A Combined Multipuls Multilevel Voltage Source Inverter Configuration for STATCOM Applications

8/6/2019 A Combined Multipuls Multilevel Voltage Source Inverter Configuration for STATCOM Applications

1/5


2/5

: 2 1 3 0 k V 3 k V

x 9 ~E 1

3OkfV1 0 0 M I h V

F i g . 1 . S c h e m a t i c d i a g r a m o f STATCOM.F i g . 3 . D i od e c l a m p e d 3 - l e v e l i n v e r t e r .

III. COMBINED MULTIPULSE -M U L IL E VE L I N VE R T ERT h e p r o p o s e d c o m b i n e d m u l t i p u l s e m u l t i l e v e l i n v e r t e rc o n f i g u r a t i o n s h o w n i n F i g . 2 c o n s i s t s o f f o u r 3 + 3 - l e v e li n v e r t e r s a n d f o u r P S T s . I n t h i s c o n f i g u r a t i o n t h e d i o d ec l a m p e d m u l t i l e v e l i n v e r t e r s h o w n i n F i g . 3 i s u s e d as a t h r e el e v e l i n v e r t e r . I n t h i s c i r c u i t , t h e d c - b u s v o l t a g e i s s p l i t i n t o

t h r e e l e v e l s b y two s e r i e s c o n n e c te d b u l k c a p a c i t o r s , C 1 a n dC 2 . T h e o u t p u t v o l t a g e van h a s t h r e e s t a t e s : V d , / 2 , 0 a n d - V d , / 2when t h e s w i t c h p a i r s S I & S 2 , S 2 & S 1 ' a n d S I ' & S 2 ' ares w i t c h e d ON r e s p e c t i v e l y . T h e v o l t a g e s g e n e r a t e d b y e a c h o ft h e t h r e e l e v e l i n v e r t e r s are a p p l i e d t o t h e s e c o n d a r y w i n d i n g so f f o u r d i f f e r e n t P S T s . T h e p r i m a r y w i n d i n g s o f t h e P S T s arec o n n e c t e d i n s e r i e s a n d t h e proper p u l s e p a t t e r n as s h o w n i nT a b l e 1 i s m a i n t a i n e d so t h a t t h e f u n d a m e n t a l c o m p o n e n t s o ft h e i n d i v i d u a l 3 - l e v e l i n v e r t e r s are a d d e d i n p h a s e on t h ep r i m a r y s i d e . T h i s c o n f i g u r a t i o n p r o d u c e s a l m os t a nears i n u s o i d a l o u t p u t v o l t a g e w i t h a t o t a l h a r m o n i c d i s t o r t i o n o fa b o u t 3 . 8 1 0 % as d e p i c t e d i n F i g . 4 .+ 7 . 5 A 33 - 7 5 8 +

B-

\ / - 2 2 . 5 A 3 3 - 7 . 5 +-n ] 2 B = b 3 < ] C + f

+ - 7 . 5 A 33 + 7 . 5 " +-n o B =,,


3/5

i n s t a n t a n e o u s a n g l e 0 o f t h e t h r e e - p h a s e l i n e v o l t a g e V a b es e n s e d a t b u s B 2 o f F i g . 1 . T h i s i n s t a n t a n e o u s a n g l e i s u s e d t op r o d u c e t h e a n g l e o f t h e PWM o u t p u t s i g n a l , 0 S h g i v e n i ne q u a t i o n ( 2 ) .a t l j K p s j V ( D C - V D C ) ( 1 )

( 2 )O S h 0 - G i 1R e a c t i v e p o w e r c o n t r o l p a r t s u p p l i e s r e a c t i v e p o w e r t o t h ep o w e r s y s t e m t o c o n t r o l t h e s h u n t c o n n e c t e d b us v o l t a g e , V .T h i s p a r t p r o d u c e s t h e m o d u l a t i o n i n d e x , m s h a s g i v e n i ne q u a t i o n ( 3 ) t o t h e PWM m o d u l a t o r .m S h m + A m ( 3 )w h e r eAm= j K p + (Vabc V a b c )

T h e s e 0 S h a n d m s h a r e u s e d b y t h e PWM m o d u l a t o r f o rg e n e r a t i n g t h e s i n u s o i d a l r e f e r e n c e a n d t h i s s i g n a l i sc o m p a r e d w i t h t h e t r i a n g u l a r c a r r i e r i n o r d e r t o p r o d u c ep u l s e s t o t h e i n v e r t e r s w i t c h e s . U s i n g O S h a n d m s h , t h ef u n d a m e n t a l c o m p o n e n t o f PWM i n v e r t e r o u t p u t v o l t a g e i so b t a i n e d a s d e s c r i b e d i n e q u a t i o n i n ( 4 )v s i n e = m S h s i n ( 2 2 1 f t - O S h ) ( 4 )

m

T o I i i v e i t e rN i t c h e sF i g . 5 . C l o s e d l o o p c o n t r o l s c h e m e o f STATCOM.

V . R E S U L T S A N D D I S C U S S I O NT h e c o m p l e t e d i g i t a l s i m u l a t i o n i s p e r f o r m e d i n t h eMATLAB/Simulink e n v i r o n m e n t a n d t h e r e s u l t s arep r e s e n t e d . T h e r e s u l t s s h o w n b e l o w d e m o n s t r a t e t h e d y n a m i cp e r f o r m a n c e o f t h e STATCOM i n i m p r o v i n g t h e v o l t a g ep r o f i l e a n d t h e power f a c t o r o f t h e b u s . T h e l o a d i n t h e s y s t e mi s w i t h t h e r a t i n g s o f P = 3 0 0 M W, Q L = 1 5 0 MVARc o n n e c t e d a t l o a d b u s B 3 t h r o u g h t h e c i r c u i t b r e a k e r C B 1 . T h e

t r a n s m i s s i o n l i n e c u r r e n t i s l a g g i n g t h e v o l t a g e b y 6 0 asd e p i c t e d i n F i g . 6 r e s u l t i n g i n a power f a c t o r o f 0 . 5 l a g a n d t h eb u s v o l t a g e m a g n i t u d e i s a t 0 . 9 8 2 p.u as t h e STATCOM i si n a c t i v e .

. . T .

F i g . 6 . T r a n s m i s s i o n l i n e v o l t a g e a n d c u r r e n t .A t t = 0 . 4 s , t h e s t a t i c s y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r i sc o n n e c t e d t o t h e p o w e r s y s t e m n e t w o r k b y s w i t c h i n g o n t h ec i r c u i t b r e a k e r C B 2 . S i n c e t h e r e e x i s t s a l a g g i n g p o w e r f a c t o ri n t h e l i n e , t h e STAT COM i s e x p e c t e d t o o p e r a t e i n t h ec a p a c i t i v e m o d e . H e n c e t h e S T A T C O M c o n t r o l l e r i n c r e a s e st h e m o d ul a ti o n i n d e x f r o m 0 . 7 3 8 t o 0 . 7 7 8 a s s h o w n i n F i g . 8i n o r d e r t o i n c r e a s e t h e STAT COM v o l t a g e m a g n i t u d e h i g h e rt h a n t h e b u s v o l t a g e m a g n i t u d e w h i c h e n a b l e s t h e i n j e c t i o n o f

0 . 2 4 p . u o f r e a c t i v e p o w e r i n t o t h e a c p o w e r s y s t e m a s s h o w ni n F i g . 7 . A l s o i t d r a w s a v e r y s m a l l a m o u n t o f r e a l p o w e rf r o m t h e n e t w o r k t o c o m p e n s a t e f o r t h e l o s s e s i n t h e i n v e r t e rs w i t c h e s a n d c o u p l i n g t r a n s f o r m e r a n d t o m a i n t a i n t h e d c l i n kv o l t a g e c o n s t a n t . T h e c o r r e s p o n d i n g d - q c o m p o n e n t s o f t h eS T A T C O M c u r r e n t a r e d e s c r i b e d i n F i g . 9 . T h e d c l i n kv o l t a g e i s m a i n t a i n e d c o n s t a n t a t t h e d e s i r e d s e t r e f e r e n c ev a l u e a s s h o w n i n F i g . 1 0 . I t i s o b s e r v e d f r o m t h e F i g . 1 1 t h a tt h e a c t e r m i n a l v o l t a g e s e t t l e s t o 1 p . u a n d t h e p h a s ed i f f e r e n c e b e t w e e n t h e t r a n s m i s s i o n l i n e c u r r e n t a n d t h ev o l t a g e i s r e d u c e d t o 1 4 . 5 a s d e s c r i b e d i n F i g . 6 , t h e r e b yS T A T C O M i m p r o v e s t h e p o w e r f a c t o r o f t h e l i n e f r o m 0 . 5 l a gt o 0 . 9 6 8 l a g . T h u s t h e S T A T C O M m a i n t a i n s b e t t e r p o w e rf a c t o r o v e r t h e t r a n s m i s s i o n l i n e a n d m a i n t a i n s u n i f o r mv o l t a g e p r o f i l e .

U . 3i 0 . 2 5

CD 0 . 20 . 1 5

N 0 . 10cD 0 . 0 5CD O~n3c

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 8 ; 0 . 7 0 . 8T i m e ( s e c )F i g . 7 . R e a c t i v e power i n j e c t e d b y t h e STAT CO M i n t h e c a p a c i t i v e m o d e .

0 . 8 10 . 8 L . s . - . s . . . . . . . . . .

> 0 79 .. .....0 . o 7 8 .. ..

0 . 7 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0 . 7 4 ............... . . . , . . . , . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . .0 . 7 3 I 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . ; 7 0 . 8T i r n e ( s e c )F i g . 8 . V a r i a t i o n o f m o d u l a t i o n i n d e x .

Q r e f

TT *a b c e


4/5

- 3x 1 0

4 . . . .

- 0 . 1

- 0 . 4 .....0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8T i m e ( s e c )

F i g . 9 . D i r e c t a n d q u a d r a t u r e c o m p o n e n t s o f ST A T COM c u r r e n t .

I I. E n

0 3 . CCD 3 (4n0 3 . CV 3

3 . E

4x l On1i . U 4 I 1

) 3 9 5; . 0 3 4) 3 8 5 e r. 3 8 0) 3 7 5 .

D 3 6 E 5 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 .T i m e ( s e c )

0 . 2 5- , 0 . 2

0 . 1 50 0 . 1

* . 0 . 0 5n I

0 0 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 8T i m e ( s e c )F i g . 1 2 . R e a c t i v e p o w e r i n j e c t e d b y t h e ST A T COM i n t h e c a p a c i t i v e modew i t h f a u l t .0 . 8 1

0 . 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .0 7 3 - ' ' ' ' ' ' ' ' 1 ' '

R 0 7 7 - =0 . 7 60 . 750 . 74

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 4 0 E 5 E I B 0 . 7 0 . 8T i m e ( s e c )F i g . 1 3 . V a r i a t i o n o f m o d u l a t i o n i n d e x w i th f a u l t .

0 . 6 0

- o . o o

- O . 0 1 01 . 8

F i g . 1 0 . DC s i d e v o l t a g e o f t h e i n v e r t e r .

S

.I0 L

h E

0 . 9 9 50 . 9 9

0 . 9 8 5

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8T i m e ( s e c )F i g . 1 1 . T r a n s m i s s i o n l i n e v o l t a g e .

A l s o t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e i s v e r i f i e d when a t h r e ep h a s e f a u l t i s a p p l i e d a t t = 0 . 6 s a n d c l e a r e d a t t = 0 . 6 5 s . T h er e a c t i v e power i n j e c t e d b y t h e STATCOM s e t t l e s t o t h ed e s i r e d v a lu e w i t h i n a s m a l l i n t e r v a l o f t i m e a f t e r t h e f a u l t i sc l e a r e d as s h o w n i n F i g . 1 2 . S i m i l a r l y t h e m o d u l a t i o n i n d e x ,d i r e c t a n d q u a d r a t u r e c o m p o n e n t s o f STATCOM c u r r e n t a n dc o r r e s p o n d i n g l y t h e b u s v o l t a g e m a g n i t u d e s e t t l e t o t h ep r e f e r r e d v a l u e as d e s c r i b e d i n F i g . 1 3 - 1 5 . T h i s proves t h et r a n s i e n t s t a b i l i t y o f t h e STATCOM.

5

U . 20 . 1 . . . . . . . . - . . . . . . e ., . . . . . . . . . . . . .

: H 0 20000 5- 0 4

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 5 0 6 0 7 0 . 8T i m e ( s e c )F i g . 1 4 . D i r e c t a n d q u a d r a t u r e c o m p o n e n t s o f ST A T COM c u r r e n t w i t h f a u l t .

0 . 5 0 . 6 0 . 7T i m e ( s e c ) 0.8

1.006

1 . 0 0 5. 1 . 0 0 4

) 1 . 0 0 3X 1 . 0 0 2

1 . 0 0 1

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4F i g . 1 5 . T r a n s m i s s i o n l i n e v o l t a g e w i t h f a u l t .

Qn f \

.5I__

... . . : . . : . . . .;.. .

1 . 1l l : .-d

...........................

-

1

. i--


5/5

V I . CONCLUSIONT h e d y n a m i c p e r f o r m a n c e o f STAT COM w i t h t h e p r o p o s e dc o m b i n e d m u l t i p u l s e m u l t i l e v e l i n v e r t e r h a s b e e n t e s t e d b ys i m u l a t i o n a s s u m i n g t h a t i t i s c o n n e c t e d w i t h t h e 230kVt r a n s m i s s i o n l i n e o f SMIB p o w e r s y s t e m . T h i s new i n v e r t e rc o n f i g u r a t i o n p r o d u c e s a l m o s t t h r e e p h a s e s i n u s o i d a l v o l t a g ea n d m a i n t a i n s T H D w e l l b e l o w 4 0 0 . B e f o r e c o m p e n s a t i o n f o ra n y l o a d v a r i a t i o n s , t h e r e w a s a d i p i n t h e s u p p l y v o l t a g e a n d

t h e s u p p l y c u r r e n t s w e r e l a g g i n g . B u t w h e n S T A T C O M i sc o n n e c t e d t o t h e p o w e r s y s t e m a u n i f o r m v o l t a g e p r o f i l e i sm a i n t a i n e d a n d t h e t h r e e p h a s e s u p p l y c u r r e n t s a r e a l m o s t i np h as e w i t h t h e s u p p l y v o l t a g e . H e n c e i t i s c l e a r l y r e v e a l e df r o m t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s t h a t t h e S T A T C O M p l a y s a v i t a lr o l e i n i m p r o v i n g t h e p o w e r f a c t o r a n d r e g u l a t i n g t h e b u sv o l t a g e .V I I . REFERENCES

[ 1 ] L . G y u g y i a n d N . G . H i n g o r a n i , " U n d e r s t a n d i n g F A C T S : C o n c e p t s a n dT e c h n o l o g y o f F l e x i b l e A C T r a n s m i s s i o n S y s t e m s " , IEEE p r e s s , NewY o r k , 1 9 9 9 .[ 2 ] Y . H . S on g, A . J o h n s , " F l e x i b l e A C t r a n s m i s s i o n s y s t e m s ( F A C T S ) " ,I E E P o w e r a n d E n e r g y s e r i e s 3 0 , L o n d o n , U K , 1 9 9 9 .[ 3 ] H. K . A l . H a d i d i a n d R . W . M e n z i e s , " I n v e s t i g a t i o n o f a C a s c a d e M u l t il e v e l I n v e r t e r a s a n STATCOM", 0 - 7 8 0 3 - 7 9 8 9 - 6 / 0 3 , IEEE 2 0 0 3 .[ 4 ] B h i m S i n g h a n d R . S a h a , "A N ew 2 4 - P u l s e ST A T COM f o r v o l t a g eR e g u l a t i o n " , P r o c . o f PEDES 2 0 0 6 , 8 B - 0 3 .[ 5 ] R i c a r d o D a v a l o s M . , J u a n M . R a m i r e z a n d O . R u b e n T a p i a , " T h r e e -p h a s e m u l t i - p u l s e c o n v e r t e r S t a t C o m a n a l y s i s " , E l e c t r i c a l P o w e r a n dE n e r g y S y s t e m s v o l . 2 7 , p p . 3 9 - 5 1 , 2 0 0 5 .[ 6 ] M . S . E l - M o u r s i a n d A . M . S h a r a f , " N o v e l r e a c t i v e p o w e r c o n t r o l l e r s f o rST A T COM a n d S S S C " , E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s R e s e a r c h v o l . 7 6 , p p2 2 8 - 2 4 1 , 2 0 0 6 .[ 7 ] D o n g - J u n W o n , I l - y o p C h u n g a n d S e u n g - I l M o o n , " D e t e r m i n a t i o no f e q u i v a l e n t i m p e d a n c e s o f UPFC v o l t a g e s o u r c e m o d e l f r o m t h ed y n a m i c r e s p o n s e s o f UPFC s w i t c h i n g - l e v e l m o d e l " , E l e c t r i c P o w e ra n d E n e r g y S y s t e m s v o l . 2 5 , p p . 4 6 3 - 4 7 0 , 2 0 0 3 .

V I I I . BIOGRAPHIESB . G e e t h a l a k s h m i r e c e i v e d B a c h e l o r o fE n g i n e e r i n g i n 1 9 9 6 a n d M a s t e r o f E n g i n e e r i n g i n1 9 9 9 f r o m B h a r a t h i d a s a n U n i v e r s i t y . S h e i s w o r k i n ga s S e n i o r L e c t u r e r i n D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l a n dE l e c t r o n i c s i n P o n d i c h e r r y E n g i n e e r i n g C o l l e g e ,P o n d i c h e r r y , I n d i a . S h e h a s p u b l i s h e d p a p e r i n 3I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l s a n d p r e s e n t e d p a p e r i n 8 I E E EI n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e s . S h e i s c u r r e n t l y p u r s u i n gh e r P h . D w o r k i n p o w e r e l e c t r o n i c s a p p l i c a t i o n i np o w e r s y s t e m s . H e r a r e a s o f i n t e r e s t i n c l u d e p o w e rc o n v e r t e r s s u c h a s a c - d c - a c c o n v e r t e r s , m a t r i xc o n v e r t e r a n d p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n t e c h n i q u e s .

P . D a n a n j a y a n r e c e i v e d B a c h e l o r o f S c i e n c e f r o mU n i v e r s i t y o f M a d r a s i n 1 9 7 8 , B a c h e l o r o fT e c h n o lo g y a n d M a s t e r o f E n g i n e e r i n g t h e M a d r a sI n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , C h e n n a i a n d P h . D d e g r e ef r o m A n n a U n i v e r s i t y , C h e n n a i . He i s w o r k i n g a s aP r o f e s s o r a n d H e a d o f t h e D e p a r t m e n t o fE l e c t r o n i c s a n d C o m m u n i c a t i o n E n g i n e e r i n g ,P o n d i c h e r r y E n g i n e e r i n g C o l l e g e , P o n d i c h e r r y ,I n d i a . He h a s m o r e t h a n 5 0 p u b l i c a t i o n s i n N a t i o n a la n d I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l s . He h a s p r e s e n t e d m o r e t h a n 1 2 0 p a p e r s i n N a t i o n a la n d I n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e s . He h a s p r o d u c e d 5 P h . D c a n d i d a t e s a n d i sc u r r e n t l y g u i d i n g e i g h t P h . D s t u d e n t s . H i s a r e a s o f i n t e r e s t i n c l u d e p o w e rc o n v e r t e r s , p o w e r e l e c t r o n i c s a p p l i c a t i o n i n p o w e r s y s t e m , ATM N e t w o r k s ,W i r e l e s s C o m m u n i c a t i o n a n d S p r e a d s p e c t r u m T e c h n i q u e s .

K . D e l h i B a b u r e c e i v e d B a c h e l o r o f E n g i n e e r i n g i n 2 0 0 7 a t P o n d i c h e r r yE n g i n e e r i n g C o l l e g e , P o n d i c h e r r y U n i v e r s i t y , P o n d i c h e r r y , I n d i a . He i sw o r k i n g a s a n e x e c u t i v e e n g i n e e r i n P o w e r G r i d C o r p o r a t i o n o f I n d i a . He h a sp r e s e n t e d p a p e r i n v a r i o u s i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e s . H i s a r e a s o f i n c l u d ep o w e r c o n v e r t e r s , p o w e r e l e c t r o n i c a p p l i c a t i o n s i n p o w e r s y s t e m s a n d p o w e rs y s t e m r e s t r u c t u r i n g . A t p r e s e n t h e i s a c t i v e l y p a r t i c i p a t i n g i n t h ei m p l e m e n t a t i o n o f H V D C s y s t e m s i n I n d i a .

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