Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/32645
Type: Tese
Title: Modeling, design and fault-tolerant strategies for modular multilevel cascaded converter-based STATCOMs
Other Titles: Modelagem, projeto e estratégias de tolerância a falhas para STATCOMs baseados em conversores modulares multinível
Authors: Allan Fagner Cupertino
First Advisor: Seleme Isaac Seleme Júnior
First Co-advisor: Heverton Augusto Pereira
First Referee: Marcelo Lobo Helwein
Second Referee: Sidelmo Magalhães Silva
Third Referee: Remus Teodorescu
metadata.dc.contributor.referee4: Lenin Martins Ferreira Morais
Abstract: Static Synchronous Compensators (STATCOMs) play an important role in the power system regarding the reactive power control. The current power system scenario is characterized by a high penetration of solar and wind power plants, which can lead to weak grid conditions. Therefore, voltage support during unbalanced conditions is required by the modern grid codes. These factors can be considered important drivers of the development of STATCOMs with positive and negative sequence current injection capability. Moreover, the operational costs due to power losses and non-scheduled maintenance are factors which directly affects the benefit-cost ratio of the modern STATCOMs. The modular multilevel cascaded converters (MMCC) family presents several advantages, such as: high efficiency, low harmonic distortion and inherent fault tolerance. These features make the MMCC family members interesting candidates for STATCOM realization. Nevertheless, there is a lack in the technical literature regarding the modeling, design and fault-tolerant strategies for MMCC based STATCOMs. This Ph.D dissertation aims to fill this void, providing the following contributions: (i) Comparison and selection of the most suitable MMCC topology for STATCOM realization; (ii) Proposal of a reliability-oriented design for MMCC based STATCOMs using the trade-off between cost and reliability; (iii) Benchmarking of redundancy strategies to define the most suitable fault-tolerant scheme; (iv) Methodology to analytically compute the boundary between linear and overmodulation region for a MMCC; (v) Discussion of the MMCC inherent redundancy in the overmodulation region. All the conclusions are supported by analytical and simulation models developed in the softwares MATLAB and PLECS . The case study is based on a 17 MVA/13.8 kV MMCC-based STATCOM. The results show the double-star chopper cell topology (DSCC-MMCC) as an interesting candidate for STATCOM realization. Moreover, for the adopted case study, power devices with 3.3 kV blocking voltage can reach the reliability requirements with the lowest cost. Additionally, the redundancy strategies benchmarking indicates the cold redundancy and inherent redundancy schemes as the most interesting in terms of converter efficiency and cost. Finally, a cost-effective design can be obtained when the operation in the overmodulation region is taken into account.
Abstract: Compensadores Estáticos Síncronos (do inglês, Static Synchronous Compensators – STATCOMs) têm um papel fundamental no controle de potência reativa no sistema elétrico de potência. O cenário atual é caracterizado por uma elevada penetração de usinas eólicas e solares, o que pode resultar em redes elétricas com baixo nível de curto-circuito. Portanto, o suporte de tensão durante condições desbalanceadas é exigido pelos códigos de rede modernos. Estes são fatores importantes que motivam o desenvolvimento de STATCOMs com capacidade de injeção de corrente de sequência positiva e negativa. Além disso, os custos operacionais associados as perdas de potência e a manutenção são fatores que afetam diretamente a relação custo-benefício dos STATCOMs. A família dos conversores modulares multinível em cascata (do inglês, Modular Multilevel Cascaded Converter – MMCC) apresentam diversas vantagens, dentre as quais podem-se citar: alta eficiência, baixa distorção harmônica, além de uma inerente tolerância a falhas. Devido a estas características, a família MMCC apresenta opções de topologias interessantes para a construção de STATCOMs. Contudo, existem na literatura poucos trabalhos discutindo a modelagem, projeto e estratégias de tolerância a falhas para MMCC-STATCOMs. Esta tese de doutorado pretende preencher esta lacuna através das seguintes contribuições: (i) comparação e seleção da topologia MMCC mais adequada para a construção de um STATCOM; (ii) proposta de uma metodologia de projeto baseada na relação de compromisso entre custo e confiabilidade; (iii) análise comparativa de estratégias de redundância com a finalidade de definir a abordagem mais adequada para um MMCC-STATCOM; (iv) modelo analítico para cálculo da fronteira entre a região linear e a sobremodulação; (v) discussão da redundância inerente a estrutura do MMCC-STATCOM na região de sobremodulação. Todas os resultados e conclusões são baseados em modelos analíticos e simulações desenvolvidas nos ``softwares'' MATLAB® e PLECS®. O estudo de caso consiste em um STATCOM de 17 MVA / 13,8 kV. Os resultados mostram que a topologia double-star chopper cell (DSCC-MMCC) é a mais indicada para a construção de um STATCOM quando compensação de correntes de sequência negativa é considerada. Além disso, para o estudo de caso adotado, dispositivos de potência com tensão de bloqueio de 3,3 kV podem atingir os requisitos de confiabilidade com o menor custo. Outrossim, a análise comparativa das estratégias de redundância indica que os esquemas de redundância fria e redundância inerente resultam em maiores eficiências e menores custos. Finalmente, quando a operação na região de sobremodulação é levada em consideração, um projeto com menor custo inicial pode ser alcançado.
Subject: Engenharia elétrica
Conversores de corrente elétrica
Confiabilidade (Engenharia)
Tolerância a falha (Computação)
Eficiência industrial
language: eng
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/32645
Issue Date: 29-Nov-2019
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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