Proposal of minimum SM voltage control for losses reduction and reliability improvement in MMC-based STATCOM

Abstract

Compensadores síncronos estáticos (STATCOMs, do inglês static synchronous compensators) têm sido amplamente empregados para atender os requerimentos de qualidade de energia no sistema elétrico. Os esforços de pesquisa mais recentes em STATCOMs visam melhorar a eficiência e confiabilidade desses conversores. Entre as topologias de STATCOM, o conversor modular multinível (MMC, do inglês modular multilevel converter) tem se mostrado uma opção atrativa para aplicação do STATCOM em média e alta tensão. No entanto, os custos de implementação do MMC-STATCOM ainda são elevados. Por este motivo, a redução de perdas melhoria da confiabilidade deste conversor é uma questão importante para reduzir os custos de operação e viabilizar o uso desta tecnologia. Este trabalho propõe uma nova estratégia de controle baseada em uma técnica de tensão de barramento c.c. variável que controla a tensão de referência do submódulo (SM) de acordo com a tensão mínima exigida em cada condição de operação do conversor. Esta técnica é denominada controle de tensão mínima do submódulo (MVC, do inglês minimum voltage control). Consequentemente, as tensões nos componentes do SM podem ser reduzidas, reduzindo perdas e melhorando a confiabilidade. Para tanto, o controle proposto é avaliado com duas estratégias de modulação populares: modulação por largura de pulso com portadoras deslocadas por fase (PSC-PWM, do inglês phase-shifted carrier pulse-width modulation), com frequência de comutação fixa, e controle de nível mais próximo (NLC, do inglês nearest-level control), com frequência de comutação variável. Além disso, quatro tensões de bloqueio de dispositivos semicondutores disponíveis comercialmente são consideradas para avaliar o conversor com diferentes números de SMs. Uma metodologia de projeto e ajuste de controladores para MMC-STATCOM é proposta. Uma metodologia de previsão de desgaste é apresentada como uma figura de mérito para avaliação da confiabilidade, na qual um algoritmo de rainflow modificado é introduzido. Os resultados de simulação e experimentais demonstraram a eficácia operacional das metodologias propostas para projeto, ajuste de controladores e da estratégia de MVC. Além disso, o MVC reduziu as perdas e a aumentou confiabilidade do conversor em todos os estudos de caso. De fato, o MVC reduziu em cerca de 53% o desgaste dos capacitores. Ademais, quanto maior a frequência de comutação e menor o número de SMs, maior a redução de perdas com MVC. Adicionalmente, modificações de hardware são evitadas para a estratégia proposta. Por esse motivo, pode-se afirmar que o MVC tem potencial para melhorar os custos operacionais e a confiabilidade do MMC-STATCOM.