Modular Converter Structures for STATCOM Application under Unbalanced Conditions

Abstract

The current society is facing several challenges in terms of energy, such as the high dependency on fossil fuels, the high rate of reliance on imported energy, the constant increment in the energy consumption, and the environmental problems caused by these factors. The integration of distributed generation systems, mainly based on renewable energy sources (RES), is the most interesting solution to address these issues. However, the penetration of RES into the power grid implies certain challenges due to their non-dispatchable nature compared to conventional generation systems. Such systems often use power electronic converters for grid connection instead of synchronous generators, making power systems become converter-dominated. As the power electronic converterbased grid makes it increasingly necessary to employ power equipment with higher voltage and power rating, since their scalable attributes, multilevel Voltage Source Converters (VSCs) based on modular structures are envisioned as the most promising alternatives for that purpose. In this framework, Flexible AC Transmission System (FACTS) devices, and in particular Static Synchronous Compensators (STATCOMs), play a key role in the evolution of the modern power grids to the future smart grids. The STATCOM, especially the one which employs multilevel VSCs based on modular structures, is applied in an increasingly wider variety of scenarios in which the operation under negative-sequence voltage and/or current conditions stands out. From the power converter manufacturer point of view, it is not obvious which VSC topology should be used. That is why the purpose of the thesis is to contribute to the body of knowledge in the field of the design of VSCs, with the aim of facilitating the manufacturer to compare and select the most appropriate topology, to design it properly, or to adapt it in order to face the demanding operating requirements that a converter-dominated power grid implies. Among these, this work is mainly focused on the STATCOM application of multilevel VSCs based on modular structures operating under unbalanced voltage and/or current conditions. To achieve this goal, the operation of the most commonly used high power – MV VSC topologies and their main modulation strategies are first reviewed. Secondly, a methodology which provides valuable information that allows the converter manufacturer to compare and select the most suitable VSC topology for any required application is proposed. Then, a comprehensive review about the operation of multilevel VSCs based on modular structures for different and equivalent unbalanced operating scenarios is presented, in which the STATCOM functionality is included. Having identified the research gap, the reactive power limits of different VSC topologies for STATCOM application operating under unbalanced voltage and/or current conditions are studied and compared. Finally, the control implementation of one of the most interesting topologies for the application under study is evaluated, comparing the performance of different regulators that could be employed. Experimental results obtained from a real-scale 100 kVA prototype in a MV laboratory validate the carried out studies.

Gaur egungo gizartea energiaren arloko hainbat erronka garrantzitsuren aurrean aurkitzen da, besteak beste, erregai fosilekiko menpekotasun handia, inportatutako energiarekiko dependentzia, kontsumo energetikoaren etengabeko gorakada, edota faktore hauek eragiten dituzten ingurumen arazoak. Sorkuntza banatuko sistemen integrazioa, bereziki iturri berriztagarrietan oinarritutakoa, arazo horiei aurre egiteko aukera interesgarriena da. Hala ere, bere izaera kudeaezina dela eta, sorkuntza berriztagarria sare elektrikoan integratzeak zenbait erronka dakartza ohiko sorkuntza sistemekin alderatuta. Gainera, iturri berriztagarrien sistemek, sorgailu sinkronoen ordez, potentzia bihurgailu elektronikoak erabiltzen dituzte sarera konektatzeko. Bihurgailuak nagusi diren sare elektrikoak tentsio eta potentzia handiagoko gailuak erabiltzea eskatzen du, eta horretarako, tentsio iturridun bihurgailu (VSC) multinibel modularrak alternatiba erakargarrienetariko bat dira. Testuinguru honetan, “FACTS” bezala ezagutzen diren korronte alternoko transmisio gailuek, eta bereziki konpentsatzaile sinkrono estatikoek (STATCOM), funtsezko eginkizuna dute sare elektriko modernoen eboluzioan etorkizuneko sare adimendunerantz. STATCOMak, batez ere VSC bihurgailu multinibel modularretan oinarrituta daudenak, gero eta aplikazio ugariagoetan erabiltzen dira, non tentsio eta/edo korronte desorekatuen aurrean funtzionatzea nabarmandu daitekeen. Bihurgailu fabrikatzailearen ikuspuntutik, ez da hain agerikoa zein VSC topologia erabili behar den. Hori dela eta, doktorego tesi honen helburua VSC diseinuaren alorreko ezagutzan laguntzea da, fabrikatzaileari topologiak konparatu eta egokiena hautatzen errazteko, era egokian diseinatzeko, edota egokitzapenak egiten laguntzeko helburuarekin, bihurgailuek dituzten eskakizun zorrotzei aurre egiteko. Eskakizun horien artean, tesi hau VSC bihurgailu multinibel modularrez eraikitako STATCOM-en tentsio zein korronte desorekatuen funtzionamenduan zentratzen da. Helburu hori betetzeko, lehenik eta behin, potentzia handiko erdi-tentsioko VSC topologien eta haien modulazio estrategia nagusien funtzionamenduari buruzko ikerketa bat garatzen da. Bigarrenik, metodologia bat proposatzen da, bihurgailu fabrikatzaileri behar duen edozein aplikaziorako VSC topologia egokiena konparatu eta hautatzeko informazio baliagarria eskaintzen diona. Jarraian, VSC bihurgailu modular multinibelen funtzionamendu desorekatu desberdinei buruzko literatura zientifikoaren errebisio bat egiten da, STATCOM-aren funtzionalitatea barne. Ezagutza hutsunea identifikatu ondoren, tentsio eta/edo korronte desoreken aurrean funtzionatzen duen STATCOM aplikaziorako VSC topologia desberdinen potentzia erreaktiboaren mugak aztertu eta konparatzen dira. Azkenik, aztergai dugun aplikaziorako topologia interesgarrienetariko baten kontrol inplementazioa ebaluatzen da, erabil daitezkeen kontroladore desberdinen portaera aztertu eta konparatzen delarik. Erdi-tentsioko laborategi batean, 100 kVA-ko eskala errealeko bihurgailu batetik lortutako emaitza esperimentalek egindako azterketa teorikoak balioztatuko dituzte.

La sociedad actual se enfrenta a varios retos importantes en materia energética, entre los que destacan la gran dependencia de los combustibles fósiles y de la energía importada, el constante aumento del consumo energético, o los problemas medioambientales que estos factores conllevan. La integración de sistemas de generación distribuida, principalmente de origen renovable, se presenta como la solución más interesante para hacer frente a estos desafios. No obstante, la penetración de generación renovable en la red eléctrica trae consigo ciertos retos debido a su naturaleza no gestionable en comparación con los sistemas de generación convencionales. Los sistemas de origen renovable utilizan a menudo convertidores electrónicos de potencia para su conexión a la red en lugar de generadores síncronos, lo que hace que los sistemas eléctricos hayan pasado a estar dominados por convertidores. Dado que una red eléctrica dominada por convertidores electrónicos de potencia hace cada vez más necesario contar con dispositivos de mayor tensión y potencia, los convertidores multinivel de fuente de tensión (VSC) basados en estructuras modulares se perfilan como una de las alternativas más prometedoras para tal fin. En este contexto, los sistemas flexibles de transmisión de corriente alterna (FACTS), y en particular los compensadores síncronos estáticos (STATCOM), desempeñan un papel fundamental en la evolución de las redes eléctricas modernas hacia las futuras redes inteligentes. Los STATCOM-s, especialmente los que se basan en convertidores VSC multinivel basados en estructuras modulares, se utilizan en una variedad cada vez más amplia de escenarios en los que destaca el funcionamiento en condiciones desequilibradas de tensión y/o corriente. Desde el punto de vista del fabricante del convertidor, no es tan evidente qué topología VSC debe utilizarse para cada caso. Es por ello que el propósito de esta tesis doctoral es contribuir al conocimiento en el campo del diseño de VSC-s, con el objetivo de facilitar al fabricante la comparación y selección de la topología más adecuada, su correcto diseño, o su adaptación para hacer frente a los exigentes requisitos de operación que una red eléctrica dominada por convertidores implica. Entre estos requisitos, este tesis doctoral se centra principalmente en la aplicación STATCOM de los convertidores VSC multinivel basados en estructuras modulares que operan ante tensiones y/o corrientes desequilibradas. Con el fin de cumplir este objetivo, en primera instancia, se desarrolla un estudio sobre el funcionamiento de las topologías VSC de alta potencia más utilizadas y sus principales estrategias de modulación. En segundo lugar, se propone una metodología que proporciona información útil que permitirá al fabricante de convertidores comparar y seleccionar la topología VSC más adecuada para cualquier aplicación requerida. A continuación, se presenta una revisión del estado del arte sobre el funcionamiento de los VSC multinivel basados en estructuras modulares para diferentes escenarios de funcionamiento desequilibrado, en los que se incluye la funcionalidad STATCOM. Una vez identificado el vacío de conocimiento, se estudian y comparan los límites de potencia reactiva de diferentes topologías VSC para la aplicación STATCOM operando en condiciones de tensión y/o corriente desequilibradas. Finalmente, se analiza la implementación de control de una de las topologías más interesantes para la aplicación objeto de estudio, evaluando y comparando el comportamiento de diferentes reguladores que podrían emplearse. Los estudios teóricos realizados se validan mediante resultados experimentales obtenidos a partir de un convertidor a escala real de 100 kVA en un laboratorio de media tensión.