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Unité de recherche
OFEN
Numéro de projet
SI/502069
Titre du projet
COSTAM – Comparative performance assessment of STATCOM technologies based on modular multilevel converters architectures
Titre du projet anglais
COSTAM – Comparative performance assessment of STATCOM technologies based on modular multilevel converters architectures

Textes relatifs à ce projet

 AllemandFrançaisItalienAnglais
Description succincte
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Rapport final
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CatégorieTexte
Description succincte
(Anglais)

Aim of this project is the comparative performance assessment of STAtcom technologies based on Modular multilevel converters architectures. The comparative performance assessment will be focused on the future Swiss energy system scenarios with massive integration of RES at distribution grid level. Under these scenario utilities and customers may be confronted with voltage sags, poor power factor and voltage instability. Dynamic reactive power control of STATCOM can solve these issues. A theoretical development based on study cases proposed by SIL (Lausanne) and an experimental part on the ReIne laboratory (HEIG-VD) are foreseen. The main outcomes will be the technology assessment and the knowledge of the impact of the increasing number of renewable energies production on the flow of reactive energy. This project is in the frame of the “semi-active” DSO proposed by Swissgrid.

Description succincte
(Français)

Le but de ce projet est l'évaluation comparative des performances des technologies STATCOM basées sur des architectures de convertisseurs modulaires multi-niveaux. L'évaluation comparative des performances sera axée sur les futurs scénarios du système énergétique suisse avec une intégration massive des DER au niveau du réseau de distribution. Dans ce scénario, les services publics et les clients peuvent être confrontés à des creux de tension, à des faibles facteurs de puissance età des instabilités de tension. Le contrôle dynamique de la puissance réactive du STATCOM peut résoudre ces problèmes. Un développement théorique basé sur des cas d'étude proposés par SIL (Lausanne) et une partie expérimentale dans le laboratoire ReIne (HEIG-VD) sont prévues. Les principaux résultats seront l'évaluation de la technologie et la connaissance de l'impact du nombre croissant de systèmes de production d'énergies renouvelables sur le flux d'énergie réactive. Ce projet s'inscritdans le cadre du GRD "semi-actif" proposé par Swissgrid.

Rapport final
(Anglais)

The fundamental question to answer is: “What is the optimal type, architecture and control strategy of STATCOM technologies to increase the hosting capacity of renewable energy sources in distribution networks and to provide flexibility from the distribution network to the transmission network?” This question is addressed from both theoretical and practical perspective. Indeed, the analyses are based on the literature and at the same time on a specific case study of the benefits of integrating a STATCOM into SIL existing Medium Voltage (MV) network. A summary of the activities carried out to date to answer this question is provided below.

A literature review of a multitude of STATCOM structures was carried out. After evaluating and comparing the different structures, the Modular Multilevel Cascaded Converter (MMCC) was selected. These structures can operate over a wide voltage range due to their modularity, they are robust to network disturbances and are capable of operating even during a network imbalance or fault. Specifically, in this type of converter, the Single Star Bridge-Cells (SSBC) topologies, also known as Cascaded H-Bridge (CHB) in star connection, Single Delta Bridge-Cells (SDBC), also known as CHB in delta connection, and Double Star Chopper-Cells (DSCC), also known as Modular Multilevel Converter (MMC), offer these advantages without being the most complex and expensive topologies of this category.

An important criterion for the use of a STATCOM in the electricity network is its ability to operate in an unbalanced network or in the event of a network fault (such as a short-circuit). When a voltage imbalance or short-circuit occurs, the power per phase in the STATCOM converter is unbalanced. The difficulty with these 3 topologies is the absence of a common DC bus, which prevents an automatic exchange of energy between phases. As a result, an additional control strategy must be used to manage this power imbalance per phase. After an in-depth analysis of the control strategies, it emerged that the SDBC topology could not meet all the project criteria. On the other hand, detailed simulations carried out on the SSBC topology with the additional Zero Sequence Voltage Control (ZSVC) control strategy demonstrate that it operates permanently under all types of voltage imbalance, even during short circuits. Finally, detailed simulations and experimental tests of the prototype of the DSCC topology under real conditions with energy control proposed in this project have demonstrated that this topology can continue to operate in all possible network states on a permanent basis except for the two phases line-to-earth short-circuit. In this case, the DSCC can only continue to operate for few seconds before excessive internal unbalancing occurs. Given that the duration of a short circuit is generally no more than 5s, this topology with this control could still meet all the criteria. Other types of control could improve this operating state. This is one of the project's development points.

An analysis of STATCOM technologies available on the market today has been carried out. It covers 11 different manufacturers and describes the products available on the market. In addition, the products are compared by topology and by manufacturer to provide a more detailed analysis of the market. In particular, it shows that modular converters (SDBC and SSBC) are becoming increasingly popular, especially for high-power applications. Finally, a list of STATCOMs that could potentially be implemented in the SIL network studied is proposed.

From a power grid point of view, part of the work also involved studying the improvements brought about by STATCOMs on the operation of SIL's MV power grid by massively integrating new Renewable Energy Sources (RES). To this end, a model of a part of the MV network with loads and PV generation was created using data supplied by SIL and MeteoSwiss. On the basis of annual simulations, the effects of different STATCOM locations and control modes under steady-state conditions were compared. The results show that the STATCOM power required for optimal operation can be relatively high, up to 5 Mvar. In this case, STATCOMs should be located close to the HV/MV feeder substation, or at well-interconnected nodes. If the power available to the STATCOM is limited (due to space or financial constraints), the best location is a well-interconnected node, in the "middle" of a MV feeder. The efficiency of exporting reactive power from the distribution system to the transmission system was analysed for two relatively simple cases. The results show that the complex interconnections between the two distribution and transmission systems in Western Switzerland limit the potential of such a concept for a MV STATCOM. Better results would be achieved by placing the STATCOM in High-Voltage (HV) or Extra-High-Holtage (EHV).

Thanks to an in-depth analysis of the MV network supplied by SIL, it was possible to create this network on a reduced scale in the HEIG-VD Intelligent Network reconfigurable laboratory (ReIne), using a load and line aggregation principle explained in this report. This reduced-scale network was used to test the DSCC prototype (developed by HEIG-VD) operating in STATCOM mode under real conditions in different scenarios. Three scenarios were carried out:

  • underloaded network
  • highly loaded network
  • network with high production based on the forecasted PV installation according to the 2050+ swiss energy perspectives

As the ReIne laboratory can measure currents, voltages and power at any location, it has been possible to assess the benefits of STATCOM on the network depending on the scenario. The results show that, whatever the scenario, STATCOM is capable of reducing the voltage deviation from the nominal voltage. It should be noted that STATCOM is most profitable when the network is highly loaded. On the other hand, it is least profitable under conditions of high production.

The final part of the project involved sharing and discussing the main results of the COSTAM project with Swiss DSOs and Swissgrid. The first step was to carry out a survey of reactive power management in distribution networks. The results of this survey were used to prepare the organisation and content of a workshop. The second stage was to hold a workshop to share the main findings of the COSTAM project and the results of the survey, and also to discuss the various issues relating mainly to reactive power in the distribution network. Seven DSOs and Swissgrid took part in this workshop, which gave them a better understanding of the current technologies available for reactive power compensation and the points of view of each party on the subject.

Documents annexés
Rapport final
(Français)

La question fondamentale à résoudre est la suivante : « Quels sont le type, l’architecture et la stratégie de contrôle optimaux des technologies STATCOM pour augmenter la capacité d’accueil des sources d’énergie renouvelable dans les réseaux de distribution ainsi que pour fournir une flexibilité du réseau de distribution vers le réseau de transport ? ». Cette question est abordée à la fois avec une approche théorique et une approche pratique. En effet, les analyses se basent sur la littérature et en même temps sur un cas d’étude précis du bénéfice d’intégration d’un STATCOM dans le réseau moyenne tension (MT) existant de SIL. Un résumé des activités réalisées jusqu’à présent pour répondre à cette question est fourni ci-dessous.

L’analyse de la littérature concernant une multitude de structures de STATCOM a été effectué. Après évaluation et comparaison des différentes structures, les convertisseurs de type Modular Multilevel Cascaded Converter (MMCC) ont été sélectionné. En effet, ces structures permettent de travailler dans une large plage de tension en raison de leur modularité, elles présentent une bonne robustesse aux perturbations du réseau et sont capables de fonctionner même pendant un déséquilibre ou un défaut du réseau. Plus précisément dans ce type de convertisseur, les topologies Single Star Bridge-Cells (SSBC) également appelée Cascaded H-Bridge (CHB) en connexion étoile, Single Delta Bridge-Cells (SDBC) également appelée CHB en connexion triangle et Double Star Chopper-Cells (DSCC) également appelée Modular Multilevel Converter (MMC) présentent ces avantages sans être les topologies les plus complexes et les plus coûteuses de cette catégorie.

Un des critères importants pour l’utilisation d’un STATCOM dans le réseau électrique est sa capacité à fonctionner dans un réseau déséquilibré ou en cas de défaut du réseau (notamment un court-circuit). Lorsqu’un déséquilibre de tension ou un court-circuit intervient, la puissance par phase dans le convertisseur STATCOM est déséquilibrée. La difficulté avec ces 3 topologies est l’absence d’un bus DC commun qui empêche un échange automatique des énergies entre les phases. De ce fait, il faut utiliser une stratégie de contrôle supplémentaire afin de gérer ce déséquilibre de puissance par phase. Après une analyse approfondie des stratégies de contrôle, il en ressort que la topologie SDBC ne peut pas répondre à tous les critères du projet. En revanche, les simulations détaillées réalisées sur la topologie SSBC avec la stratégie de contrôle supplémentaire Zero Sequence Voltage Control (ZSVC) démontrent son fonctionnement de manière permanente dans tout type de déséquilibre de tension même durant des courts-circuits. Finalement, les simulations détaillées et les tests du prototype de la topologie DSCC en condition réelle avec contrôle des énergies proposé dans ce projet ont démontré que cette topologie peut continuer de fonctionner dans tous les états possibles du réseau de manière permanente sauf le court-circuit de 2 phases vers la terre. Dans ce cas-ci, le DSCC ne peut continuer de fonctionner que pendant quelques secondes avant un déséquilibrage interne trop important. Etant donné la durée d’un court-circuit d’au maximum 5s de manière générale, cette topologie avec ce contrôle pourrait quand même satisfaire tous les critères. D’autres types de contrôle pourraient améliorer cet état de fonctionnement. Cela est un des points d’évolution du projet.

Une analyse des technologies de STATCOM disponibles à ce jour sur le marché a été effectuée. Elle traite de 11 fabricants différents et décrit les produits disponibles sur le marché. De plus, les produits sont comparés selon leur topologie et selon les fabricants pour analyser plus en détails le marché. Il en ressort notamment que les convertisseurs modulaires (SDBC et SSBC) sont de plus en plus utilisés notamment pour les applications à haute puissance. Pour finir, une liste des STATCOMs potentiellement implantable dans le réseau des SIL étudié est proposée.

Du point de vue réseau électrique, une partie du travail a aussi consisté à étudier les améliorations apportées par le STATCOM sur le fonctionnement du réseau électrique MT des SIL en intégrant massivement de nouvelles sources d’énergie renouvelable (RES). Pour ce faire, un modèle d’une partie du réseau MT avec charges et production PV a été réalisé avec les données fournies par SIL et MétéoSuisse. Sur la base de simulations annuelles, les effets des différents emplacements et modes de réglage du STATCOM en régime permanent ont été comparés. Les résultats montrent que la puissance de STATCOM requise pour un fonctionnement optimal peut être relativement élevée, jusqu’à 5 Mvar. Dans ce cas, il est préférable de placer les STATCOM à proximité de la sous-station de départ HT/MT ou à des nœuds bien interconnectés. Si la puissance disponible au STATCOM est limitée (en raison de contraintes d’espace ou financières), le meilleur emplacement est un nœud bien interconnecté, au « milieu » d’un feeder MT. L’efficacité d’exportation de la puissance réactive depuis le système de distribution vers le système de transport a été analysée pour deux cas de figures relativement simples. Les résultats démontrent que les interconnexions complexes entre les deux systèmes de distribution et transport de Suisse occidentale limitent le potentiel d’un tel concept pour un STATCOM placé en MT. De meilleurs résultats seraient obtenus en plaçant le STATCOM en haute tension ou très haute tension.

Grâce à l’analyse approfondie du réseau MT fourni par les SIL, il a été possible de recréer ce réseau à échelle réduite dans le laboratoire reconfigurable des Réseaux Intelligents (ReIne) de la HEIG-VD via un principe d’agrégation des charges et des lignes expliqué dans ce rapport. Ce réseau à échelle réduite a permis de tester le prototype DSCC (développé par la HEIG-VD) fonctionnant en mode STATCOM en condition réelle dans différents scénarios. Trois scénarios ont été réalisés :

  • réseau faiblement chargé
  • réseau fortement chargé
  • réseau avec forte production basée sur la projection d’installation de PV selon les perspectives énergétiques suisse 2050+

Le laboratoire ReIne permettant de mesurer les courants, tensions et puissances à n’importe quel endroit, cela a permis d’évaluer les bénéfices du STATCOM sur le réseau selon le scénario. Il en ressort que, quel que soit le scenario envisagé, le STATCOM est capable de réduire la déviation de tension par rapport à la tension nominale. Il est à noter que le STATCOM est le plus profitable lorsque le réseau est fortement chargé. Il est en revanche le moins profitable dans des conditions de forte production.

La dernière partie du projet consistait à partager et à discuter les principaux résultats du projet COSTAM avec des GRD suisses et Swissgrid. La première étape a consisté à réaliser une enquête sur la gestion de la puissance réactive dans les réseaux de distribution. Les résultats de cette enquête ont permis de préparer l'organisation et le contenu d’un workshop. La deuxième étape était la tenue du workshop permettant de partager les principaux résultats du projet COSTAM, les résultats de l'enquête et discuter des différents thèmes liés aux questions de puissance réactive dans le réseau de distribution principalement. Sept GRD ainsi que Swissgrid ont participé à ce workshop qui leur a permis de mieux comprendre les technologies actuelles disponibles pour la compensation de puissance réactive et les points de vue de chacun sur le sujet.