Modeling, design and fault-tolerant strategies for modular multilevel cascaded converter-based STATCOMs

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.