Development of a VSC-based low voltage STATCOM system

Abstract

La creciente cuota del mercado energético ocupada por las fuentes renovables está desplazando a las centrales eléctricas tradicionales y a los grandes generadores síncronos que emplean. Una de las funciones realizadas por estos generadores es corregir el factor de potencia de la red, función que ahora tendrán que realizar conversores CC-CA. Este documento resume el proceso de diseño y desarrollo de un sistema de compensador síncrono estático (STATCOM, del inglés STATic synchronous COMPensator) basado en un sistema convertidor de fuente de tensión trifásico (VSC, del inglés Voltage Source Converter) para proporcionar corrección del factor de potencia a una red, proporcionando una respuesta rápida y una inyección de armónicos mínima.\par Primero, se exponen las tecnologíaas disponibles actualmente para corregir el factor de potencia en redes eléctricas. Después, se explican las ecuaciones requeridas para el proceso de diseño. Se ha trabajado en un sistema de referencia móvil dq0, por lo que lo primero que se explica es la derivada de Park y, a través de ella se derivan las ecuaciones de tensión y potencias activa y reactiva en este sistema de referencia, las cuales serán utilizadas en los controles. Luego, se presenta el diseño de los elementos hardware y software. El sistema consiste en el convertidor de fuente de tensión con un filtro inductivo en su salida, conectado a la red de la universidad mediante un transformador trifásico. Posteriormente se detalla el proceso de diseño y el cálculo de parametros del control, el cual se lleva a cabo en el entorno de Matlab y Simulink. Se desarrollarán tres tipos de controles PI por respuesta en frecuencia: dos para controlar las dos componentes de la corriente de salida del convertidor en ejes d y q, cuyas referencias vendrán dadas por un control de tensión en el lado de continua y un control de la potencia reactiva absorbida, respectivamente. Finalmente, se discuten los resultados de las simulaciones por ordenador, en las que se observa el comportamiento deseado, y de los ensayos sobre el prototipo físico que, debido a problemas con el equipo, no llegó a funcionar.

The growing share of the energy market occupied by renewable sources is displacing traditional power plants and large synchronous generators that are employed. One of the functions performed by these generators is power factor correction within the grid, a role that will now have to be carried out by DC-AC converters. This document summarizes the design and development process of a Static Synchronous Compensator (STATCOM) system based on a three-phase Voltage Source Converter (VSC) to provide power factor correction to a grid, offering rapid response and minimal harmonic injection.

First, the currently available technologies for power factor correction in electrical grids are presented. Then, the equations required for the design process are explained. A rotating dq0 reference frame has been used, so the initial focus is on the Park transformation and through it, the derivation of voltage equations, as well as active and reactive power equations in this reference frame, which will be used in the control algorithms. Next, the design of hardware and software elements is presented. The system consists of a voltage source converter with an inductive filter at its output, connected to the university's grid through a three-phase transformer. Subsequently, the design process and control parameter calculations are detailed, executed within the Matlab and Simulink environment. Three types of frequency response PI controls will be developed: two to control the two components of the converter's output current along the d and q axes, whose references will be provided by a controller of the DC-side voltage and a control for absorbed reactive power, respectively. Finally, the results of computer simulations are discussed, showcasing the desired behavior, as well as the outcomes of tests on the physical prototype which, due to equipment issues, did not come into operation.