A comprehensive analysis on the third harmonic circulating current injection in Delta-CHB STATCOM for capacitance reduction

Abstract

O cen´ario atual dos sistemas el´etricos de potˆencia ´e caracterizado por estruturas complexas, presen¸ca de cargas n˜ao lineares e alta inser¸c˜ao de energias renov´aveis, como energia solar e e´olica. Desta forma, o compensador s´ıncrono est´atico (do inglˆes, Static Synchronous Compensator - STATCOM) surge para regula¸c˜ao de tens˜ao e controle de potˆencia reativa nesses sistemas. Nesse cen´ario, as topologias de conversores multin´ıveis em cascata tˆem sido usadas para a realiza¸c˜ao do STATCOM devido `a sua alta eficiˆencia. Dentre as topologias de conversores multin´ıveis em cascata, o Delta-CHB surge como uma topologia interessante para aplica¸c˜oes STATCOM. Uma desvantagem desta topologia ´e a ondula¸c˜ao de segundo harmˆonico na tens˜ao do subm´odulo, o que leva a altos requisitos de armazenamento de energia. Desta forma, os capacitores representam uma porcentagem importante dos custos e do volume do conversor. Devido `a caracter´ıstica inerente da topologia Delta-CHB, os componentes de sequˆencia zero presentes na corrente circulante n˜ao fluem para a rede. Este fato permite a inser¸c˜ao de altas amplitudes de correntes de sequˆencia zero sem aumentar a distor¸c˜ao harmˆonica da rede. Este trabalho explora a inje¸c˜ao de corrente circulante de terceiro harmˆonico em um Delta-CHB STATCOM, visando a redu¸c˜ao da capacitˆancia do subm´odulo. Em primeiro lugar, s˜ao derivadas as express˜oes anal´ıticas para a ondula¸c˜ao da tens˜ao do capacitor sem e com inje¸c˜ao de terceiro harmˆonico. Estas express˜oes s˜ao utilizadas para obter a corrente de terceiro harmˆonico que minimiza a soma das oscila¸c˜oes das tens˜oes dos capacitores em toda a faixa de opera¸c˜ao. Essas express˜oes s˜ao validadas em uma configura¸c˜ao experimental baseada em um subm´odulo de 620 VA/220 V. Embora esta abordagem minimize a ondula¸c˜ao, espera-se um aumento no esfor¸co de corrente dos semicondutores e, consequentemente, um aumento na ´area de sil´ıcio dos dispositivos. Esta tese quantifica o aumento por meio de express˜oes anal´ıticas e prop˜oe um esquema de inje¸c˜ao de terceiro harmˆonico aprimorado que injeta o terceiro harmˆonico em uma faixa de pontos de opera¸c˜ao. A estrat´egia de eleva¸c˜ao de tens˜ao dos subm´odulos e olhar apenas para o limitante superior de tens˜ao de 10% tamb´em ´e discutido. Por fim, ´e apresentada uma an´alise sobre a influˆencia dos harmˆonicos de comuta¸c˜ao da real redu¸c˜ao de capacitˆancia. O desempenho das estrat´egias propostas ´e avaliado simulando-se um STATCOM Delta-CHB de 17 MVA/13,8 kV com 24 subm´odulos por cluster e em um setup experimental de 705 VA/57,56 V com 3 subm´odulos por cluster. Os resultados apresentados mostram que ´e poss´ıvel reduzir a capacitˆancia em 57,5% com inje¸c˜ao de terceiro harmˆonico. No entanto, a real redu¸c˜ao de capacitˆancia torna-se menor em frequˆencias de comuta¸c˜ao menores.