STATCOM fault detection using inverter measurements

Abstract

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia mahdollisuutta diagnosoida erilaisia STATCOM-moduulien vikoja, käyttämällä vikadiagnostiikkaan moduulissa valmiiksi olevia mittauksia. STATCOM-järjestelmiä on kahden tyyppisiä: sähkön siirtoverkkoon kytkettävät järjestelmät sekä teollisuuskohteissa käytetyt järjestelmät. Tämä työ keskittyy teollisuuden STATCOM järjestelmiin. Teollisuuden STATCOM-järjestelmiä käytetään teollisissa sovelluksissa kompensoimaan raskaiden kuormien loistehoa, epäsymmetriaa sekä harmonisia yliaaltoja. Teollisuuden kuormat, kuten valokaariuuni ja kaivosnosturit, ovat yleensä epälineaarisia, mikä tarkoittaa että ne tuottavat harmonisia yliaaltoja, ja kuluttavat loistehoa. Tämän takia STATCOM-järjestelmien käyttäminen näiden kuormien kanssa on välttämätöntä jotta voidaan taata sähköjärjestelmän häiriövapaa toiminta. Tämän lisäksi, STATCOM-järjestelmän käyttäminen auttaa säästäämään kustannuksia. STATCOM-järjestelmään kuuluvien laitteiden viat voivat kuitenkin aiheuttaa vakavia fyysisia vaurioita, ja joissakin tapauksissa jopa sammuttaa koko järjestelmän. Siksi on erittäin tärkeää löytää keinoja estäämään vikoja ennen tapahtumista vaurioiden välttämiseksi ja kustannusten säästämiseksi. Tässä työssä tutkittiin kolmea todennäköisimmin vikaantuvaa STATCOM-moduulin komponenttia. Tarkoituksena oli pohtia mahdollisuuksia valvoa niiden kuntoa ja estäää vikoja, tai selvittää kuinka kyseisiä komponentteja voidaan suojata vikojen aikana. Aiempien tutkimusten ja kokemusten perusteella päätettiin, mitkä komponentteja työssä tultaisiin tutkimaan. Tutkitut STATCOM-moduulin komponentit olivat DC-kondensaattorit, AC-kondensaattorit sekä IGBT-kytkimet. Edellä mainituissa komponenteissa mahdollisesti esiintyvien vikojen käsittelyn jälkeen, käydään läpi MATLAB / Simulink ympäristöön rakennettu simulaatiomallin. Tämä simulaatiomalli koostuu 1,33 MVA STATCOM-moduulista ja valokaariuuni-kuormasta. Simulointimallissa kaikki järjestelmän osat ovat yksinkertaisuuden vuoksi mallinnettu 960 V jännitetasossa. Tämän simulaation tavoitteena oli luoda vikoja tai kunnon heikentymistä AC-kondensaattoreihin, DC-kondensaattoreihin ja IGBT:hin, sekä tarkastella niiden seurauksia, jotta voitaisiin selvittää onko vikaantumisia mahdollista ennakoida. Ensin DC-kondensaattorin kapasitanssin pienentymistä testattiin simulointimallissa. Siinä todettiin, että kondensaattorin heikkeneminen lisää DC-välipiirin jännitteen ja virran vaihtokomponenttia. Tämän perusteella käytettiin FFT-analyysiä analysoimaan DC-välipiirin jännitteen ja virran harmoninen spektri komponenttien oletusarvoilla, joita verrattiin vähennetyllä kapasitanssilla saatuihin tuloksiin. DC-kondensaattorien tutkimisen jälkeen tutkittiin vastaavaa ilmiötä AC-kondensaattoreilla. Lopuksi tutkittiin IGBT-kytkimien oikosulkusuojaukseen liittyviä ilmiöitä. Tässä työssä ehdotettiin uusia menetelmiä AC- ja DC-kondensaattorien heikkenemisen havaitsemiseksi. DC-kondensaattorin heikkeneminen havaitseminen voidaan suorittaa sen kapasitanssia tarkkailemalla. Kapasitanssi voidaan laskea jatkuvasti hyödyntämällä käytettävissä olevia DC-linkin jännitteen ja invertterin virran mittauksia. LCL-suodatimen AC-kondensaattorin kapasitanssi voidaan laskea käyttämällä vaihtojänniteverkon jännitettä ja kondensaattorin virtaa. Lisäksi ehdotettiin myös suojaustapa IGBT:n desaturaatiotilanteeseen. Käyttämällä tätä menetelmää on mahdollista suojata IGBT:t vaurioilta erilaisissa ylivirtatilanteissa. Perusperiaatteena on tarkkailla jatkuvasti IGBTn kollektorin-emitterin jännitettä ja katkaista IGBT:n virta heti, kun tämä jännite ylittää asetetun raja-arvon. Tämä voidaan tehdä hilaohjainpiirillä.

The purpose of this thesis was to investigate the possibility to diagnose various faults in the STATCOM module, using measurements already available in the module. There are two types of STATCOMS: utility and industrial STATCOMs. This work focuses on industrial STATCOMs. Industrial STATCOMs are used in the industrial applications to compensate reactive power, asymmetry, and harmonics of heavy loads. The industrial loads, such as electrical arc furnace and mining cranes, are generally nonlinear, meaning that they produce harmonics and consume re-active power. Therefore, using STATCOM with these loads is crucial to ensure more stable oper-ation of the electrical system. In addition, using the STATCOM will help to save costs. However, faults in the STATCOM can lead to serious physical damage and in some cases even shut down the entire system. Therefore, it is of high importance to find ways to prevent faults before hap-pening in order to avoid the damage and save the cost. In this thesis, three of the most-likely-to-fail components were studied. The purpose was to discuss the possibility to monitor their condition and prevent faults, or to find out how these com-ponents can be protected during faults. It was decided based on previous studies and experience which components to investigate. The studied STATCOM components were DC capacitors, AC capacitors and IGBTs. After a discussion of different faults that can happen in the aforementioned components, MATLAB/Simulink was used to create a simulation model. This simulated model mainly consists of 1.33 MVA STATCOM module and EAF load. In the simulation module, for simplicity, all parts of the system are modelled at 960V. The aim of this simulation was to create faults or deterioration in AC capacitors, DC capacitors and IGBTs and observe faults consequences in order to find out the possibility to detect them. Initially, DC capacitor deterioration was applied to the simulation module. It was found that the capacitor deterioration will increase the ripples in the DC-link voltage and current. Based on this, FFT analysis was used to analyse voltage and current in normal operation and compare them with different steps of deterioration. In this thesis, new methods for detecting AC and DC capacitors deterioration were proposed. The DC capacitor deterioration detection can be done based on monitoring its capacitance value. The capacitance can be calculated continuously by utilizing the available DC-link voltage and inverter input current measurements. While the LCL filter AC capacitor can be monitored using the supply voltage and capacitor current measurements. Additionally, an IGBT desaturation protection method was proposed also. By applying this method, it is possible to protect IGBTs from the damage during various over current situations. The basic principle is to continuously monitor the IGBT collector-emitter voltage and switch off the IGBT as soon as this voltage exceeds the set limit value. This can be done by the gate driver circuit.