Reliability assessment and fault-tolerance schemes for modular multilevel converter-based STATCOM
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Marcelo Lobo Heldwein
Pedro Gomes Barbosa
Sidelmo Magalhães Silva
Victor Flores Mendes
Pedro Gomes Barbosa
Sidelmo Magalhães Silva
Victor Flores Mendes
Resumo
The current industrial electrical power systems scenario is characterized by a variety of
nonlinear loads such as electric arc furnaces, electric drives, etc. Additionally, weak power
systems and the high penetration of renewable power plants have motivated studies about
static synchronous compensator (STATCOM) with positive and negative sequence current
injection capability. In this context, particular attention is given to the solution based on
modular multilevel converter (MMC) due to the high scalability, modularity, redundancy
and efficiency that are inherent features of the topology. In order to operate at high voltage
levels, a higher number of power electronic components is required, compromising the
converter reliability. Under such conditions, fault-tolerance methods can be employed to
fulfill the converter reliability requirements. However, the correct MMC design to reach
a desired lifetime target is still an important area to be explored. Therefore, this work
proposes a reliability-oriented design based on fault-tolerance methods. The proposed
methodology allows the design engineer to select the most suitable MMC solution according
to the trade-off between the converter cost and the reliability requirement. Moreover, the
MMC based on sliding-mode observer is employed aiming to reduce the burden of the
data acquisition system. The case study is based on a 13.8 kV/17 MVA MMC-based
STATCOM. The implementation of the converter is performed through four commercial
blocking voltage of semiconductor devices (1.7, 3.3, 4.5 and 6.5 kV) and four different
fault-tolerant methods. Experimental results are obtained in a downscaled MMC prototype
to validate the proposal. The capital expenditure (CAPEX) and operational expenditure
(OPEX) are estimated considering the required reliability criteria. Considering a target
of 10 years of operation for the converter and reliability levels greater than 90%, the
design based on 1.7 kV devices with standby redundancy have the best cost-benefit for
the MMC-based STATCOM.
Abstract
O cenário atual dos sistemas elétricos de potência industriais é caracterizado por uma variedade de cargas não lineares, como fornos elétricos a arco, acionamentos elétricos, etc. Além disso, a elevada penetração de fontes renováveis de energia e a presença de redes com baixo nível de curto-circuito têm motivado estudos relacionados ao compensador síncrono estático (STATCOM, do inglês static synchronous compensator ) com capacidade de injeção de corrente de sequência positiva e negativa. Nesse contexto, uma atenção especial é dada à solução baseada em conversor modular multinível (MMC, do inglês modular multilevel converters) devido `a alta escalabilidade, modularidade, redundância e eficiência, que são características inerentes à topologia. Para ser capaz de atuar em altos níveis de tensão, é necessário associar um grande número de dispositivos eletrônicos de potência, o que pode afetar a confiabilidade do conversor. Dessa forma, métodos de tolerância a falhas podem ser empregados ao conversor, visando alcançar os requisitos de confiabilidade. No entanto, o projeto adequado do MMC para atingir uma determinada meta de vida útil ainda é uma área importante a ser explorada. Este trabalho propõe um projeto orientado `a confiabilidade baseado em métodos de tolerância a falhas. A metodologia proposta permite ao engenheiro de projeto selecionar a solução de MMC mais adequada de acordo com o trade-off entre o custo do conversor e o requisito de confiabilidade. Além disso, o MMC baseado em observador de modo deslizante é empregado com o objetivo de aliviar o sistema de aquisição de dados, uma vez que são desprezadas as medições de tensão dos capacitores. O estudo de caso é baseado em um MMC-STATCOM de 13,8 kV/17 MVA. A implementação do conversor é baseada em quatro tensões de bloqueio comerciais de dispositivos semicondutores (1,7, 3,3, 4,5 e 6,5 kV) e quatro métodos de tolerância a falhas. Resultados experimentais são obtidos em um protótipo MMC de escala reduzida para validar a proposta. Os custos de capital (CAPEX, do inglês capital expenditure) e os custos operacionais (OPEX, do inglês operational expenditure) são estimados considerando os critérios de confiabilidade exigidos. Considerando como objetivo 10 anos de operação para o conversor e níveis de confiabilidade maiores que 90%, os projetos baseados em dispositivos de 1,7 kV com redundância em espera apresentam o menor custo para a realização do MMC-STATCOM.
Assunto
Engenharia elétrica, Energia elétrica - Distribuição - Alta tensão, Sistemas elétricos de potência, Conversores de corrente elétrica
Palavras-chave
Modular multilevel converter, STATCOM, Reliability, Sliding-mode observer, Fault-tolerance methods, MMC costs