s ec tio n   4   d escr ib es   th e  m et h o d o lo g y   o f   th is   r esear ch .   Sectio n   f o u r   p r esen ts   th e  m eth o d o l o g y   ad o p ted   f o r   th e  s im u latio n   an d   an aly s is   o f   th e   VSC   to p o lo g ies.  I t  d etails  s y s tem   lay o u t,  co n v er ter   m o d elin g ,   d esig n ,   an d   co n tr o l.  I t  also   p r e s en ts   th e  cr iter ia  f o r   co m p ar is o n   an d   ev alu atio n .   Sectio n   4   p r esen ts   th e  s im u latio n   an d   r esu lts   o f   th e   co m p ar ativ e  an al y s is ,   d is cu s s in g   th e  p e r f o r m an ce ,   ad v an tag es,  an d   lim itatio n s   o f   ea ch   to p o lo g y .   Sectio n   5   co n clu d es  th e  p ap er ,   s u m m ar izin g   th e  k ey   f i n d in g s   an d   p r o p o s in g   d ir ec tio n s   f o r   f u tu r e  r esear ch  .       2.   L I T E R AT U RE   R E VI E W   I n   HVDC  s y s tem s ,   p o wer   is   co n v er ted   f r o m   AC   to   DC   an d   th en   tr an s m itted   v ia  o v er h ea d   lin es,  ca b les,  o r   a  co m b in atio n   o f   b o th ,   b e f o r e  b ei n g   co n v er ted   b ac k   to   AC   at  th e  d esti n atio n .   T h is   co n v er s io n   p r o ce s s   is   f ac ilit ated   b y   p o wer   co n v er ter s ,   ty p ically   o p er a tin g   as  in v er ter s   o r   r ec tifie r s ,   d ep en d in g   o n   th e   p o wer   f lo w  d ir ec tio n .   Key   c o m p o n en ts   o f   an   HVDC  s tat io n   in clu d e  th e  AC   s witch y ar d ,   eq u i p p ed   with   h ar m o n ic   f ilter s   an d   r ea ctiv e   p o wer   c o m p e n s atio n   d ev ice s ;  co n v er ter   tr a n s f o r m e r s ,   d e s ig n ed   to   c o n n ec t   co n v er ter s   t o   th e   AC   s y s tem   wh ile  p r o v i d in g   is o latio n   an d   v o ltag e  tr a n s f o r m atio n ;   HVDC  co n v er ter s ,   co m p o s ed   o f   th y r is to r s   o r   tr an s is to r s ;  an d   tr an s m is s io n   m ed iu m s   ac co m p an ied   b y   D C   f ilter s   to   m itig ate   h ar m o n ic   d is tu r b a n ce s .   Ad d it io n ally ,   a u x iliar y   s y s tem s   s u p p o r t   th e  c o o lin g ,   co n tr o l,   a n d   in ter n al  p o wer   s u p p ly   r eq u ir em en ts   o f   th e  s ta tio n .   HVDC  tr an s m is s io n   s y s tem s   o f f er   s ig n if ica n t  ad v a n tag es  o v er   HVAC  s y s tem s ,   in clu d in g   ef f icien cy ,   lo wer   en v ir o n m en tal  f o o tp r in t,  an d   im p r o v e d   p o wer   s y s tem   s tab ilit y .   W i th   th e  ca p ac it y   f o r   h ig h er   p o we r   d eliv er y   p e r   co n d u cto r   an d   l o n g er   t r an s m is s io n   d is tan ce s ,   HVDC  d ec r ea s es  o v er all  co s ts   an d   lo s s es.  I ts   ad v an tag es  e x ten d   to   elim in a tin g   th e   n ec ess ity   f o r   r ea ctiv e   p o wer   co m p en s atio n ,   r ed u ci n g   lin e   lo s s es,  an d   allo win g   f o r   asy n c h r o n o u s   c o n n ec tio n s   an d   g r o u n d   r etu r n   u s ag e.   HVDC  tech n o lo g y   al s o   en h an ce s   p o wer   q u ality   with in   AC   s y s tem s   b y   co n tr o llin g   p o wer   f lo w  a n d   p r o v id in g   a   d am p i n g   to r q u e,   w h ich   co n tr ib u tes  to   s y s tem   s tab ilit y .   T h ese  s y s tem s   ar e  ch ar ac ter ized   b y   s m aller   tr an s m is s io n   to wer s   an d   th e  ab s en ce   o f   is s u es   lik e  ch ar g in g   cu r r en t a t stead y   s tate,   s k in   ef f ec t,  co r o n a,   a n d   r ad io   in ter f e r en ce   [ 9 ] .   H V DC   s y s t e m s   o f f e r   f u r t h e r   i m p r o v e d   p e r f o r m a n c e   i n   t e r m s   o f   p o w e r   f l o w   m a n a g em e n t ,   l o s s   r e d u c t i o n ,   a n d   i n te g r a t i o n   o f   d i s t r i b u t e d   g e n e r a t i o n   c o m p a r e d   t o   AC   s y s t e m s .   L o s s es   i n   H V DC   s y s t e m s   a r e  r e d u c e d   s i g n i f i c a n t l y   d u e   t o   t h e   a b s e n c e   o f   r e a c t i v e   p o w e r   c o m p o n e n t s .   T h e   r e d u c t i o n   o f   l o s s e s   a n d   t h e   a b s e n c e  o f   r e a c t i v e   c o m p o n e n t s   s i m p l i f i es   p o w e r   f l o w   m a n a g e m en t   a n d   e n h a n c e s   e f f i c i e n c y   [ 1 0 ] .   O p t i m i z a t i o n   a l g o r i t h m s   f o r   d is t r i b u t e d   g e n e r a t i o n   ( DG )   p l ac e m e n t   f u r t h e r   e n h a n c e   t h e  p e r f o r m a n c e   o f   D C   s y s t e m s   b y   d e t e r m i n i n g   t h e   o p t i m al   l o c a ti o n s   f o r   D G s ,   t h e r e b y   m i n i m iz i n g   l o s s es ,   a n d   i m p r o v i n g   v o l t a g e   p r o f i l e s   a c r o s s   t h e   n e t w o r k   [ 1 1 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 2 9 7 - 1 3 2 1   1300   I n   HVAC  s y s tem s ,   ex ten s iv e   r ea ctiv e  p o wer   co m p e n s atio n   an d   h ar m o n ic  f ilter in g   ar e  r eq u ir ed   t o   m ain tain   s tab ilit y   an d   p o we r   q u ality .   Mu lti - o b jectiv e  o p tim i za tio n   tech n iq u es f o r   r ea ctiv e   p o wer   m an ag em en t  in   AC   s y s tem s   h ig h lig h t  th e  n ee d   f o r   s u ch   co m p e n s atio n s   to   ad d r ess   is s u es  lik e  v o ltag e  d e v iatio n   an d   p o we r   lo s s   [ 1 2 ] .   I n   co n tr ast,  DC   s y s t em s   in h er en tly   av o id   th ese  is s u es  d u e  to   th e  u n id ir ec tio n al  n atu r e  o f   DC   p o wer   f lo w,   wh ich   o f f er s   ef f icien c y   an d   s tab ilit y   ad v an ta g es,  p ar ti cu lar ly   with   h ig h   in teg r atio n   o f   r en ewa b le  en e r g y   s o u r ce s   [ 1 3 ] .   Ad v an ce d   o p tim izatio n   tech n i q u es  an d   alg o r ith m s   ca n   b e   e f f ec tiv ely   ap p lied   to   HVDC  s y s tem s   to   im p r o v e   th eir   p er f o r m an ce .   T h ese  m eth o d s   h av e   th e  p o ten ti al  to   en h an ce   v o ltag e   s tab ilit y   an d   r ed u ce   lo s s es,  co n tr ib u tin g   to   b etter   o v er all  s y s tem   ef f icien cy .   I n te g r atin g   d is tr ib u ted   g en e r ato r s   in   DC   s y s tem s   u s in g   s u ch   o p tim izatio n   alg o r ith m s   f u r th er   im p r o v es  s y s tem   p er f o r m an ce ,   in clu d in g   en h a n ce d   v o ltag e  s tab ilit y   an d   r ed u ce d   p o wer   l o s s es  [ 1 4 ] .   Desp ite  th ese  b en ef its ,   HVD C   s y s tem s   in tr o d u ce s   s o m e  ch allen g es  s u ch   as  th e  h ig h   co s t  o f   p o wer   co n v er ter s .   So m e  co n v er ter s   r eq u ir e  r ea ctiv e  p o wer   an d   h av e  lim ited   o v er lo ad   ca p ac ity .   A d d itio n ally ,   HVDC   co n v er ter s   in tr o d u ce   h a r m o n i cs,  n ec ess itat in g   th e  u s e  o f   f ilter s .   T h e  co m p lex ity   o f   m u lti - ter m in al  o p er atio n s   also   p r esen ts   o p er atio n al  ch all en g es.  No n eth eless ,   th e  b en e f its   o f   HVDC  o u tweig h   th ese  d r awb ac k s ,   m ak i n g   it a   p r ef er r e d   ch o ice  f o r   lo n g - d is tan ce   p o wer   tr an s m is s io n .   Sin ce   its   in itial c o m m er cial  i m p lem en tatio n   in   1 9 5 4 ,   HVDC tec h n o lo g y   h as si g n if ican tly   m atu r ed .   I t   is   b ec o m in g   in d is p en s ab le   f o r   a  v ar iety   o f   tr a n s m is s io n   ch allen g es,  n o tab ly   i n   in teg r atin g   o f f s h o r e   win d   f ar m s ,   en h a n cin g   lo n g - d is tan ce   b u lk   p o wer   t r an s m is s io n ,   f ac ilit atin g   co n n ec tio n s   b et wee n   asy n ch r o n o u s   g r id s ,   an d   s u p p ly in g   p o wer   t o   d en s ely   p o p u lated   u r b a n   ar ea s .   HVDC 's  s u p er io r ity   s tem s   f r o m   its   ab ilit y   to   tr an s m it  p o wer   o v e r   v ast  d is tan ce s   with   s ig n if ican tly   lo wer   lo s s es  co m p ar ed   to   AC   tr an s m is s io n ,   m ak in g   it  ec o n o m ically   v iab le  f o r   co n n ec tin g   r em o te  r en ewa b le  e n er g y   s o u r ce s — s u ch   as  h y d r o ,   win d ,   an d   s o lar — to   d is tan t lo ad   ce n ter s .     I n   u r b a n   s ettin g s ,   u tili za tio n   o f   o ld er   less   ef f icien t  g en er atio n   u n its   is   co n s tr ain ed   b y   en v i r o n m en tal   r eg u latio n s .   I n   s u ch   s itu atio n s ,   HVDC   p r o v es  ad v an tag e o u s   b y   en ab lin g   th e  in teg r atio n   o f   n ew,   m o r e   ef f icien t  g en er atio n   u n its   lo ca ted   f ar   f r o m   cities.  C o m p ac t  HVDC  s tatio n s ,   u til izin g   u n d er g r o u n d   tr an s m is s io n   cir cu its ,   ad d r ess   th e  ch allen g es  p o s ed   b y   r ig h t - of - way   an d   lan d   u s e  lim itatio n s ,   en s u r in g   r eliab le   p o wer   d eliv e r y   with o u t  co m p r o m is in g   s y s tem   s tab ilit y .   Fo r   ca b le  tr an s m is s io n s ,   HVDC  elim in ates  th e  n ee d   f o r   r ea ctiv e  p o wer   co m p en s atio n ,   allo win g   f o r   lo n g er   tr a n s m is s io n   d is tan ce s   with o u t  th e  p h y s ical  r estrictio n s   im p o s ed   b y   AC   s y s tem s '   h ig h er   ca p ac itan ce   an d   in d u cta n ce .   T h is   attr ib u te  is   also   o f   p ar ticu lar   in ter est  f o r   s u b m ar in e  ca b les,  wh er e   HVDC ' s   ab s en ce   o f   ca p ac itiv e  ch ar g in g   cu r r e n t  a n d   h ig h e r   r atin g   m ak e   it  a   p r ac tica l   an d   co s t - ef f ec tiv e   o p tio n .   Mo r eo v er ,   HVDC lin k s   s er v e  as a   r o b u s t so lu tio n   f o r   co n n ec tin g   asy n ch r o n o u s   AC   g r id s ,   s u p p o r tin g   en er g y   tr ad in g   an d   s y s tem   s tab ilizatio n .   T h ese  lin k s   ac t   as  b u f f er s   to   p r ev e n t  th e  p r o p ag ati o n   o f   d is tu r b a n ce s   an d   aid   in   d am p in g   p o wer   o s cillatio n s   f o llo win g   d is tu r b an ce s ,   en h an cin g   th e  o v er all  r eliab ilit y   an d   ec o n o m ic   o p er atio n   o f   i n ter co n n ec ted   p o wer   s y s tem s .   T h er e  ar e   v ar i o u s   co n f i g u r atio n s   o f   HVDC  s y s tem s .   T h e  f o u r   m ain   co n f i g u r atio n s   in v esti g ated   in   th is   r esear ch   ar e  b ac k - to - b ac k ,   m o n o p o lar ,   b ip o la r ,   an d   m u lti - ter m i n al   HVDC sy s tem   co n f ig u r atio n s .   T h e  s im p lest   co n f ig u r atio n   is   th e  b ac k - to - b ac k   HVDC  s y s te m .   I n   th is   co n f ig u r atio n   b o th   co n v er ter s   ar e  p lace d   in   th e  s am e  s tatio n   th er ef o r e  n o   tr an s m is s io n   li n e  is   n ee d ed .   A  b ac k - to - b ac k   s y s tem   is   u s ed   to   co n n ec t  two   ad jace n t   AC   g r i d s   with   s am e  o r   d if f er en t  f r e q u en cies.  Mo r eo v er ,   to   ac h ie v e  a  d ef in ed   p o we r   f lo w  th is   to p o lo g y   is   u s ed   with in   a  m esh ed   g r id .   A  m o n o p o l ar   HVDC  s y s t em   i s   a  c o n f i g u r a ti o n   w h e r e  th e  t w o   c o n v e r te r   s tat io n s   ar e  co n n e cte d   w it h   a   s in g le   p o l e   li n e .   T h e   v o l ta g e   p o la r i ty   ca n   b e   eit h e r   p o s iti v e   o r   n e g at iv e.   T h e   g r o u n d   s e r v es   as  th e   r et u r n   p at h .   T h is   co n f i g u r ati o n   is   wi d el y   u s ed   i n   u n d e r s e a  t r a n s m is s i o n   e s p e cia ll y   f o r   v e r y   l o n g   s e a  ca b le  tr an s m is s i o n .   I n   a  b ip o la r   HVDC  s y s tem   t h e  two   co n v e r ter   s tatio n s   ar e  co n n ec ted   with   two   co n d u ct o r s .   On e   co n d u ct o r   is   p o s itiv e  wh ile  th e  o th er   is   n eg ativ e.   A  m id - p o in t  is   co n n ec ted   to   g r o u n d .   I t   is   m ain ly   u s ed   in   ap p licatio n s   wh er e  o v er h ea d   lin es  ar e  u s ed   to   tr an s m it  p o wer .   B ip o lar   s y s tem s   ca n   b e  co n s id er ed   as  two   m o n o p o lar   s y s tem s .   T h e   m ain   ad v an ta g e  o f   s u ch   to p o l o g y   is   th at  if   o n e  p o le  is   o u t   o f   s er v ice,   th e  o th er   o n e   ca n   s till   h av e  th e   ab ilit y   to   tr a n s m it  p o wer   m ea n in g   th at  ea c h   s id e  o f   th is   to p o lo g y   ca n   o p er ate  in d ep e n d en tly   if   th e  n eu tr al  p o in t is g r o u n d e d   at  b o th   s tatio n s .   I n   m u lti - ter m in al  HVDC  s y s t em s   th er e  ar e  m o r e  th a n   two   s ets  o f   co n v er ts .   C o n n ec tin g   m o r e  th an   two   co n v er ter   s tatio n s   ca n   b e  d o n e  with   p ar allel  m u lti - ter m i n al  HVDC  s tatio n s ,   s er ies   m u lti - ter m in al  HVDC   s tatio n s   o r   h y b r id   m u lti - ter m i n al  HVDC   s y s tem .   Sin ce   th e  co n v er ter   s tatio n s   ar e  p h y s ically   s ep ar ated   in   th e  m u lti - ter m in al  HVDC  tr an s m is s io n   a  DC   cir cu it  i s   n ee d ed   to   co n n ec t  th em .   T h e  in h er e n t  f au lt  s u p p r ess io n   ca p ab ilit ies  o f   m o d u lar   m u ltil ev el  co n v er ter s   ( MM C s )   h av e  s p u r r ed   th e  d ev elo p m en t  o f   in n o v ati v e  h y b r id   co n v er ter   to p o lo g ies  f o r   HVDC  ap p licatio n s .   T h ese   to p o lo g ies  aim   t o   c o m b in e   th e   f au lt - r i d e - th r o u g h   ad v an tag es  o f   MM C - b ased   d esig n s   with   th e  o p er atio n al   s im p licity   an d   r ed u ce d   co m p o n e n t  co u n t  o f   tr ad itio n al  two - lev el  VSC s   [ 1 5 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Mo d ellin g   a n d   co n tr o l o f LC L v o lta g e  s o u r ce   co n ve r ter - b a s ed   h yb r id   …  ( Ma h mo o d   S a a d eh )   1301   A  n o tab le  s tr ateg y   in v o l v es  in co r p o r atin g   H - b r id g e  ce lls   o n   th e  AC   s id e  o f   a  two - lev el  co n v er ter .   T h ese  ce lls   h av e  b ee n   s h o wn   to   f u n ctio n   ef f ec tiv ely   as  ac tiv e  f ilter s ,   th er eb y   im p r o v in g   o u tp u t  v o ltag e   q u ality ,   a n d   e n h an cin g   th e   co n v er ter ’ s   ab ilit y   to   m an a g e  DC   f au lts .   Ho wev er ,   th e  H - b r id g e   ce lls   ad d   co m p lex ity   a n d   in cr e ase  s witc h in g   lo s s es with in   th e  s y s tem   [ 1 6 ] ,   [ 1 7 ] .   Alter n ativ ely ,   th e  L C L   cir cu i t  o f f er s   a  d if f e r en t  ap p r o ac h   to   f au lt  m an ag e m en t  an d   p o wer   q u ality   im p r o v em e n t  in   HVDC  co n v er ter s .   T r ad itio n ally   em p lo y e d   in   g r i d - co n n ec ted   c o n v er te r s   f o r   th eir   s u p e r io r   h ig h - f r eq u e n cy   h ar m o n ic  atte n u atio n ,   L C L   f ilter s   ar e  n o w   b ein g   ex p lo r ed   f o r   t h eir   p o t en tial  in   en h a n cin g   b o th   AC   an d   DC   f au lt  s u p p r ess io n   wh en   i n teg r ated   with   co n v en tio n al  VSC s   [ 1 8 ] – [ 2 1 ] .   Desp ite  th e   r ec o g n ized   b e n ef its   o f   b o th   H - b r id g e   ce lls   an d   L C L   cir cu its ,   co m p r eh e n s iv e  co m p ar ati v e  an aly s es  o f   th eir   p er f o r m an ce   with in   a  u n if ied   s y s tem   ar e  lack in g .   T h is   r esear ch   s ee k s   to   f ill  th is   g a p   b y   d ir ec tly   s im u latin g   an d   e v alu atin g   th e   ef f ec ts   o f   L C L   cir cu its   alo n g s id e  a   tr a d itio n al  th r ee - lev el  NPC   an d   an   ex is tin g   h y b r id   co n f ig u r atio n   e m p lo y i n g   H - b r id g e  ce lls .   Ou r   f in d i n g s   co n tr ib u te  to   o p tim izin g   h y b r i d   HVDC  co n v er ter   d esig n s ,   b alan cin g   s p ec if ic  p er f o r m an ce   m etr ics ag ain s t c o s t c o n s id er atio n s .       3.   VO L T AG E   SO URC E   CO N VE R T E R S VS  L I N E   CO M M UT AT E D  CO NV E R T E R S   T h e  co n v er ter   s tatio n   is   co n s i d er ed   th e   m o s t  im p o r tan t  ele m en t  o f   a n   HVDC  s y s tem .   B ased   o n   th e   ty p e  o f   p o wer   co n v er s io n   p r o ce s s   u s ed   in   th e   s tatio n ,   th e   HVDC  s y s tem   is   id en tifie d .   T wo   m ain   p o wer   co n v er ter   tech n o l o g ies  h av e  b ee n   u tili ze d   in   th e  co n v er s i o n   s tatio n s ,   cu r r e n t  s o u r ce   c o n v er ter   ( C SC )   an d   VSC .   Fig u r e  1   s h o ws  th e   cl ass if icatio n   o f   p o wer   co n v er t er s .   T h y r is to r   b ased   C SC   HVDC  ( co n v en tio n al  HVDC)  cir cu its   ar e  ter m ed   as  L C C   s in ce   th e  co n v er ter   v al v es  r ely   o n   t h e  s y s tem   lin e   AC   v o ltag e  to   p e r f o r m   th e  co m m u tatio n   ac tio n .   Vo lta g e  s o u r ce   co n v er ter s   th at  em p lo y   tu r n   o f f   s em ico n d u cto r   d e v ices  ar e  k n o wn   as  s elf   o r   f o r ce d   c o m m u tate d   co n v er ter s .   L C C   b ased   HVDC  is   a  m atu r e  tech n o lo g y   with   D C   p o wer   lev els  an d   v o ltag es  h ig h e r   th an   VSC   b ased   s y s tem s .   On   th e  o t h er   h a n d ,   VSC   b ased   s y s tem s   wh ich   o r ig in ally   co m e  f r o m   m o to r   d r iv e  ap p licatio n s   ar e  p r esen ted   with   a  p o wer   r ate  o f   4 0 0   MW.   T h e  th r ee - p h ase  f u ll  wav e  b r id g e,   also   k n o wn   as  th e  6 - p u ls e  o r   Gr ae tz  B r id g e  is   th e  b as i c  b u ild in g   b lo ck   u s ed   f o r   HVDC  co n v er s io n   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   I t  is   ca lled   s ix - p u ls e,   s in ce   th e  DC   o u tp u t  v o ltag e  will  h av e  a  h ar m o n ic   r ip p le  o f   s ix   tim es  th e  f u n d am e n tal  f r e q u en c y ,   d u e  to   t h e  s ix   c o m m u tatio n s   o r   s witch in g   o p er atio n s   p er   p er io d .   T h e  s ix - p u ls e  b r i d g e  co n s is ts   o f   s ix   s em ico n d u cto r   s witch es  o r   th y r is to r   v alv es.  I n   o r d er   to   ac h iev e  th e  r eq u ir e d   DC   v o ltag e  r atin g ,   th e  v alv es  ar e  co m p o s ed   o f   a  n u m b e r   o f   s er ies  co n n ec ted   th y r is to r s .   C o n n ec tin g   th e  DC   ter m in als  o f   two   s ix - p u ls e  b r id g es  in   s er ies  wh ile  th e  AC   v o ltag e  s o u r ce s   p h ase  d is p lace d   b y   3 0 o ,   will  in cr ea s e  th e  DC   v o ltag e  an d   s o m e  o f   AC   cu r r en t  an d   DC   v o ltag e  h ar m o n ic s   will   b e  elim in ated .   T h is   co n f ig u r atio n   is   r ef e r r ed   to   as  1 2 - p u ls e  co n v er ter .   I t  is   th e  m o s t  class ical  an d   m o s t  u s ed   s ch em e  in   HVDC.  I n   th e  1 2 - p u ls e  co n v er ter s   th e  f if th   a n d   s ev en t h   h ar m o n ics  ar e  ca n ce lled   o u t  in   th e  co n v er ter   tr an s f o r m er   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   T r an s f er r in g   o f   DC   cu r r en t  f r o m   o n e  v alv e  to   an o th er   in   th e  s am e  r o w  in   a  s y n ch r o n i ze d   f ir in g   s eq u en ce   o f   th e  th y r is to r   v al v es  is   ca l led   co m m u tatio n .   T o   co m m u tate  f r o m   o n e  s witch in g   d ev ice  to   its   n eig h b o r ,   lin e  c o m m u tated   c o n v er ter s   d ep e n d   o n   th e  lin e  v o ltag e  o f   th e  AC   s y s tem   to   wh ich   th e  co n v er ter   is   co n n ec ted .   I n   L C C ,   th e  f lo w  o f   th e  DC   cu r r en t  is   u n id ir ec t io n al,   an d   it  is   co n s id er ed   co n s tan t  s in ce   it  f lo w s   th r o u g h   a  lar g e  in d u ctan ce .   A s   a  r esu lt,  to   r ev er s e  th e  d ir ec t io n   o f   p o wer   f lo w,   th e  p o lar it y   o f   DC   v o ltag e  at  b o th   s tatio n s   is   r ev er s ed .   B eh av in g   lik e  a   cu r r e n t  s o u r ce ,   th e  co n v e r ter   o n   th e  AC   s id e  in jects  b o th   g r id   f r eq u e n cy   an d   h ar m o n ic  c u r r e n ts   in to   th e  AC   n etwo r k   [ 2 4 ] .           Fig u r e  1 .   C lass if icatio n   o f   p o wer   co n v er te r s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 2 9 7 - 1 3 2 1   1302   On e  im p o r ta n t  p r o p er ty   o f   a n   L C C   is   th at  it  ca n   o n l y   o p er ate  if   th e  ac   cu r r en t  lag s   t h e  v o ltag e .   C o n s eq u en tly ,   r ea ctiv e  p o we r   is   n ee d ed   to   co m p lete  th e   co n v er s io n   p r o ce s s .   As  th e  tr an s m itted   p o wer   in cr ea s es,  th e  r ea ctiv e  p o wer   r eq u ir ed   in cr ea s es in   a  n o n lin e ar   m an n er .   I t is estima ted   th at  th e  co n s u m p tio n   o f   r ea ctiv e  p o wer   in   a   co n v en tio n al  HVDC  co n v er ter   is   ar o u n d   0 . 5   p . u .   o f   th e   ac tiv e  p o we r   [ 2 5 ] .   On   th e  AC   s id e,   AC   f ilter s   ar e  in s talled   to   f u lf ill  two   r eq u ir em en ts ;  t o   f ilter   th e   cu r r en t  h ar m o n ics  an d   to   s u p p ly   th e   r ea ctiv e  p o wer   r eq u i r ed .   T h e   n ee d   f o r   f ilter in g   in c r ea s es  n o n lin ea r ly   in   th e   s am e  m an n er   as  f o r   r ea ctiv e   p o wer   ab s o r p tio n ,   b u t  in   th e  o p p o s ite  way .   An y   ex ce s s   o r   s h o r tag e  in   r ea ctiv e  p o wer   f r o m   th e  lo ca l  s o u r ce s   s h o u ld   b e  a d ju s ted   b y   th e  ac   s y s tem   [ 2 6 ] .   On   th e  DC   s id e,   f ilter s   ar e  n ee d ed   to   m in im ize  h ar m o n ic  v o ltag es;   also ,   r ea cto r s   ar e  p r esen t,  s o   t h e  r ip p le  o f   t h e  DC   v o ltag e  is   r ed u ce d .   Mo r e o v er ,   r ea cto r s   ca n   r ed u ce   th e  p ea k   cu r r en t in   ca s e  o f   a  f a u lt o n   t h e  DC   co n n ec tio n   [ 2 7 ] .    L C C - b ased   s y s tem s   ar e  well - estab lis h ed   an d   r eliab le  tech n o lo g y   with   th e  lo west  lo s s es  am o n g   co n v er ter s   s ch e m es  av ailab le.   T h ese  co n v er ter s   h av e   an   ec o n o m ic   ad v a n tag e,   s in ce   th ey   ar e  th y r is to r - b ased   co n v er ter s   a n d   t h y r is to r s   ca n   h an d le   two   to   th r ee   tim es  t h e  p o wer   th an   an y   o th e r   s e m ico n d u ct o r   d ev ices  wh ich   also   m ea n s   th at   L C C   h as  g o o d   o v er lo a d   ca p a b ilit y .   U p   to   n o w   L C C   tech n o lo g y   h as th e  h ig h est  v o ltag e   an d   p o wer   lev els  a n d   t h er e   is   a  s ig n if ican t  r esear ch   ef f o r t  to   in cr ea s e  it  f u r th er m o r e.   Ho wev er ,   L C C   tech n o lo g y   s u f f er s   f r o m   d r awb ac k s ,   lik e  its   d ep en d en ce   o n   th e  co n n ec ted   n etwo r k   v o ltag e ,   s p ec ial  tr an s f o r m er s   a r e  r eq u ir e d   t o   w ith s tan d   DC   s tr ess es  an d   ex tr a   s h u n t   r ea ctiv e   p o wer   s o u r ce s   ar e   n ee d e d   d u e  t o   lar g e  co n s u m p tio n   o f   r ea ctiv e  p o wer   also   th e  a b ilit y   to   co n tr o l r ea ctiv e  p o we r   is   lim ited .   I n   an   attem p t  to   ad d r ess   s o m e   o f   L C C   d is ad v an tag es,  ca p ac ito r   co m m u tated   co n v er ter s   ( C C C )   an d   co n tr o lled   s er ies ca p ac ito r   co n v er ter s   ( C SC C )   wer e  p r o p o s ed   [ 2 2 ] ,   [ 2 8 ] ,   [ 2 9 ] .   B y   co n n ec tin g   s er ies ca p ac ito r s   b etwe en   th e  v alv es  an d   th e  t r an s f o r m er s ,   th e  d e m an d   o f   s h u n t  r ea ctiv e  co m p en s atio n   a s   well  a s   s tr en g th   r eq u ir em e n ts   o f   th e  co n n ec ted   ac   s y s tem   ca n   b e  r ed u ce d .   T h ese  ad d ed   ca p ac ito r s   p r o v id e   s o m e  o f   th e   v o ltag e   r eq u ir ed   to   co m m u tate,   th u s   im p r o v i n g   v o ltag e  s tab ilit y   an d   r ed u ci n g   th e   p r o b ab ilit y   o f   co m m u tatio n   f ailu r e   in   ca s e  o f   a  f a u lt.  Nev er th ele s s ,   th e  h ig h er   co s t  o f   th e  c o n v er ter ,   th e   p r o tectio n   n ee d ed   f o r   th e   ca p ac ito r s   ag ain s t  o v er - v o ltag es  a n d   th e   n eg ativ e   im p ac t  o f   th e   en er g y   s to r ed   i n   th e   s er ies  ca p ac ito r   o n   th e   d y n am ic   r esp o n s e  in   u n b alan ce d   co n d itio n s   ar e  s o m e  o f   C C C   co n f ig u r atio n   d is ad v a n tag es.    Dev elo p m en ts   in   s em ico n d u ct o r   d ev ice  r atin g s   m ad e  it  p o s s ib le  to   b u ild   h ig h   v o ltag e  v al v es  h en ce ,   m ak in g   VSC   ap p licab le  to   HVDC.  B a s ed   o n   s elf - co m m u t atin g ,   f u lly   co n tr o lled   v al v es  ( i.e .   in s u lated - g ate   b ip o lar   tr an s is to r   ( I GB T ) )   V SC ’ s   o f f er   a   m o r e   f lex i b le  s o lu tio n   f o r   HVDC  tr an s m is s io n .   Ab s en ce   o f   co m m u tatio n   f ail u r e,   f ast  an d   d ec o u p le d   co n tr o l  o f   b i d ir ec t io n al  ac tiv e  an d   r ea ctiv e  p o w er   an d   s m all  f ilter   r eq u ir em e n ts   ar e  s o m e  o f   VSC   attr ac tiv e  f ea tu r es  [ 3 0 ] .   W it h   VSC ,   co m p ac t  s ite  ar ea   i s   a ch iev ed ,   th e  s tr en g th   o f   AC   n etwo r k   is   n o t   cr itical,   v o ltag e  a n d   tr an s ien t  s tab ilit y   ar e  im p r o v ed ,   a n d   p o wer   d ir e ctio n   is   r e v er s ed   b y   ch an g in g   th e   d ir ec tio n   o f   c u r r en t.  On e   im p o r tan t  f ea t u r e  alt h o u g h   is   m is s in g ,   th e  a b ilit y   t o   clea r   f au lts   o n   th e   DC   s id e.   A  co m p ar is o n   o f   L C C   an d   VSC   tech n o lo g ies is   p r o v id ed   i n   T ab le  1 .       T ab le  1 .   C o m p a r is o n   o f   L C C   an d   VSC   tech n o lo g y   I t e m   C S C - L C C   t e c h n o l o g y   V S C   t e c h n o l o g y   1   M a t u r e ,   w i t h   5 0   y e a r s'  e x p e r i e n c e   D e v e l o p i n g   2   Th y r i st o r   b a s e d ,   d e p e n d e n t   o n   e x t e r n a l   c i r c u i t   f o r   c o mm u t a t i o n   I G B T  b a se d ,   se l f - c o m mu t a t i n g   3   G o o d   o v e r l o a d   c a p a b i l i t y   Li mi t e d   o v e r l o a d   c a p a b i l i t y   4   C o mm u t a t i o n   f a i l u r e   c a n   o c c u r   C o mm u t a t i o n   f a i l u r e   d o e s  n o t   o c c u r   5   R e q u i r e s s t r o n g   A C   sy s t e m s a t   b o t h   e n d   o f   t h e   s y s t e m  (  > 2 )   C a n   o p e r a t e   i n t o   w e a k   A C   s y st e ms  s i l i c o n - c o n t r o l l e d   r e c t i f i e r   ( S C R )   i s   n o t   c r i t i c a l   6   “ B l a c k   s t a r t ”   c a p a b i l i t y   r e q u i r e s  a d d i t i o n a l   e q u i p me n t   t o   g e n e r a t e   v o l t a g e   so u r c e   “ B l a c k   s t a r t ”   c a p a b i l i t y   i s  i n h e r e n t   7   M i n i m u m   D C   p o w e r   i s t y p i c a l l y   5 - 1 0 %  o f   r a t e d   p o w e r   N o   mi n i mu m D C   p o w e r   8   5 0 %  o f   a c t i v e   p o w e r   t r a n sm i t t e d   I n d e p e n d e n t   c o n t r o l   o f   a c t i v e   a n d   r e a c t i v e   p o w e r   9   R e a c t i v e   c o m p e n s a t i o n   r e q u i r e d   N o   r e a c t i v e   c o m p e n s a t i o n   10   G e n e r a t e s   h a r mo n i c   d i st o r t i o n   o n   t h e   A C   a n d   D C   sy s t e ms   N o   si g n i f i c a n t   h a r mo n i c   g e n e r a t i o n   11   S w i t c h a b l e   A C   a n d   D C   f i l t e r s r e q u i r e d   Le ss fi l t e r i n g   n e e d e d   12   N e e d s   sp e c i a l   d e s i g n e d   c o n v e r t e r   t r a n sf o r mers   C o n v e n t i o n a l   t r a n sf o r mers   c a n   b e   u s e d   13   F o r   r e v e r sa l   o f   p o w e r   f l o w ,   D C   v o l t a g e   p o l a r i t y   r e v e r sal   r e q u i r e d   C o n t r o l l a b l e   i n   b o t h   d i r e c t i o n s   n o   r e v e r sal   o f   D C   v o l t a g e   p o l a r i t y   r e q u i r e d ,   b y   c h a n g i n g   c u r r e n t   d i r e c t i o n   14   P o l a r i t y   r e v e r s a l   r e q u i r e s  t h e   u se   o f   m a ss i m p r e g n a t e d   ( M I )   c a b l e   La c k   o f   p o l a r i t y   r e v e r sa l   m e a n s  t h a t   b o t h   X LPE   a n d   M I   c a b l e s  c a n   b e   u se d   15   M u l t i   t e r mi n a l   s c h e mes   a r e   d i f f i c u l t   t o   e n g i n e e r   d u e   t o   t h e   p o l a r i t y   r e v e r sa l   i ss u e   M u l t i   t e r mi n a l   s y s t e ms   a r e   si m p l e r   t o   e n g i n e e r   16   D C   g r i d s   a r e   n o t   c o n si d e r e d   f e a si b l e   D C   g r i d s   b e c o me   p o ss i b l e   17   La r g e   si t e   r e q u i r e d ,   d o mi n a t e d   b y   A C   si d e   h a r m o n i c   f i l t e r s ,   2 0 0 × 1 2 0 × 22   m (1 0 0 %)   M o r e   c o m p a c t   s i t e   a r e a ,   1 2 0 × 60 × 22   m (~ 4 0 %)   18   Lo w   l o ss e s  0 . 7 %   t o   0 . 8 %   o f   t r a n smi t t e d   p o w e r   H i g h e r   s t a t i o n   l o sses   1 %  o f   t r a n s mi t t e d   p o w e r   19   S t o r e   e n e r g y   i n d u c t i v e l y   S t o r e   e n e r g y   c a p a c i t i v e l y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Mo d ellin g   a n d   co n tr o l o f LC L v o lta g e  s o u r ce   co n ve r ter - b a s ed   h yb r id   …  ( Ma h mo o d   S a a d eh )   1303   VSC   to p o lo g ies  u s ed   in   HVDC  ar e  clas s if ied   in to   two   m ain   ca teg o r ies.  T h o s e  ca te g o r ies  ar e  two /th r ee   lev el  p u ls e  wid th   m o d u latio n   ( PW M)   co n v er te r s   an d   m o d u lar   m u ltil ev el  co n v e r ter s .   T h e  two /th r ee   lev el  co n v er ter   is   th e  m o s t  VS C   HVD C   s ch em e  u s ed .   T h e  m ag n itu d e  an d   p h ase  o f   th e  v o ltag e  ar e  co n tr o lled   u s in g   PW M  as a   s witch in g   tec h n iq u e.   E v en   th o u g h   th e   two /th r ee   l ev el  co n v er ter s   o f f er   s o m e   s o lu tio n s   to   t h e  d if f icu lties   in   p er v io u s   to p o lo g ies,  th e y   h av e   s o m e   d r awb ac k s .   Hig h   s witch in g   lo s s es  an d   h ig h       at  r elativ e  h ig h   s witch in g   f r eq u e n cy   lea d   to   wo r s t  ef f icien cy   th a n   L C C .   Mo r e o v er ,   c o m p lex   g ate  d r iv e   cir cu its   ar e   r eq u i r ed   t o   en s u r e   eq u al  v o ltag e  s h ar in g   u n d er   al l  co n d itio n s   f o r   th e  lar g e  s er ie s   co n n ec ted   I GB T ’ s .   L im itin g   th e  v o ltag e  lev els  to   two   o r   th r ee   lev els  in cr ea s es  th e  ch an ce s   o f   h av in g   an   o u tp u t  v o ltag e  with   h ig h   to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   ( T HD) .   T o   o v er c o m e  th ese  s h o r tco m i n g s ,   MM C   ar e  p r esen ted .   Hav in g   a  lar g e  n u m b e r   o f   v o ltag e  lev els  an d   elim in atin g   th e  n ee d   f o r   PW M,   th e  wav ef o r m   is   g en er ated   b y   d is cr ete  v o ltag e  s tep s .   B y   im p ly in g   a  s witch in g   f r eq u e n cy   o f   1 0 0 - 1 5 0   Hz,   lo s s es  an d   h ar m o n ics  ar e  d ec r ea s e d .   T h e  co n v er ter   v alv e  is   f o r m ed   f r o m   a  n u m b er   o f   id en tical,   is o lated   s im p le  s in g le - p h ase  V S C   ca lled   ce lls   o r   s u b   m o d u les  [ 3 1 ] .   W ith   its   o wn   s m all  ca p ac ito r   in s talled ,   ea ch   ce ll  is   co m p o s ed   o f   s er ies  co n n ec te d   I G B T ’ s   an d   a   d io d e  f o r m in g   a  h alf   b r id g e  c o n v er ter .   Alth o u g h ,   th e  a b ilit y   to   s u p p r ess   DC   f au lts   is   lo s t,  u n less   it  is   a  f u ll  b r id g e  b ased ,   b u t  th at  m ea n s   m o r e  s em ico n d u cto r s .   Nev er t h eless ,   co m p ar in g   th e  MM C   with   th e  co n v en tio n al   VSC ,   t wice   th e  n u m b er   o f   I GB T ’ s   ar e  n ee d ed ,   b u lk y   an d   h e av y   DC   ca p ac ito r   ar e  r eq u ir ed   wh ich   m ea n s   m o r e   s to r ed   en er g y   an d   it is   less   co m p ac t.    A  n ew  f am ily   o f   co n v er ter s   is   em er g in g   c o m b in i n g   th e   ad v an tag es  o f   b o th   MM C   an d   2 - le v el   co n v er ter s .   T h ese  h y b r id   co n v er ter s   d ep en d   o n   a  c o m b in ati o n   o f   I GB T   v alv es  u s in g   s er ies  co n n ec ted   I GB T s ,   an d   to   p e r f o r m   a  wav e  s h ap in g   task ,   m u lti - lev el  co n v er ter s   b ased   o n   in d iv id u al  an d   is o lated   h alf   b r i d g e  an d   f u ll  b r id g e  a r e  u s ed .   T h e r ef o r e,   f ewe r   ce lls   ar e   r e q u ir ed   m i n im izin g   th e   n u m b er   an d   r ati n g   o f   DC   ca p ac ito r s   an d   r ed u cin g   s witch in g   lo s s es  [ 1 6 ] ,   [ 3 2 ] .   A  h y b r i d   co n v er ter   to p o lo g y   i s   b ased   o n   u s in g   a  two - lev el   c o n v er ter   b ein g   th e   s witch in g   c o m p o n en t  with   lo w  s witch in g   f r e q u en c y ,   co m b in ed   with   a   m u lti - lev el   co n v er ter   wo r k i n g   as  a  wa v e   s h ap in g   cir cu it   s o   th e  h ar m o n ics  g en er ated   b y   th e  two - lev el  co n v er ter s   ca n   b e  elim in ated .   T h e  h y b r id   co n v er ter s   ca n   b e   class if ied   in to   m ain   class es,  s er ies,  an d   p ar allel  ci r cu its .   I n   t h e  s er ies  cir cu its ,   th e   wav e   s h ap in g   ci r cu it  ca n   b e  co n n ec ted   eith e r   o n   th e  AC   s id e  o r   th e   DC   s id e.     I n   s er ies  cir cu its   to p o lo g ies,  t h e  o u tp u t  v o ltag e  is   an   alm o s t  p er f ec t  s in u s o id .   T h e  o u tp u t  v o ltag e  o f   s er ies  cir cu its   to p o lo g ies  is   a  s ig n if ican t  im p r o v em en t  o v er   th at  o f   th e  co n v e n tio n al  2 - lev e l  cir cu it.  Ho wev er ,   p lacin g   th e  wav e - s h ap in g   cir cu it  o n   th e  AC   s id e  o f   2 - lev el  co n v er ter s   m ea n s   th at  two - lev el  co n v er ter s   ar e   h ar d   s witch ed ,   wh ich   in c r ea s es  th e  s witch in g   lo s s es.  I n   ad d itio n ,   th e   s er ies  I GB T   v alv e  s h o u ld   b e   ca r ef u lly   d esig n ed   to   g u ar an tee  v o ltag e  s h ar in g   u n d er   d y n am ic  c o n d itio n s .   Mo r eo v er ,   to   a v o id   h ig h   v o ltag e  s p ik es   s h o win g   in   th e   o u t p u t  v o ltag e,   ca r ef u l  s y n c h r o n izatio n   is   r eq u ir ed   b etwe en   th e  two - le v el  c o n v er ter   an d   wav e - s h ap in g   cir cu it.    On   th e  o t h er   h a n d ,   p u ttin g   th e   wav e - s h ap in g   cir cu it  o n   th e   DC   s id e  will  r ed u ce   th e  s witch in g   lo s s es  an d   will  s im p lify   th e  d esig n   o f   th e  v alv e  s in ce   th e  r e q u ir e m en ts   f o r   d y n am ic  v o ltag e  s h ar in g   b ec o m e  less   ef f ec tiv e.   B o th   s er ies  ar r an g e m en ts   s h ar e  s o m e  ad v an tag e s   s u ch   as  th e  f ac t  th at  it  n ee d s   n ea r ly   h alf   th e   n u m b er   o f   ce lls   r e q u ir e d   f o r   th e  e q u iv alen t   MM C .   T h is   is   b ec au s e  th e   n ec ess ar y   v o lt ag e  r atin g   o f   ea c h   co n v er ter   b r an ch   is   s h ar ed   b e twee n   th e  s witch   an d   wav e - s h ap in g   cir cu it.  I n   ad d itio n ,   s i n ce   th e  f u ll  b r id g e   ce lls   ar e  u s ed   in   th is   to p o lo g y   it c an   s u p p r ess   th e  f au lt c u r r en ts .     A  p ar allel  to p o lo g y   u s es a n   H - b r id g e  in   ea ch   p h ase  co n n ec te d   in   p ar allel  with   a  wav e  s h ap i n g   cir cu it   th at  co n s is ts   o f   h alf   b r id g e  s u b   m o d u les.  Un lik e  th e  n o r m al  m u lti - lev el  co n v er te r ,   in   th e  p ar allel  co n f ig u r atio n   t h er e  is   n o   b ala n cin g   c u r r en t   f lo w  s in ce   f r o m   th e  DC   s id e  it  is   s ee n   th at  th e  th r ee   p h ases   ar e  co n n ec ted   in   s er ies.  Mo r e o v e r ,   th e  n u m b er   o f   s u b   m o d u le s   is   r ed u ce d   b y   alm o s t  2 5 %  i n   co m p ar is o n   with   n o r m al  m u lti - lev el  b ec a u s e  th e  wav e  s h ap in g   cir cu it  is   p lac ed   o u ts id e  th e   m ain   cir c u it  p at h .   As  th e  n u m b er   o f   ce lls   in   th e  wav e   s h ap in g   cir c u it  in cr ea s es  th e  h ar m o n ic  co n ten t  in   t h e  AC   v o lta g e  is   m i n im ized .   Ho wev e r ,   th e  DC   o u tp u t   v o ltag e   h as  a  s i g n if ican t  co m p o n en t  o f   6 th   h ar m o n ic  an d   th at  ca n   b e  r em o v e d   b y   u s in g   p ass iv e  f ilter s .     3 . 1 .     Co ntr o l o f   H VDC  co nv er t er s   T h e  co n tr o l  s y s tem   o f   t h e  h y b r id   L C C   HVDC  s y s tem   is   m eticu lo u s ly   d esig n e d   to   m ai n tain   s tab le  DC   cu r r en t  an d   v o ltag e .   T h is   i s   ac h iev ed   th r o u g h   a  p o le - co n tr o l  s tr ateg y   th at  d y n am ically   s elec ts   th e  o p tim al   co n tr o l  m o d e  b ased   o n   th e  lo west  o u tp u t  f r o m   th e  co n s tan t  cu r r en t,  co n s tan t  v o ltag e,   an d   co n s tan t  ex tin ctio n   an g le  co n tr o ls ,   as illu s tr ated   in   Fig u r e  2 .   Fig u r e  2   p r esen ts   tw o   ess en tial PI   co n tr o l b lo ck   d i ag r am s .   T h e  u p p er   d iag r am   m an ag es  DC   cu r r en t  co n tr o l,   wh ile  th e  l o wer   o n e  g o v er n s   th e  ex ti n ctio n   a n g le  c o n tr o l.   A  s elec tio n   m ec h an is m ,   n o t  d e p icted   in   th e  f ig u r e,   d eter m in es  wh ich   o f   t h e  two   f ir in g   an g le  co m m an d s   s h o u ld   b e   im p lem en ted ,   c h o o s in g   t h e  o n e  with   th e  s m aller   an g le.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 2 9 7 - 1 3 2 1   1304   Ad d itio n ally ,   a  v o ltag e  d ep en d en t  cu r r e n t  lim it  b lo ck   is   in co r p o r ate d   to   r ed u ce   th e  cu r r e n t  o u tp u t  if   th e  DC   v o ltag e   d r o p s   b elo w  a   ce r tain   th r esh o ld .   T y p ically ,   t h e  in v e r ter   o p er ates  i n   c o n s tan t  ex tin ctio n   a n g le   m o d e,   wh ile  t h e  r ec tifie r   f u n ct io n s   in   co n s tan t  cu r r e n t  m o d e.   Du r in g   t r an s itio n s   b etwe en   th ese  co n tr o l  m o d es,   a  cu r r en t  e r r o r   s ig n al   ad ju s t s   th e  ex tin ctio n   a n g le   r ef er e n ce .   T h is   cu r r en t  s ig n al,   wh ich   f ee d s   in to   th e   ex tin ctio n   an g le  c o n tr o l  d iag r am ,   o r ig i n ates  f r o m   th e  p o wer   er r o r   s ig n al  p r o d u ce d   b y   th e  cu r r en t  c o n tr o l   b lo ck .   T h e  p r ec is e  co n tr o l  o f   th e  ex ti n ctio n   an g le  is   cr u cial  to   p r e v en t  co m m u tatio n   f ail u r es.  Su ch   f ailu r es  o cc u r   w h en   t h e  c o m m u tatio n   p r o ce s s   is   n o t  co m p leted   with in   th e  r eq u ir e d   tim e   f r am e .   I t  is   p o ten tiall y   lead in g   to   th y r is to r   m alf u n ctio n s   b y   r etu r n in g   to   a  f o r war d - b iased   s tate  p r em atu r ely   d u r in g   in v er ter   o p er atio n .           Fig u r e  2 .   C o n tr o l b lo c k s   f o r   L C C   c o n v er ter s       On   th e   o th er   h a n d ,   th e  c o n tr o l  o f   a   VSC   HVDC  s h o u ld   f u lf ill  th e   p u r p o s es  o f   co n tr o llin g   th e   tr an s f er r ed   p o wer   an d   th e  in d ep en d e n t  co n tr o l  o f   ac tiv e  an d   r ea ctiv e  p o wer .   I n   th e  l iter atu r e,   th er e  ar e   d if f er en t  c o n tr o l  m eth o d s   f o r   th e  co n tr o l  o f   VSC - HVDC.  T wo   k n o w n   s tr ateg ies  f o r   co n tr o l  o f   VSC   ar e  th e   d ir ec t  p o wer   c o n tr o l   ( DPC )   m eth o d   an d   th e   v ec to r   co n tr o l  m eth o d .   T h e  b asic  co n tr o l  p r in cip le  o f   DPC   is   b ased   o n   th e  i n s tan tan eo u s   a ctiv e  an d   r ea ctiv e  p o wer   co n tr o l  lo o p s .   I n   DPC ,   b ased   o n   th e  in s tan tan eo u s   d if f er en ce s   b etwe en   co m m a n d ed   an d   r ea ctiv e  p o wer ,   a  s wi tch in g   tab le  s elec ts   th e  co n v e r ter   s witch in g   s tate s   as  a  r esu lt,  th e  in ter n al  c u r r en t  lo o p s   an d   PW M  m o d u la to r   b lo ck   ar e  n o t  r eq u ir ed .   Var iab le  s witch in g   f r eq u e n cy   a n d   t h e  n ee d   f o r   f a s t  co n v er s io n   an d   co m p u tatio n   ar e  s o m e  th is   m eth o d ' s   d is ad v an tag es  th at   lim it   its   u s e  [ 3 3 ] ,   [ 3 4 ] .   T h e  co n t r o l  s tr ateg y   u tili ze s   f ield - o r ien ted   v ec to r   co n t r o l,  e n ab lin g   t h e  in d e p en d e n t  m a n a g em en t  o f   ac tiv e  an d   r ea cti v e  p o wer .   T h is   s ep ar atio n   is   ess en tial  f o r   th e  p r ec is e  r eg u latio n   o f   th ese  p o wer   co m p o n e n ts ,   en s u r in g   ef f icien t  an d   ad ap ta b le  o p e r atio n   o f   th e  VSC .   T h e  co n tr o l  s y s tem   tr a n s f o r m s   t h r ee - p h ase  cu r r e n ts   an d   v o ltag es  in t o   a   two - ax is   d - q   r ef er e n ce   f r am e   th at  r o tat es  s y n ch r o n o u s ly   with   th e   A C   s y s tem   f r eq u e n cy ,   s im p lify in g   th e   co n tr o l   o f   A C   q u an titi es  as  th ey   b ec o m e  DC   q u an titi es  in   th is   f r am e.   T h e  co n tr o l   s ch em e  co m p r is es two   p r im ar y   co n t r o ller s : th e  cu r r en t c o n tr o ller   a n d   th e  DC - lin k   v o lta g e  co n tr o ller .   C u r r en t  co n tr o l lo o p :  T h is   in n er   lo o p   f u n ctio n s   in   th e  s y n ch r o n o u s   r ef er e n ce   f r am e,   tr an s f o r m in g   th e  th r ee - p h ase  AC   cu r r en ts   in to   two   o r th o g o n al  co m p o n en ts   ( d   an d   q   ax es).   T h is   co n v er s io n   s im p lifie s   co n tr o l  b y   m a k in g   th ese  c o m p o n en ts   DC   s ig n als  u n d er   b alan ce d   c o n d itio n s .   T h e  PI   co n tr o ller s   in   th is   lo o p   g u ar an tee   ze r o   s tead y - s tate  er r o r   a n d   r o b u s t  p er f o r m an ce .   T h e y   m an a g e  th e  d - ax is   cu r r en t,  r ep r ese n tin g   ac tiv e  p o wer ,   an d   th e  q - a x is   cu r r en t,  r e p r esen tin g   r ea ctiv e  p o wer .   T o   ac h iev e  d ec o u p led   c o n tr o l,  f ee d - f o r war d   co m p en s atio n   is   u s ed   to   co u n ter ac t  th e  c r o s s - co u p lin g   ter m s   r esu ltin g   f r o m   th e   in d u ctiv e   n atu r e   o f   th e   AC   s y s tem ,   allo win g   in d ep e n d en t  co n tr o l o f   ac tiv e  an d   r ea ctiv e  p o wer .   T h e  m ath em atica l  r ep r esen tatio n   o f   t h e  co n v er ter ' s   th r ee - p h ase  cu r r en ts   an d   v o ltag es  in   a  2 - ax is   d - q  r ef er en ce   f r am e,   r o tatin g   at  th e  AC   f r eq u en cy ,   ω ,   ca n   b e  d escr ib ed   as  ( 1 )   an d   ( 2 ) :      = − +  − ,    ( 1 )      = − +  − ,    ( 2 )     h er e,     an d     ar e  th e  d - ax is   an d   q - ax is   v o ltag es,    an d     ar e  th e  cu r r e n ts   in   th e    an d     ax es,    an d     r ep r esen t r esis tan ce   an d   in d u c tan ce ,   an d   ,    an d   ,    ar e  th e  c o n v e r ter   v o ltag es in   th e  -   f r am e.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Mo d ellin g   a n d   co n tr o l o f LC L v o lta g e  s o u r ce   co n ve r ter - b a s ed   h yb r id   …  ( Ma h mo o d   S a a d eh )   1305   T h e  p o wer   b alan ce   b etwe en   th e  AC   in p u t a n d   DC   o u tp u t is g iv en   b y   ( 3 ) :     = 3 2 ( + ) =     ( 3 )     wh er e     an d      ar e  th e  DC   o u tp u t  v o ltag e  an d   cu r r e n t,  r esp ec ti v ely .   T h e  co n tr o l  s y s tem   d ec o u p les    an d     b y   co m p en s atin g   f o r   th e   ter m s      an d      th r o u g h   f ee d - f o r wa r d   c o n tr o l.   DC   v o ltag e  co n tr o l  lo o p :  T h is   o u ter   lo o p   r eg u lates  th e  DC   lin k   v o ltag e  to   b alan ce   th e  p o wer   b etwe en   th e  DC   an d   A C   s id e s .   I t  g en er ates  r ef er en ce   s ig n als  f o r   th e  cu r r en t  co n t r o l  lo o p   b ased   o n   th e  d esire d   DC   v o ltag e  an d   o p er ates  at  a  s lo wer   d y n am ic  r esp o n s e  th an   th e  cu r r e n t  co n tr o l  lo o p .   T h e  DC   v o ltag e   co n tr o ller   e n s u r es st ab le  p o we r   f lo w  b etwe en   t h e  VSC   an d   th e  co n n ec ted   g r i d   o r   lo ad .   T h e  DC   lin k   v o ltag e  d y n a m ics ca n   b e  e x p r ess ed   as:         = −   ( 4 )     wh er e    is   th e  c u r r en t   o n   th e   D C   s id e  an d     is   th e  lo ad   cu r r en t.  T h e   m in im u m   r e q u ir ed   DC - s id e  v o ltag e   is   d eter m in ed   b y   ( 5 ) :      , = 2 ∗ √ 2 3  , = 2 ∗ , ℎ   ( 5 )     wh er e   ,   is   th e  lin e - to - lin e  R M S  v o ltag e  an d   , ℎ   is   th e  AC   s id e  v o ltag e  p ea k .   T h e  r ef er en ce   v alu e  f o r   I d   is   ca lcu lated   u s in g   f ee d - f o r war d   ter m s   to   ac cu r ately   co m p en s ate  f o r   l o ad   v a r iatio n s .     , = 3 2 ∗ +    ( 6 )     T h is   h ier ar ch ical  co n tr o l  s tr ateg y ,   with   f aster   in n er   c u r r en t  co n tr o l  an d   s lo wer   o u ter   v o ltag e   co n tr o l,   o p tim izes th e  s y s tem ' s   d y n am ic  r esp o n s e  an d   s tab ilit y .   Dis cr ep an cies  in   th e  VSC 's  c ap ac ito r   v o ltag e  (  ) ,   ter m in al  v o ltag e  m is m atch ,   an d   th e  d ir ec t  an d   q u ad r atu r e  ax is   co m p o n en ts   o f   v o ltag e  g e n er ate  th e  VSC 's  m ag n itu d e  an d   an g le  c o n tr o lli n g   s ig n als.  T h e   - tr an s f o r m atio n   s im p lifie s   th e  th r ee   AC   q u an titi es  to   two   DC   q u an titi es.  Vo ltag es    an d     ar e  d eter m in ed   u s in g   d   an d   q   er r o r s   t h r o u g h   a  d ec o u p led   co n t r o ller   b lo ck .   T h e  m o d u latio n   in d ex   m ag n it u d e  ( m )   an d   p h ase  ( θ)   s ig n al  ar e  th en   ca lcu lated .   A  p h ase - lo ck ed   lo o p   ( PLL )   s y n ch r o n izes  with   th e  AC   n et wo r k   to   p r o d u ce   th e   f ir in g   p u ls es f o r   th e  I GB T s   in   th e  VSC .   Fig u r e  3   illu s tr ates th e  v ec to r   c o n tr o l p r in cip le   [ 3 3 ] .           Fig u r e  3 .   Vec to r   co n tr o l p r i n cip le  [ 3 3 ]       4.   M E T H O D   I n   th is   s ec tio n ,   s y s tem   lay o u t  an d   m o d els  ar e  p r esen ted .   Deta ils   o f   im p lem en ted   VSC   co n tr o l  is   d is cu s s ed   as  well.   Af ter   th at   m o r e  d etails  ar e  p r esen ted   a b o u t  co n v er ter   m o d elin g   an d   d esig n .   T h r ee - lev el  n eu tr al  p o in t  clam p e d   co n v er t er ,   h y b r id   th r ee - lev el  b r id g e  c o n v er ter ,   an d   L C L   h y b r id   th r ee - lev el  b r id g e  ar e   in clu d ed   in   th e  co n v er ter   m o d elin g   an d   d esig n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   2 ,  Ap r il   20 25 :   1 2 9 7 - 1 3 2 1   1306   T h e  co m p u tatio n al  co m p lex i ty   o f   th e  MA T L AB /Si m u lin k   s im u latio n s   u s ed   in   t h is   s tu d y   is   s tr aig h tf o r war d   a n d   m a n ag ea b le.   Giv en   th e  s tan d ar d   n atu r e   o f   th e  s im u latio n s ,   wh ich   f o cu s   o n   ev alu atin g   t h e   p er f o r m an ce   o f   d if f e r en t  co n v er ter   to p o lo g ies u n d e r   v ar io u s   o p er atin g   c o n d itio n s ,   th e  co m p u tatio n al  d em an d s   r em ain   with in   th e  ca p ab ilit ies  o f   ty p ical  MA T L AB /Si m u lin k   en v ir o n m e n ts .   All  s im u lated   to p o lo g ies  th e  th r ee - lev el  n eu tr al  p o in t  clam p ed   co n v er ter ,   h y b r i d   co n v er t er   with   AC   s id e  ca s ca d ed   H - b r id g e  ce lls ,   an d   th e   L C L   h y b r i d   co n v er ter   s im u la tio n s   wer e  all  e f f icien tly   e x e cu ted   o n   s tan d a r d   co m p u tatio n al  h ar d war e.   T h e  co m p lex ity   p r im ar ily   in v o lv e s   b asic  co n tr o l  alg o r ith m s   a n d   s tan d ar d   s im u latio n   p r ac tices,  wh ich   d o   n o t   n ec ess itate  ad v an ce d   co m p u tatio n al  r eso u r ce s .   T h is   alig n s   with   co m m o n   p r ac tices  in   p o wer   s y s tem   s im u latio n s ,   wh er e  MA T L A B /Si m u lin k   is   wid ely   u s ed   d u e  to   its   r o b u s t  an d   u s er - f r i en d ly   i n ter f ac e   f o r   m o d elin g   a n d   s im u latio n   o f   elec tr ical  s y s tem s .     4 . 1 .     Sy s t e m   la y o ut  a nd   m o d el   A  two   ter m in al  HVDC  lin k   i s   u s ed   to   in ter c o n n ec t   two   H VAC  s y s tem s .   T h e  s y s tem   is   m o d el  is   p r esen ted   Fig u r e   4 .   I n   th is   s y s tem ,   th e  HVDC  lin k   is   r ep r esen ted   b y   a   2 0 0   MV A  +/ - 1 0 0   k V  VSC - HVDC   tr an s m is s io n   lin k .   T h e   AC   s y s tem s ,   1   an d   2 ,   in   th e  m o d el  ar e  4 0 0   k V,   2 0 0 0   MV A  AC   s y s tem s .   T h ese  two   AC   s y s tem s   ar e  d em o n s tr ated   b y   L - R   eq u iv alen ts   at  f u n d a m en tal  f r eq u e n cy   5 0   Hz.   I n   o r d er   to   tr an s f o r m   th e   v o ltag e  lev el  to   a  s u itab le  lev el  f o r   th e  co n v er ter   a  wy e  g r o u n d ed / d elta  tr an s f o r m er   is   u tili ze d .   I n   th is   m o d el  th e  VSC   co n v er ter s   u s ed   ar e  t h r ee - lev el  n eu tr al  p o in t  clam p ed   co n v er ter s   u s in g   I GB T /d io d es.  T h e  co n v er te r s   ar e  co n n ec te d   th r o u g h   a  1 0 0   k m   ca b le  ( 2   p i sectio n s ) .           Fig u r e  4 .   VSC - HVDC tr an s m i s s io n   s y s tem   m o d el       T h e  two   m ain   tr a n s m is s io n   lin e  m o d els  u tili ze d   in   tim e   d o m ain   s im u latio n s   ar e  PI  s ec tio n s   lin e  m o d el  a n d   d is tr ib u ted   p ar a m eter s   lin e  m o d el.   I n   a  PI   s ec tio n s   lin e  m o d el,   th e   r esis tan ce ,   in d u ctan ce ,   an d   ca p ac itan ce   ar e  u n if o r m ly   d is tr ib u ted   alo n g   t h e  lin e.   An   ap p r o x im ate  m o d el  o f   th e  d is tr ib u ted   p ar am eter s   lin e   is   o b tain ed   b y   ca s ca d in g   s ev er al  id en tical  PI   s ec tio n s .   T h e  PI  s ec tio n s   lin e   m o d el  h as   a  f i n ite  n u m b er   o f   s ec tio n s .   T h e  n u m b er   o f   s ec tio n s   to   b e  u s ed   d ep en d s   o n   th e   f r eq u en c y   r an g e  to   b e  r ep r esen ted .   Alth o u g h   f o r   f r e q u en c y   d o m a in   s tu d ies  PI  s ec tio n s   lin e  m o d els  ca n   b e  p r ec is e,   in   th e  tim e  d o m ain ,   p ar ticu lar ly   f o r   lo n g   lin es  ( wh er e  p r o p ag atio n   t r av el  tim e  s p an s   m an y   tim e  s tep s ) ,   ac cu r ac y   is   co m p r o m is ed .   T h e  ca lcu latio n   s tep   tim e   o f   an y   s im u latio n   s h o u l d   b e   less   th an   th e   p r o p ag atio n   tim e.   PI  lin e  s ec tio n s   ar e   m o r e  u s ef u l  f o r   v er y   s h o r t  tr a n s m is s io n   lin es  wh er e  th e  p r o p ag atio n   tr a v el  tim e  is   less   th an   s im u latio n   s tep   tim e.   Fo r   s tu d y in g   in ter ac tio n s   b etwe en   HVA C   an d   HVD C   s y s tem ,   a  s im p le  PI  s ec t io n s   li n e  m o d el  wo u ld   b e   in s u f f icien t  [ 3 5 ] .   Un lik e  th e  PI  s ec tio n s   lin e  m o d el,   th e  d is tr ib u ted   p ar am ete r s   lin e  m o d el  ef f ec tiv ely   h as  an   in f in ite  n u m b er   o f   s ec tio n s .   T h e  d is tr ib u ted   tr an s m is s io n   lin e  m o d el  o p er ates  o n   th e  p r in cip le  o f   t r av elin g   wav es.  A  v o ltag e  d is tu r b an ce   p r o g r ess es  alo n g   a  co n d u cto r   at  its   p r o p ag atio n   s p ee d   ( clo s e  to   th e  s p ee d   o f   lig h t)   u n til  it   r ef lects  b ac k   at  th e  lin e' s   en d .   An y   s ig n al  i n tr o d u ce d   at  t h e  s en d in g   e n d   will  ar r iv e   at  th e  r ec eiv in g   en d   f o llo win g   a  d elay ,   p o s s ib ly   with   s o m e  m in o r   alter atio n s .   T h e  d is tr ib u ted   p ar am eter s   li n e  m o d el   u tili ze s   B er g er o n ' s   tr av elin g   wav e   m eth o d .   T h is   ap p r o ac h   em p lo y s   a  tr a v elin g   wav e   lin e  m o d el   ch ar ac ter ized   b y   d is tr ib u ted   L C   p ar am eter s   an d   in teg r ated   lu m p ed   r esis tan ce .   I t  g en er ates  a   co n s t an t  s u r g e   im p ed a n ce   an d   ess en tially   o p er ates  as  a   s in g le - f r e q u en cy   m o d el.   T h e   B er g er o n   m eth o d   is   s u itab le  f o r   f u n d am en tal  f r e q u en c y   im p ed an ce   s tu d ies  ac r o s s   v ar io u s   ap p licatio n s .   I n   th e   B er g er o n   Mo d el,   th e  in d u cta n ce   an d   ca p ac itan ce   co m p o n en ts   ar e  d is tr ib u ted ,   u n lik e  in   PI  s ec tio n s   wh er e  th ese  p ar am eter s   ar e  lu m p ed .   E f f ec tiv ely ,   it si m u lates h av in g   an   in f i n ite  n u m b er   o f   PI  s ec tio n s   [ 3 6 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.