Energy storage requirements and wear-out of MMCC based statcom: the role of the modulation strategy - Sousa, Renata Oliveira de (2019)
Os 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.