Reliability-oriented redundancy design for modular multilevel cascaded converter-based STATCOMS

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dc.contributor.advisorPereira, Heverton Augusto
dc.contributor.advisor-coCupertino, Allan Fagner
dc.contributor.advisor-coLatteshttp://lattes.cnpq.br/3035620499629987
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4298795970350194
dc.contributor.authorFarias, João Victor Matos
dc.contributor.referee1Heverton Augusto Pereira
dc.contributor.referee2Allan Fagner Cupertino
dc.date.accessioned2023-08-07T13:07:34Z
dc.date.available2023-08-07T13:07:34Z
dc.date.issued2019
dc.description.abstractOs sistemas de distribuição e transmissão de média/alta tensão possuem uma enorme variedade de cargas não lineares. Além disso, a grande penetração de fontes de energia renováveis no sistema elétrico tem motivado estudos relacionados ao compensador síncrono estático (STATCOM, do inglês static synchronous compensator). Nesse contexto, o conversor multinível é uma tecnologia interessante para esta aplicação. Uma atenção especial é dada aos conversores modulares multiníveis em cascata (MMCCs, do inglês modular multilevel cascaded converters) devido à 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 células/dispositivos semicondutores, que pode afetar a confiabilidade do conversor. Células redundantes podem ser empregadas para atender aos requisitos de confiabilidade do conversor. No entanto, o projeto do fator de redundância ainda é um campo a ser explorado. Este trabalho propõe um modelo de confiabilidade para a seleção correta do número de células redundantes, visando atingir uma meta de vida útil determinada. Este modelo combina as análises de falhas aleatórias e falhas por desgaste. O fator de redundância é calculado para determinados requisitos de confiabilidade, ou seja, este trabalho propõe um projeto de redundância orientada a confiabilidade. O estudo de caso é baseado em um MMCC 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). Os custos de capital (CAPEX, do inglês capital expenditure) e os custos operacionais (OPEX. do inglês operational expenditure) são estimados considerando o fator de redundância necessário. Considerando como objetivo 20 anos de operação para o conversor e níveis de confiabilidade maiores que 90%, o projeto baseado em dispositivos de 1,7 kV apresenta o menor custo para a realização do MMCC STATCOM.
dc.description.abstractotherMedium/high-voltage distribution and transmission systems have a huge variety of nonlinear loads. Additionally, the large penetration of renewable energy sources in the power system has motivated studies about static synchronous compensator (STATCOM). In this context, the multilevel converter is an interesting technology for this application. Particular attention is given to modular multilevel cascaded converters (MMCCs) due to the high scalability, modularity, redundancy and efficiency that are inherent features of the topology. To be able to operate at high voltage levels, a large number of semiconductor cells/devices is required, compromising the converter reliability. Redundant cells can be employed to fulfill the converter reliability requirements. However, the redundancy factor design is still an important area to be explored. This work proposes a reliability model for the correct selection of the redundant cells number, which aims to reach a determined lifetime target. This model combines random failure and wear-out failure analysis. The redundancy factor is computed for given reliability requirements, i.e., this work proposes a reliability-oriented redundancy design. The case study is based on a 13.8 kV/17 MVA MMCC-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). The capital expenditure (CAPEX) and operation expenditure (OPEX) are estimated considering the required redundancy factor. Considering a target of 20 years of operation for the converter and reliability levels greater than 90%, the design based on 1.7 kV devices has the lowest cost for the MMCC STATCOM realization.
dc.identifier.urihttps://repositorio.cefetmg.br/handle/123456789/363
dc.language.isoen
dc.publisherCentro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais / Universidade Federal de São João del-Rei
dc.publisher.countryBrasil
dc.publisher.initialsCEFET-MG / UFSJ
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.subjectConversores
dc.subjectSistema de energia elétrica - Controle
dc.subjectConfiabilidade (Engenharia) - Processamento de dados
dc.subjectRedundância (Engenharia) - Processamento de dados
dc.subjectFalhas de energia elétrica
dc.titleReliability-oriented redundancy design for modular multilevel cascaded converter-based STATCOMS
dc.typeThesis
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