Estratégia De Tolerância A Falhas Para Um Conversor Delta-Chb Statcom Na Região De Sobremodulacão

Authors

  • Dayane do Carmo Mendonça Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil
  • Allan Fagner Cupertino Departamento de Engenharia dos Materiais, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil
  • Heverton Augusto Pereira Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brasil
  • Seleme Isaac Seleme Júnior Departamento de Engenharia Eletrônica, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil
  • Remus Teodorescu Department of Energy Technology, Aalborg University, Aalborg, Denmark

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2020.4.0029

Keywords:

STATCOM, Tolerância a Falhas

Abstract

O conversor CHB (do inglês,cascaded H-bridge) é uma topologia popular para aplicações STATCOM (do inglês, Static Synchronous Compensator). Visto que esse conversor é composto por dezenas/centenas de componentes, preocupações relacionadas à confiabilidade são inerentes ao seu projeto. Geralmente, células redundantes são utilizadas, aumentando o custo do STATCOM. De fato, existe um potencial de operação tolerante a falhas quando a região de sobremodulação é considerada. Este trabalho explora a redundância inerente do conversor delta-CHB na região de sobremodulação. Inicialmente, uma expressão analítica para a fronteira entre a região linear e de sobremodulação é determinada e validada para diferentes condições de operação. Em seguida, a tolerância a falhas é avaliada em ambiente de simulação, considerando um estudo de caso com conversor delta-CHB STATCOM de 17 MVA/13,8 kV composto de 24 células por braço. Falhas simétricas e assimétricas são abordadas. Os resultados indicam que o conversor é capaz de operar em condições nominais após 4 falhas distribuídas nos três braços do conversor (fator de redundância de 5,5 %) sem exceder os valores de distorção harmônica recomendados.

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Author Biographies

Dayane do Carmo Mendonça, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil

, possui graduação em Engenharia Elétrica (2018) pela Universidade Federal de Viçosa (UFV). Atualmente, realiza o mestrado em Engenharia Elétrica no Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG). Seus principais interesses de pesquisa incluem conversores modulares multinível e sistemas de geração de energia renovável.

Allan Fagner Cupertino, Departamento de Engenharia dos Materiais, Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil

, possui graduação em Engenharia Elétrica (2013) pela Universidade Federal de Viçosa (UFV), mestrado (2015) e doutorado (2019) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Realizou doutorado sanduíche na Aalborg University, Dinamarca. Desde 2014 é professor no Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG), atuando na área de máquinas elétricas e eletrônica de potência. Seus principais interesses de pesquisa incluem conversores modulares multinível e suas aplicações, energia solar fotovoltaica, sistemas de armazenamento de energia por baterias e confiabilidade de conversores eletrônicos.

Heverton Augusto Pereira, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brasil

, possui graduação em Engenharia Elétrica (2007) pela Universidade Federal de Viçosa (UFV), mestrado em Engenharia Elétrica (2009) pela Universidade de Campinas (UNICAMP) e doutorado em Engenharia Elétrica (2015) pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Realizou doutorado sanduíche (2014) na Aalborg University, Dinamarca. Desde 2009 é professor na Universidade Federal de Viçosa. Seus principais interesses de pesquisa incluem conversores conectados à rede para sistemas de energia fotovoltaica e eólica e sistemas de transmissão de alta tensão baseados em MMC.

Seleme Isaac Seleme Júnior, Departamento de Engenharia Eletrônica, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil

, possui graduação em Engenharia Elétrica (1977) pela Escola Politécnica (USP), mestrado em Engenharia Elétrica (1985) pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e doutorado em Controle e Automação (1994) pelo Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG). Atualmente, é professor no Departamento de Engenharia Eletrônica da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Seus principais interesses de pesquisa incluem sistemas de energia renovável, conversores modulares multinível e controle não linear aplicado em conversores de energia.

Remus Teodorescu, Department of Energy Technology, Aalborg University, Aalborg, Denmark

, possui graduação em Engenharia Elétrica (1989) pela Polytechnical University of Bucharest, Romênia e doutorado em Eletrônica de Potência (1994) pela University of Galati, Romênia. Em 1998, ele ingressou na Aalborg University, onde atualmente trabalha como professor. Entre 2013 e 2017, ele foi professor visitante na Chalmers University. Foi coordenador do Programa Vestas Power (2007 - 2013, envolvendo 10 projetos de doutorado nas áreas de eletrônica de potência, sistemas de energia e armazenamento de energia. Seus principais interesses de pesquisa incluem: projeto e controle de conversores de energia para sistemas fotovoltaicos e eólicos, rede de integração com energia eólica, HVDC/FACTS baseado em MMC, conversores baseados em SiC e sistemas de armazenamento.

References

M. R. Nasiri, S. Farhangi, J. Rodriguez, "Model Predictive Control of a Multilevel CHB STATCOM in Wind Farm Application Using Diophantine Equations",IEEE Trans on Ind Electron, vol. 66,no. 2, pp. 1213-1223, Feb. 2019.https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2833055 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2833055

Z. Wang, S. Fan, Y. Zheng, M. Cheng, "Design and Analysis of a CHB Converter Based PV-Battery Hybrid System for Better Electromagnetic Compatibility",IEEE Trans on Magn, vol. 48, no. 11,pp. 4530-4533, Nov. 2012.https://doi.org/10.1109/TMAG.2012.2198912 DOI: https://doi.org/10.1109/TMAG.2012.2198912

A. F. Cupertino, J. V. M. Farias, H. A. Pereira,S. I. Seleme, R. Teodorescu, "Comparison of DSCC and SDBC Modular Multilevel Converters for STATCOM Application During Negative Sequence Compensation",IEEE Trans Ind Electron, vol. 66,no. 3, pp. 2302-2312, March 2019.https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2811361 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2811361

M. Hagiwara, R. Maeda, H. Akagi, "Negative-Sequence Reactive-Power Control by a PWMSTATCOM Based on a Modular Multilevel Cascade Converter (MMCC-SDBC)",IEEE Trans Ind Appl, vol. 48, no. 2, pp. 720-729, March 2012.https://doi.org/10.1109/TIA.2011.2182330 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2011.2182330

ABB,Static compensator (STATCOM), URL:https://new.abb.com/facts/statcom.

Siemens, Optimal dynamic grid stabilization, URL:https://new.siemens.com/global/en/products/energy/high-voltage/facts/portfolio/svcplus.html.

GE,Static Synchronous Compensator (STATCOM) Solutions, URL: https://www.gegridsolutions.com/products/brochures/powerd_vtf/STATCOM_GEA31986_HR.pdf.

L. Hui, Z. Meimei, Y. Ran, L. Wei, D. Jili, L. Haiyang,Q. Haitao, "Reliability modelling and analysis on MMC for VSC-HVDC by considering the press-pack IGBT and capacitors failure”, The Journal of Engineering, vol. 2019, no. 16, pp. 2219-2223, Jan.2019.https://doi.org/10.1049/joe.2018.8909 DOI: https://doi.org/10.1049/joe.2018.8909

N. Ahmed, L. Angquist, A. Antonopoulos,L. Harnefors, S. Norrga, H. Nee, "Performance of the modular multilevel converter with redundant submodules”, in Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, pp. 003922-003927,Nov 2015.https://doi.org/10.1109/IECON.2015.7392712 DOI: https://doi.org/10.1109/IECON.2015.7392712

G. S. Konstantinou, M. Ciobotaru, V. G. Agelidis,"Effect of redundant sub-module utilization on modular multilevel converters”, in IEEE International Conference on Industrial Technology, pp. 815-820,March 2012.https://doi.org/10.1109/ICIT.2012.6210039 DOI: https://doi.org/10.1109/ICIT.2012.6210039

W. Song, A. Q. Huang, "Fault-Tolerant Design and Control Strategy for Cascaded H-Bridge Multilevel Converter-Based STATCOM",IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 8, pp. 2700-2708,Aug. 2010.https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2036019 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2036019

H. Salimian, H. Iman-Eini, "Fault-Tolerant Operation of Three-Phase Cascaded H-Bridge Converters Using an Auxiliary Module",IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, no. 2, pp. 1018-1027,Feb. 2017.https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2613983 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2613983

J. V. M. Farias, A. F. Cupertino, H. A. Pereira, S. I. S.Junior, R. Teodorescu, "On the Redundancy Strategies of Modular Multilevel Converters",IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 33, no. 2, pp. 851-860, April2018.https://doi.org/10.1109/TPWRD.2017.2713394 DOI: https://doi.org/10.1109/TPWRD.2017.2713394

L. Maharjan, T. Yamagishi, H. Akagi, J. Asakura,"Fault-Tolerant Operation of a Battery-Energy-Storage System Based on a Multilevel Cascade WM Converter With Star Configuration",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 25, no. 9, pp.2386-2396, Sept. 2010.https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2047407 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2010.2047407

Chia-tse Lee, Hsin-chih Chen, Ping-heng Wu, Ching-wei Wang, Ching-hsiang Yang, Po-tai Cheng, "Afault tolerant operation technique for STATCO Ms based on star-connected cascaded H-bridges multilevel converter”, in 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 995-1001,2015.https://doi.org/10.1109/APEC.2015.7104470 DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2015.7104470

F. Carnielutti, H. Pinheiro, "Extending the Operation of Asymmetrical Cascaded Multilevel Converters Under Fault Conditions on the Converter Power Cells",IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64,no. 3, pp. 1853-1862, March 2017.https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2624723 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2624723

M. Aleenejad, H. Mahmoudi, R. Ahmadi, “Unbalanced Space Vector Modulation with Fundamental Phase Shift Compensation for Faulty Multilevel Converters",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 31, no. 10, pp. 7224-7233, Oct. 2016.https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2520884 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2520884

D. C. Mendonça, A. F. Cupertino, H. A. Pereira, S. I.Seleme, R. Teodorescu, "Inherent Redundancy of SDBC-MMCC based STATCOM in the Overmodulation Region”, in IEEE Brazilian Power Electronics Conference and IEEE Southern Power Electronics Conference, pp. 1-6, 2019.https://doi.org/10.1109/COBEP/SPEC44138.2019.9065447 DOI: https://doi.org/10.1109/COBEP/SPEC44138.2019.9065447

H. Akagi, "Classification, Terminology, and Application of the Modular Multilevel Cascade Converter (MMCC)",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 11, pp. 3119-3130, Nov.2011.https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2143431 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2143431

F. Hassan, "Hvdc-vsc: transmission technol. of the future",Alstom Grid, Tech Rep, 2011.

Siemens,3TM Vacuum Contactors, URL:https://cache.industry.siemens.com/dl/files/517/109745517/att_973846/v1/HG_11_23_3TM_EN_2019_201902051237437506.pdf.

A. Hassanpoor, L. Angquist, S. Norrga, K. Ilves,H. Nee, "Tolerance Band Modulation Methods for Modular Multilevel Converters",IEEE Trans Power Electron, vol. 30, no. 1, pp. 311-326, Jan 2015.https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2305114 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2305114

L. Angquist, A. Antonopoulos, D. Siemaszko, K. Ilves,M. Vasiladiotis, H. Nee, "Open-Loop Control of Modular Multilevel Converters Using Estimation of Stored Energy",IEEE Trans Ind Appl, vol. 47, no. 6,pp. 2516-2524, Nov 2011.https://doi.org/10.1109/TIA.2011.2168593 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2011.2168593

A. Hassanpoor, S. Norrga, A. Nami, "Loss evaluation for modular multilevel converters with different switching strategies”, in 2015 9th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia(ICPE-ECCE Asia), pp. 1558-1563, 2015. https://doi.org/10.1109/ICPE.2015.7167984 DOI: https://doi.org/10.1109/ICPE.2015.7167984

S. Lerdudomsak, S. Doki, S. Okuma, "Analysisfor Unstable Problem of PMSM Current Control System in Overmodulation Range",in IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, pp. 1-8, 2008. https://doi.org/10.1109/08IAS.2008.194 DOI: https://doi.org/10.1109/08IAS.2008.194

L. Maharjan, S. Inoue, H. Akagi, "A Transformerless Energy Storage System Based on a Cascade Multilevel PWM Converter With Star Configuration",IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 44, no. 5,pp. 1621-1630, Sept.-Oct. 2008.https://doi.org/10.1109/TIA.2008.2002180 DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2008.2002180

"IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems",IEEEStd 519-2014 (Revision of IEEE Std 519-1992), pp. 1-29, June 2014

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Published

2020-12-31

How to Cite

[1]
D. do Carmo Mendonça, A. Fagner Cupertino, H. Augusto Pereira, S. Isaac Seleme Júnior, and R. Teodorescu, “Estratégia De Tolerância A Falhas Para Um Conversor Delta-Chb Statcom Na Região De Sobremodulacão”, Eletrônica de Potência, vol. 25, no. 4, pp. 395–404, Dec. 2020.

Issue

Vol. 25 No. 4 (2020)

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Copyright (c) 2020 Revista Eletrônica de Potência

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