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Energy storage requirements and wear-out of MMCC based statcom: the role of the modulation strategy

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dc.contributor.advisorPereira, Heverton Augusto
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4298795970350194
dc.contributor.authorSousa, Renata Oliveira de
dc.contributor.referee1Heverton Augusto Pereira
dc.date.accessioned2023-08-04T14:33:01Z
dc.date.available2023-08-04T14:33:01Z
dc.date.issued2019
dc.description.abstractOs sistemas de distribuição e transmissão possuem uma enorme variedade de cargas. No entanto, a maioria dessas cargas é não-resistiva ou flutuante. Essas cargas podem gerar variações de tensão que afetar a operação e a eficiência dos sistemas. Para minimizar esses problemas, a compensação de potência reativa é indicada. Neste contento, o Compensador Síncrono Estático (STATCOM, do inglês Static Synchronous Compensator) tem sido amplamente utilizado. O principal desafio no projeto de STATCOMs de média e alta tensão é definir uma topologia de conversor que deve atingir níveis altos de potência e tensão com chaves semicondutoras padrão. Neste contexto, a topologia Double-Star Chopper Cell (DSCC), da família de Conversores Modulares Multiníveis em Cascata, provou ser uma opção atraente para aplicações STATCOM de média e alta tensão. No entanto, a topologia DSCC apresenta alguns desafios relacionados a estratégias de modulação, requisitos de armazenamento de energia e confiabilidade. Em relação ao requisito de armazenamento de energia, a literatura considera no projeto as tensões dos capacitores balanceadas. No entanto, dependendo da estratégia de modulação, as tensos do capacitor oscilam dentro de um intervalo e com um espalhamento. Em termos de confiabilidade, a literatura apresenta trabalhos nos quais é avaliado o tempo de vida útil do DSCC. Entretanto, nenhum desses trabalhos leva em conta o efeito não desprezível do ripple de tensão nos capacitores da célula e também como a estratégia de modulação pode afetar esse ripple de tensão e, consequentemente, a vida útil do capacitor. Portanto, este trabalho considera o efeito de todos os componentes da célula (ou seja, dispositivos semicondutores e capacitores) e analisa o impacto das estratégias de modulação na vida útil de um DSCC-STATCOM. Para este propósito, duas estratégias de modulação são selecionadas: PS-PWM (do inglês Phase-Shifted Pulse-Width Modulation) e NLC-CTB (do inglês Nearest-Level Control with Cell Tolerance Band algorithm). Além disso, este trabalho apresenta o índice de fator de espalhamento para comparar diferentes estratégias de modulação em termos de capacidade de balanceamento de tensão do capacitor. Além disso, os requisitos de armazenamento de energia para cada estratégia de modulação são discutidos. Para analisar o efeito do ripple da tensão do capacitor da célula na vida útil, a metodologia que melhor representa seu efeito no modelo de vida útil do capacitor, bem como sua frequência de amostragem, são investigadas. Os resultados indicaram que diferentes estratégias de modulação podem exigir armazenamento de energia distintos. De fato, o NLC-CTB requer armazenamento de energia 44 % maior que o PS-PWM. Como consequência, o número de capacitores afeta o tempo de vida útil do banco de capacitores. Por outro lado, as estratégias de modulação podem produzir diferentes perdas de energia que também afetam o tempo de vida útil das chaves e geram custos adicionais.
dc.description.abstractotherThe distribution and transmission systems supply a huge variety of loads. Nevertheless, most of these loads are non-resistive or fluctuating. These loads can generate voltage variations which affect the operation and efficiency of the systems. In order to minimize these problems, reactive power compensation is indicated. In this context, the Static Synchronous Compensator (STATCOM) has been widely used. The major challenge in the design of medium and high voltage STATCOMs is to define a converter topology which must reach higher power and voltage levels with standard rated semiconductor switches. In this context, the topology Double-Star Chopper Cell (DSCC), member of the Modular Multilevel Cascade Converter family, has proved to be an attractive option for medium and high voltage STATCOM applications. Nevertheless, the DSCC topology has some challenges in the modulation schemes, energy storage requirements and reliability. Regarding the energy storage requirement the literature considers balanced capacitor voltages in the design. However, depending on the modulation strategy, the capacitor voltages oscillate within a range and with a spreading. In terms of reliability, the literature presents works in which is evaluated the DSCC lifetime. Nevertheless, none of these works take into account the effect of the non-negligible voltage ripple in the cell capacitors and also how the modulation strategy can affect this capacitor voltage ripple and, consequently, the capacitor lifetime. Therefore, this work considers the effect of all cell components (i.e. semiconductor devices and capacitors) and analyzes the modulation strategies impact on the energy storage requirements and reliability of a DSCC-STATCOM. For this purpose, two modulation strategies are selected: Phase-Shifted Pulse-Width Modulation (PS-PWM) and NearestLevel Control with Cell Tolerance Band algorithm (NLC-CTB). In addition, this work introduces the spreading factor index to compare different modulation strategies in terms of capacitor voltage balancing capability. Additionally, the energy storage requirements for each modulation strategy are discussed. In order to analyze the cell capacitor voltage ripple effect on lifetime, the methodology which better represent its effect on the capacitor lifetime model as well as its sampling frequency are investigated. Moreover, the results indicated that different modulation strategies may require distinct energy storage. In fact, the NLC-CTB requires energy storage 44 % higher than PS-PWM. As consequence, different capacitor numbers impact on the lifetime of the capacitor bank. On the other hand, the modulation strategies may produce different power losses which also impact on the lifetime and produce additional costs.
dc.identifier.urihttps://repositorio.cefetmg.br/handle/123456789/357
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.subjectSincronização
dc.subjectProgramação modular
dc.subjectConversores de correntes elétricas
dc.subjectTeoria da modulação
dc.subjectDesgaste mecânico
dc.subjectEnergia - Armazenamento
dc.titleEnergy storage requirements and wear-out of MMCC based statcom: the role of the modulation strategy
dc.typeThesis
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