Reliability assessment and fault-tolerance schemes for modular multilevel converter-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.