Study of the design of a STATCOM and its control strategy for reactive power compensation

With the fast development of technology in recent years, the requirement for electricity quality is higher and higher; reliability, continuity and stable voltage are also expected. However, the increase of the reactive loads can result in voltage imbalance problems. FACTS controllers are used in distribution network to improve system stability and reliability. Among them, the Static Synchronous Compensator (STATCOM) plays an important role in the reactive power compensation and, consequentially, in the voltage regulation of the network. This work focuses on a STATCOM based on a Cascade Multilevel Converter, CMC, for medium and high voltage application. Among the other multilevel converter topologies, the CMC requires the least number of components for the same number of output voltage level. Thanks to its modularity structure, the CMC reaches high voltage output values, so it can be connected directly to the grid without any transformer; further, the switching frequency applied is lower than 1kHz, reducing so the switching losses. The STATCOM under study is connected to a 10kV grid and its power rating is equal to 6Mvar. Based on these values the design principles and the parameter evaluation are made. With a level number equal to 25, the nominal DC-link voltages is rated 850V and the IGBT can be chosen with rated voltage equal to 1.2kV. The DC capacitors and the filter inductor represent the passive components of the STATCOM. The 25-level converter presents too many variables to deal with, so a simpler model is required. In order to apply the classical control design method, the Small-Signal model of the STATCOM is derived in dq reference frame. The control structure applied to the STATCOM is the Current Mode Control: the slow outer loop deals with the DC voltage regulation while the inner loops concern the faster current control. The reference reactive current component comes from the detection of the load current. By applying the Bode criterion, the parameters of the controllers are evaluated. Due to the imbalance among DC capacitor voltages in the CMC, additional controls are introduced: cluster control, which applies a zero-sequence voltage component, and an individual DC voltage control. Once the control strategy is designed, the disturbance rejection of the controllers is analysed. The control strategy is validated by computer simulation in PSCAD environment, where the operative mode of the STATCOM is first capacitive and then inductive. The results show the good performance and good flexibility of the proposed system: the STATCOM shows fast dynamic response, the DC-link voltages in the clusters are all balanced and equalized around their set-point value and, thanks to the reactive power injected or absorbed by the STATCOM, the PCC root-mean-square voltage equals its rated value, 10kV.

Con il rapido sviluppo e l’inserimento di nuovi impianti produttivi da fonti di energia rinnovabile, la stabilità della rete e l’ottimizzazione della potenza trasmessa sono diventati fattori di estrema importanza. I controllori FACTS (Flexible AC Transmission System) sono ampiamente utilizzati per migliorare l’affidabilità e la stabilità del sistema di trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. Tra essi, lo STATCOM (Static Synchronous Compensator) è utilizzato per la compensazione di potenza reattiva e, di conseguenza, per il controllo della tensione in rete. Obiettivo della tesi è quello di descrivere il funzionamento dello STATCOM in media e alta tensione, che vede l’utilizzo dal convertitore multilivello in cascata (CMC). Confrontando tale struttura con le altre tipologie di convertitori multilivello, il convertitore in cascata richiede il minor numero di componenti per lo stesso numero di livelli della tensione di uscita: in questo modo può essere connesso direttamente a reti di media tensione senza l’impiego di trasformatori. Grazie alla sua struttura, la frequenza di commutazione può essere ridotta (<1kHz), così da diminuire le perdite ad essa associate. Il compensatore in esame è connesso ad una rete di tensione nominale pari a 10kV e la sua potenza è 6Mvar. Sulla base di questi valori è possibile effettuare il dimensionamento dei componenti del convertitore multilivello. Con un livello di tensione di fase pari a 25, la tensione nominale delle sorgenti DC è uguale a 850 V e degli IGBT uguale a 1.2kV. Il capacitore e l’induttore costituiscono gli elementi passivi dello STATCOM. Il compensatore presenta numerose variabili ed uno studio diretto su di esse può essere difficile. E’ quindi necessario introdurre un modello più semplice che ne conservi le caratteristiche: il modello del piccolo segnale nelle coordinate dq fornisce tali proprietà. La struttura di controllo applicata è detta a cascata: essa presenta un anello di controllo esterno per la regolazione della tensione DC, e due anelli di controllo interni per la regolazione della corrente. Il controllo esterno fornisce il segnale di riferimento della corrente del canale attivo, mentre il riferimento del canale reattivo è dato dalla corrente reattiva dal carico. Applicando il criterio di Bode per la stabilità, i controllori vengono dimensionati. A causa dello squilibrio presente tra le numerose sorgenti DC in cascata, ulteriori strutture di controllo sono necessarie: il controllo dei cluster, che utilizza una componente omopolare di tensione, ed il controllo individuale, per garantire l’equilibrio delle tensioni DC. In seguito la risposta al disturbo della struttura di controllo derivata è analizzata. La validità della strategia di controllo è verificata attraverso il programma di simulazione PSCAD: il compensatore si comporta prima come capacitore, erogando potenza reattiva e, successivamente, come induttore, assorbendo potenza reattiva, anche in presenza di disturbi.