statcom control with robust synchronizing phase

7/25/2019 STATCOM Control With Robust Synchronizing Phase

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STATCOM control with Robust Synchronizing Phase

Locked Loop under Three Phase Power System Faults

A b s t r a c t - - T h e S T A T C O M ( s y n c h r o n o u s s t a t i c c o m p e n s a t o r )

b a s e d o n v o l t a g e s o u r c e c o n v e r t e r ( V S C ) h a s g a i n e d w i d e

a t t e n t i o n s d u e t o i t s o u t s t a n d i n g p e r f o r m a n c e a n d i s u s e d f o r

v o l t a g e r e g u l a t i o n i n t r a n s m i s s i o n a n d d i s t r i b u t i o n s y s t e m s . I t

c a n s u p p l y d y n a m i c V A R s a l l o v e r s y s t e m f a u l t s f o r v o l t a g e

s u p p o r t . T h e S T A T C O M o p e r a t i o n c a n b e a d v e r s e l y a f f e c t e d t o

v o l t a g e s o u r c e c o n v e r t e r ( V S C ) o v e r - c u r r e n t s a n d t r i p s , d u r i n g

p o w e r s y s t e m f a u l t s w h e n i t s d y n a m i c V A R s u p p o r t

f u n c t i o n a l i t y i s m o s t r e q u i r e d . T h e n o r m a l P L L ( P h a s e - l o c k e d

L o o p ) i n t h e s y s t e m , w h i c h t r a c k s p o s i t i v e s s e q u e n c e i n f o r m a t i o n

o f b u s v o l t a g e , b u t f a i l t o t r a c k n e g a t i v e - s e q u e n c e b u s v o l t a g e

d u r i n g s y s t e m f a u l t s . I n t h i s p a p e r , w e b u i l d u p a n S T A T C O M

w i t h R o b u s t P L L . R o b u s t s y n c h r o n i z i n g P L L t r a c k s e x a c t

i n f o r m a t i o n u n d e r a n y f a u l t c o n d i t i o n s T h i s c o n s t r a i n t o f

i m p l e m e n t i n g S T A T C O M w i t h r o b u s t P L L , r e s u l t s i n a v o i d i n g

o v e r - c u r r e n t s a n d t r i p s o f t h e S T A T C O M d u r i n g a n d a f t e r

s y s t e m f a u l t s , a n d e n a b l e t h a t t h e S T A T C O M t o s u p p l y r e q u i r e d

r e a c t i v e p o w e r w h e n i t i s m o s t r e q u i r e d s u p p o r t m o s t r e q u i r e d .

S i m u l a t i o n r e s u l t s a r e p r e s e n t e d f o r a 4 8 - p u l s e V S C b a s e d 1 0 0

M V A R S T A T C O M c o n n e c t e d t o a 2 - b u s p o w e r s y s t e m .

K e y w o r d s : S T A T C O M , V o l t a g e S o u r c e C o n v e r t e r ( V S C ) , P u l s e -

W i d t h M o d u l a t i o n ( P W M ) , s i n g l e l i n e t o g r o u n d f a u l t .

I . I N T R O D U C T I O N

r a n s m i s s i o n s y s t e m s a r e u n d e r g o i n g c o n t i n u o u s

c h a n g e s a n d r e s t r u c t u r i n g , t h e y a r e b e c o m i n g m o r e

h e a v i l y l o a d e d a n d a r e b e i n g o p e r a t e d i n w a y s n o t

o r i g i n a l l y e n v i s i o n e d . T h e n e e d f o r m o r e e f f i c i e n t

e l e c t r i c i t y s y s t e m s m a n a g e m e n t h a s g i v e n r i s e t o i n n o v a t i v e

t e c h n o l o g i e s i n p o w e r g e n e r a t i o n a n d t r a n s m i s s i o n , t h e w a y

t r a n s m i s s i o n s y s t e m s a r e d e v e l o p e d a n d c o n t r o l l e d t o g e t h e r

w i t h S t a t i c V A R C o m p e n s a t o r ( S V C ) a n d T h y r i s t o r

C o n t r o l l e d S e r i e s C o m p e n s a t o r ( T C S C ) i s s o m e o f t h e

c o m m o n l y u s e d F A C T S c o n t r o l l e r s . T h e d e v e l o p m e n t s i n t h e

f i e l d o f p o w e r e l e c t r o n i c s , p a r t i c u l a r l y G a t e T u r n - O f f ( G T O )

b a s e d d e v i c e s , h a v e i n t r o d u c e d a n e w f a m i l y o f v e r s a t i l e

F A C T S c o n t r o l l e r s , n a m e l y 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

( S T A T C O M ) . T h e S T A T C O M i s o n e o f t h e c u s t o m p o w e r

d e v i c e s t h a t r e c e i v e d m u c h a t t e n t i o n f o r i m p r o v i n g s y s t e m

s t a b i l i t y , w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f p o w e r e l e c t r o n i c s

t e c h n o l o g y , c u s t o m p o w e r d e v i c e s p l a y i m p o r t a n t r o l e i n

b r i n g i n g u n p r e c e d e n t e d e f f i c i e n c y i m p r o v e m e n t a n d c o s t

e f f e c t i v e n e s s i n m o d e r n e l e c t r i c a l p o w e r s y s t e m [ 1 , 2 ] . T h e

c u s t o m p o w e r i s r e l a t i v e l y n e w c o n c e p t a i m e d a t a c h i e v i n g

h i g h p o w e r q u a l i t y , o p e r a t i o n a l f l e x i b i l i t y a n d c o n t r o l l a b i l i t y

o f e l e c t r i c a l p o w e r s y s t e m s [ 3 - 5 ] . T h e p o s s i b i l i t y o f g e n e r a t i n g

o r a b s o r b i n g c o n t r o l l a b l e r e a c t i v e p o w e r w i t h v a r i o u s p o w e r

e l e c t r o n i c s w i t c h i n g c o n v e r t e r s h a s l o n g b e e n r e c o g n i z e d [ 6 -

8 ] . T h e S T A T C O M b a s e d o n v o l t a g e s o u r c e c o n v e r t e r ( V S C )

i s u s e d f o r v o l t a g e r e g u l a t i o n i n t r a n s m i s s i o n a n d d i s t r i b u t i o n

s y s t e m s [ 8 - 1 2 ] . T h e S T A T C O M c a n r a p i d l y s u p p l y d y n a m i c

V A R s r e q u i r e d d u r i n g s y s t e m f a u l t s f o r v o l t a g e s u p p o r t . S t r i c t

r e q u i r e m e n t s o f S T A T C O M l o s s e s a n d t o t a l s y s t e m l o s s

p e n a l t y p r e c l u d e t h e u s e o f P W M ( P u l s e - W i d t h M o d u l a t i o n )

f o r V S C b a s e d S T A T C O M a p p l i c a t i o n s . T h i s c o n s t r a i n t o f

i m p l e m e n t i n g V S C w i t h o u t P W M f u n c t i o n a l i t y , r e s u l t s i n

o v e r - c u r r e n t s a n d t r i p s o f t h e S T A T C O M d u r i n g s y s t e m

f a u l t s , w h e n i t s V A R s u p p o r t f u n c t i o n a l i t y i s m o s t r e q u i r e d . I n

t h i s p a p e r , w e p r o p o s e a n d d e v e l o p a n e m e r g e n c y P W M

s t r a t e g y t o p r e v e n t o v e r - c u r r e n t s ( a n d t r i p s ) i n t h e V S C d u r i n g

a n d a f t e r s i n g l e l i n e t o g r o u n d s y s t e m f a u l t s , a n d t o e n s u r e t h a t

t h e S T A T C O M s u p p l i e s r e q u i r e d r e a c t i v e p o w e r . S i m u l a t i o n

r e s u l t s a r e p r e s e n t e d f o r a 4 8 - p u l s e V S C b a s e d 1 0 0 M V A R

S T A T C O M c o n n e c t e d t o a 2 - b u s p o w e r s y s t e m . S i m u l a t i o n

r e s u l t s v a l i d a t e t h e R o b u s t s y n c h r o n i z i n g P L L p e r f o r m a n c e

u n d e r c r i t i c a l c o n d i t i o n s a n d i t a i d s [ 1 4 ] t o p r e v e n t V S C o v e r -

c u r r e n t s a n d t o s u p p l y r e q u i r e d r e a c t i v e p o w e r u n d e r s y s t e m

f a u l t s [ 9 - 1 3 ] .

I I . V S C

S

B

A S I C

S

T R U C T U R E

F i g . 1 s h o w s t h e 4 8 - p u l s e v o l t a g e s o u r c e c o n v e r t e r t o p o l o g y

a n d 4 8 p u l s e o u t p u t w a v e f o r m c o n s t r u c t i o n f o r S T A T C O M

a p p l i c a t i o n . T h e V S C c o n s i s t s o f f o u r ( I n v 1 I n v 4 ) 3 - l e v e l

N e u t r a l P o i n t C l a m p e d ( N P C ) c o n v e r t e r s w h i c h a r e c o n n e c t e d

i n s e r i e s b y f o u r ( T 1 - T 4 ) t r a n s f o r m e r c o u p l i n g . T h e p r i m a r y

s i d e o f t h e t r a n s f o r m e r i s c o n n e c t e d i n s e r i e s a s s h o w n i n F i g .

1 . D u e t o t h e s t r i c t l o s s p e n a l t y f o r S T A T C O M a p p l i c a t i o n ,

e a c h V S C i s o p e r a t e d a t f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y s w i t c h i n g o r

i n s q u a r e - w a v e m o d e . T h e g a t i n g o f V S C s i s P h a s e - s h i f t e d s o

a s t o y i e l d 4 8 p u l s e o u t p u t v o l t a g e w a v e f o r m w i t h s e r i e s

t r a n s f o r m e r c o u p l i n g o n t h e p r i m a r y s i d e . T h e p e r f o r m a n c e o f

t h e S T A T C O M u n d e r s y s t e m f a u l t s ( s u c h a s s i n g l e l i n e -

g r o u n d f a u l t s ) r e s u l t s i n c o n v e r t e r o v e r - C u r r e n t s a n d

S T A T C O M t r i p s . F i g . 2 s h o w s t h e p h a s e B b u s v o l t a g e d i p s

f o r 4 c y c l e s d u e t o a s i n g l e l i n e - g r o u n d f a u l t i n 1 3 8 k V

s y s t e m s . I t i s s e e n t h a t t h e p r i m a r y S T A T C O M c u r r e n t s a r e

l a r g e a n d t h e S T A T C O M t r i p s . E x a m i n i n g f u r t h e r , i t i s s e e n

t h a t t h e V S C s s t o p - g a t i n g d u r i n g t h e f a u l t d u e t o o v e r

c u r r e n t . s t r a t e g y a n d e n a b l e t h e S T A T C O M t o r e m a i n o n l i n e ,

b u t c a n n o t p r e v e n t t h e S T A T C O M t r i p r e c o v e r i n g f r o m t h e

f a u l t . I t i s r e a l i z e d t h a t t h e V A R s u p p o r t f u n c t i o n a l i t y o f t h e

S T A T C O M i s r e q u i r e d t h e m o s t d u r i n g a n d a f t e r a s y s t e m

T

P r o f . A . K . P a n d a

D e p t . o f E l e c t r i c a l E n g g . ,

N . I . T R o u r k e l a

a k p a n d a . e e @ g m a i l . c o m

Y e l l a s i r i . S u r e s h



y s u r e s h . e e @ g m a i l . c o m

M i k k i l i . S u r e s h



m s u r e s h . e e @ g m a i l . c o m

2010 International Conference on Industrial Electronics, Control and Robotics

978-1-4244-8546-8/10/$26.00 2010 IEEE 48


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f a u l t . T h i s p r o b l e m i s t h e m o t i v a t i o n f o r t h i s w o r k . F i g . 3

s h o w s t h e 2 - b u s 5 0 0 k V p o w e r s y s t e m s i m u l a t i o n m o d e l w i t h

4 8 p u l s e s i m p l e m e n t e d V S C b a s e d 1 0 0 M V A R S T A T C O M .

F i g . 4 s h o w s t h e i m p l e m e n t e d a n g l e c o n t r o l l e d ( ) S T A T C O M

c o n t r o l l e r . A n i n n e r f e e d b a c k l o o p i s u s e d t o r e g u l a t e t h e

S T A T C O M i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e r c u r r e n t I q s h u n t ,

r e m i n d i n g t h a t t h i s c o n t r o l i s a c h i e v e d o n l y b y c o n t r o l l i n g ,

F i g . 1 T h e 4 8 p u l s e v o l t a g e s o u r c e c o n v e r t e r c i r c u i t f o r 1 0 0 M V A

S T A T C O M a p p l i c a t i o n .

F i g . 2 P e r f o r m a n c e s u n d e r r e m o t e s i n g l e l i n e t o g r o u n d f a u l t r e s u l t i n g i n p h a s e

b b u s v o l t a g e s a g .

o f t h e i n v e r t e r o u t p u t v o l t a g e r e l a t i v e t o t h e t r a n s m i s s i o n l i n e

v o l t a g e , t h i s t e c h n i q u e m a k e s i t p o s s i b l e t o m a i n t a i n a c o n s t a n t

m a x i m u m r a t i o b e t w e e n t h e i n v e r t e r O u t p u t v o l t a g e a n d t h e

V S C d c - c a p a c i t o r . T h e r e f e r e n c e v a l u e f o r t h e r e a c t i v e c u r r e n t

c o n t r o l l o o p i s g e n e r a t e d b y a n o u t e r l o o p r e s p o n s i b l e f o r t h e

s y s t e m v o l t a g e c o n t r o l ( V b u s _ r e f ) . T h i s o u t e r c o n t r o l l o o p i s

s i m i l a r t o t h a t u s e d i n c o n v e n t i o n a l s t a t i c V A R c o m p e n s a t o r s ,

a n d i n c l u d e s a n a d j u s t a b l e s l o p e / d r o o p s e t t i n g t h a t d e f i n e s t h e

v o l t a g e e r r o r a t f u l l S T A T C O N r e a c t i v e o u t p u t . T h e r e i s a n

u n a v o i d a b l e d e l a y i n t h e f e e d b a c k o f t h e v o l t a g e r e g u l a t i n g

l o o p b e c a u s e o f t h e t i m e t a k e n t o c o m p u t e t h e p o s i t i v e

s e q u e n c e f u n d a m e n t a l b u s v o l t a g e ( V b u s ) . T h u s a l t h o u g h a n

e x t r e m e l y f a s t r e s p o n s e ( t y p i c a l l y c y c l e ) c a n b e a c h i e v e d

f o r t h e r e a c t i v e c u r r e n t c o n t r o l l e r ( I q . S h u n t ) , t h e r e s p o n s e

t i m e o f t h e v o l t a g e r e g u l a t o r i s t y p i c a l l y a b o u t h a l f C y c l e o f

t h e l i n e v o l t a g e .

III. C O N T R O L S T R A T E G I E S

T h e p r o p o s e d s o l u t i o n i s b a s e d o n e m e r g e n c y P W M

m o d e , w h e r e t h e V S C s w i l l i n d i v i d u a l l y d e t e c t a n d s e l f

i m p l e m e n t P W M s w i t c h i n g t o c o n t r o l t h e i r p h a s e ( V S C p o l e

a n d d e v i c e ) c u r r e n t s w i t h i n p r e d e t e r m i n e d l i m i t s . E a c h V S C

w i l l e n s u r e t h a t i t s o v e r - c u r r e n t l i m i t i s n o t r e a c h e d d u r i n g a n d

a f t e r a s y s t e m f a u l t , a n d u n d e r a n y b u s v o l t a g e c o n d i t i o n . I n

g e n e r a l P L L ( p h a s e d l o c k e d l o o p ) s y n c h r o n i z e s S T A T C O M

v o l t a g e s w i t h b u s v o l t a g e B u t S T A T C O M w i t h n o r m a l P L L

c a n t r a c k o n l y p o s i t i v e s e q u e n c e v o l t a g e s i n t h e s y s t e m u n d e r

a n y s y s t e m f a u l t s , w h e r e a s i t f a i l s t o t r a c k t h e n e g a t i v e

s e q u e n c e c o m p o n e n t w h i c h i s m a j o r u n d e r s y s t e m f a u l t s .

N o r m a l P L L c o n t r o l a r c h i t e c t u r e s h o w n i n F i g . 4 , p h a s e a n g l e

c a n b e d e t e r m i n e d f r o m r o t a t i n g r e f e r e n c e f r a m e w h i c h i s

o b t a i n e d f r o m V

d

a n d V

q

, w h e r e a s R o b u s t s y n c h r o n i z i n g P L L

i s b a s e d o n s t a t i o n a r y r e f e r e n c e f r a m e a n d p h a s e a n g l e c a n

b e d e t e r m i n e d f r o m V

a n d V

a n d i t i s s h o w n i n F i g . 4 ( b ) .

T h i s c o n t r o l s t r a t e g y e n a b l e s t h e S T A T C O M t o r e m a i n o n l i n e

a n d r e c o v e r i n g f r o m a s y s t e m f a u l t , w h e n i t s V A R s u p p o r t i s

r e q u i r e d t h e m o s t .

I V . S

T A T C O M

S

I M U L A T I O N

W

I T H

S

Y S T E M

F

A U L T S

T h e s y s t e m s i m u l a t i o n d i a g r a m s 1 0 0 M V A R S T A T C O M

i s i m p l e m e n t e d w i t h a 4 8 - p u l s e V S C a n d i s c o n n e c t e d t o a 2 -

b u s 5 0 0 k V b u s a s s h o w n i n F i g . 1 a n d F i g 2 . A g e n e r a l f a u l t e d

g e n e r a t o r i s i m p l e m e n t e d a t b u s 2 , w h i c h r e s u l t s i n a v o l t a g e

d i p a t t h e S T A T C O M b u s . A t t e n t i o n i s f o c u s e d o n s i n g l e l i n e -

g r o u n d f a u l t s . I n t h i s s e c t i o n S T A T C O M p e r f o r m a n c e w i t h

a n d w i t h o u t R o b u s t S y n c h r o n i z i n g P L L i s d i s c u s s e d . T o

m a k e s u r e t h e P L L r e c i t a t i o n u n d e r f a u l t , w e i n c l u d e a l l

p o s i t i v e , n e g a t i v e a n d z e r o s e q u e n c e c o m p o n e n t s . O n c o n t r a s t ,

u n d e r n o r m a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s t h e r e i s n o n e g a t i v e

s e q u e n c e c o m p o n e n t w h i c h i s n o t i c e a b l y i n F i g 8 ( a ) . o n c e

f a u l t t a k e p l a c e i n t h e s y s t e m t h e r e i s , c o l l a p s e i n b u s v o l t a g e s ,

t h e r e b y P L L b e g i n t r a c k i n g i n f o r m a t i o n o f a l l s e q u e n c e

q u a n t i t i e s . I n n o r m a l P L L , i t i s i n s e n s i t i v e t o i n v e r t e r n e g a t i v e

s e q u e n c e c u r r e n t s a n d v o l t a g e s , w h i c h c a n b e o b s e r v e d a s o f

F i g . 8 ( b ) t h e r e f o r e S T A T C O M , i s u n a b l e t o r e a c t a n d f a i l t o

i n j e c t t h e n e g a t i v e s e q u e n c e c o m p o n e n t t o t h e s y s t e m u n d e r

f a u l t s t i p u l a t i o n . W h e r e a s R o b u s t P L L r e s p o n s e g i v e n a w a y i n

F i g . 8 ( c ) i s q u i t e g o o d u n d e r f a u l t s i t u a t i o n a n d i t i s a b l e t o

c o n f e r t h e e x a c t i n f o r m a t i o n u n d e r n o r m a l a n d f a u l t

c o n d i t i o n s . F i g s 9 , 1 0 , 1 1 i l l u s t r a t e t h e S T A T C O M

f u n c t i o n a l i t y u n d e r n o r m a l a n d f a u l t s t i p u l a t i o n s . A l l t h e

r e s u l t s a r e s h o w n i n p . u a n d u n d e r n o r m a l c o n d i t i o n s c u r r e n t s

a r e m a i n t a i n e d a t 1 p . u . A t o n s e t o f t h e f a u l t w i t h n o r m a l P L L ,

S T A T C O M c u r r e n t s s e e m t o h i g h e r t h a n t h e r a t e d v a l u e , i . e .

a r o u n d 6 p . u , r e s u l t s i n S T A T C O M t r i p p i n g . B u t w i t h R o b u s t

s y n c h r o n i z i n g P L L , a s i t s u p p l y p o s i t i v e a n d n e g a t i v e

s e q u e n c e i n f o r m a t i o n s a t t h e o n s e t o f f a u l t , S T A T C O M a b l e

t o o p e r a t e m o r e e f f e c t i v e l y a n d c u r r e n t s a r e m a i n t a i n e d a t

A

B

C

A

B

C

+

+

+

N

+

G

A

B

C

a

b

c

A

B

C

A

B

C

+

+

+

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+

G

A

B

C

a

b

c

A

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B

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+

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+

G

A

B

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a

b

c

A

B

C

A

B

C

+

+

+

N

+

G

A

B

C

a

b

c

0 . 1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 . 1 7 0 . 1 8 0 . 1 9 0 . 2

- 0 . 5

x 1 0

0 . 1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 . 1 7 0 . 1 8 0 . 1 9 0 . 2

x 1 0

0 . 1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 . 1 7 0 .1 8 0 . 1 9 0 . 2

x 1 0

0 . 1 4 0 .1 5 0 . 1 6 0 . 1 7 0 . 1 8 0 . 1 9 0 . 2

- 1 . 5

- 0 . 5

x 1 0

0 .1 05 0 . 1 1 0 .1 1 5 0 . 1 2 0 .1 2 5 0 .1 3 0 .1 3 5 0 .1 4 0 .1 45 0 .1 5 0 .1 55

- 0 . 8

- 0 . 6

- 0 . 4

- 0 . 2

0 . 1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 . 1 7 0 . 1 8 0 . 1 9 0 . 2

- 1 . 5

- 0 . 5

x 1 0

1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 .1 7 0 . 1 8 0 .1 9 0 . 2

- 1 . 5

- 0 . 5

x 1 0

1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 .1 7 0 . 1 8 0 .1 9 0 . 2

- 1 . 5

- 0 . 5

x 1 0

0 . 1 4 0 . 1 5 0 . 1 6 0 . 1 7 0 . 1 8 0 . 1 9 0 . 2

x 1 0

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5

- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 . 5

1

1 . 5

T i m e

P

h

a

s

e

a

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5

- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 5

1

1 5

T i m e

P

h

a

s

e

b

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5

- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 5

1

1 5

T i m e

P

h

a

s

e

c

49


3/5

n o m i n a l v a l u e s i . e a r o u n d 3 p . u . S i m u l a t i o n r e s u l t s v a l i d a t e

t h a t i n s t a n t a n e o u s P L L b e q u e a t h w i t h b e t t e r r e s p o n s e u n d e r

f a u l t c o n d i t i o n s . T o a n a l y z e s y s t e m p e r f o r m a n c e a n d r e a c t i v e

p o w e r s u p p o r t u n d e r c r i t i c a l c o n d i t i o n s w i t h h e l p o f R o b u s t

P L L , w e h a d i n c l u d e d p r i m a r y c u r r e n t s ( I

p r i m

) , p r i m a r y

v o l t a g e s ( V

a

) , a n d i n v e r t e r v o l t a g e s ( V

s e c

) u n d e r d i f f e r e n t f a u l t

s t i p u l a t i o n s . F i g . 8 s h o w s S T A T C O M r e s p o n s e u n d e r n o r m a l

c o n d i t i o n s , a l l p r i m a r y c u r r e n t s s e c o n d a r y v o l t a g e s , p r i m a r y

v o l t a g e s a r e m a r i n a t e d a t 1 p . u a n d S T A T C O M o p e r a t e s i n

c a p a c i t i v e m o d e , a b l e t o d e l i v e r + 1 0 0 M v a r . A t o n s e t o f

s i n g l e l i n e t o g r o u n d f a u l t s w i t h r o b u s t P L L , P h a s e c u r r e n t s

a r e m a i n t a i n e d a t n o m i n a l v a l u e s w h i c h m a k e s S T A T C O M t o

o p e r a t e u n d e r f a u l t c o n d i t i o n s w i t h o u t t r i p p i n g a n d p r i m a r y

v o l t a g e s a n d s e c o n d a r y v o l t a g e s a r e q u i t e g o o d . R e a c t i v e

p o w e r s u p p o r t a t t h i s c o n d i t i o n w e r e s h o w n i n F i g . 8 ( b ) ,

d u r i n g f a u l t i t o p e r a t e s i n i n d u c t i v e m o d e i t a b l e t o s u p p l y

n e c e s s a r y V a r s . F r o m F i g . 9 ( a ) g i v e s a w a y S T A T C O M

o p e r a t i o n u n d e r L L L - G g r o u n d f a u l t s a t t h e s e c o n d i t i o n s t o o ,

S T A T C O M m a i n t a i n s i t s o v e r c u r r e n t l i m i t a n d c o n t i n u e s t o

o p e r a t e w i t h o u t t r i p p i n g a n d r e a c t i v e s u p p o r t t o s y s t e m i s

o u t s t a n d i n g . T h u s S T A T C O M g a i n s a d d i t i o n a l c a p a b i l i t y b y

a v o i d i n g o v e r c u r r e n t s a n d t r i p s w i t h R o b u s t S y n c h r o n i z i n g

P L L .

F i g . 3 s h o w s t h e 2 - b u s 5 0 0 k V p o w e r s y s t e m s i m u l a t i o n m o d e l w i t h 4 8 p u l s e s

i m p l e m e n t e d V S C b a s e d 1 0 0 M V A r S T A T C O M

F i g . 3 S T A T C O M c o n t r o l b l o c k d i a g r a m

F i g . 4 a ) n o r m a l P L L s t r a t a g y .

F i g . 4 b ) R o b u e s t P L L s t r a t a g y .

F i g . 5 V S C p h a s e s v o l t a g e a n d c u r r e n t u n d e r n o r m a l c o n d i t i o n .

F i g . 6 . V S C p h a s e v o l t a g e a n d c u r r e n t s u n d e r f a u l t c o n d i t i o n s w i t h N o r m a l

P L L u n d e r & E m e r g e n c y P W M .

F i g . 7 . V S C p h a s e v o l t a g e a n d c u r r e n t s u n d e r f a u l t c o n d i t i o n s w i t h R o b u s t

P L L & E m e r g e n c y P W M o p e r a t i o n .

C 1 . 2 7 F=

C 0 . 4 8 F= C 1 . 1 5 F=

C 1 . 2 7 F=

b u s

V

i n v

I

+

+

-

-

+

2 2

d q

V V+

p

K K

S

+

p

K

K

S

+

q

I

d

I

*

q

I

+

*

V

d

V

q

V

d

V

q

V

d

I

q

I

a b c / d q

S i n / C o s

G e n e r a t o r

d

V

1

t a n

q

V

a

V

b

V

c

V

e

V C O

d

V

q

V

d

I

q

I

a b c /

/ d q

C a s c a d e d

L P F

S i n / C o s

G e n e r a t o r

d

V

1

t a n

q

V

V

V

a

V

b

V

c

V

e

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5

- 2

- 1

0

1

2

T i m e

C

o

n

t

r

o

l

l

e

r

C

u

r

r

e

n

t

s

(

p

u

)

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

- 6

- 4

- 2

0

2

4

6

T i m e

C

o

n

t

r

o

l

l

e

r

C

u

r

r

e

n

t

s

(

p

.

u

)

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

- 4

- 2

0

2

4

T i m e

C

o

n

t

r

o

l

l

e

r

C

u

r

r

e

n

t

s

(

p

.

u

)


50


4/5

F i g . 8 T h e p e r f o r m a n c e o f P L L u n d e r a ) n o r m a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s , b ) s i n g l e l i n e t o g r o u n d f a u l t w i t h n o r m a l P L L , c ) s i n g l e l i n e t o g r o u n d f a u l t w i t h R o b u s t

s y n c h r o n i z i n g P L L .

F i g . 9 S T A T C O M o p e r a t i o n i n v o l t a g e r e g u l a t i o n u n d e r n o r m a l c o n d i t o n s

( a ) B u s v o l t a g e , S T A T C O M p r i m a r y 4 8 p u l s e v o l t a g e , S T A T C O M p r i m a r y

i n j e c t e d c u r r e n t s ( p u ) . ( b ) S T A T C O M r e c t i c t i v e p o w e r Q i n M V A r ( c ) T h e d c

c a p a c i t o r v o l t a g e

F i g . 1 0 S T A T C O M w i h n o r m a l P L L ( a ) B u s v o l t a g e , S T A T C O M p r i m a r y 4 8

p u l s e v o l t a g e , S T A T C O M p r i m a r y i n j e c t e d c u r r e n t s ( p u ) . ( b ) S T A T C O M

r e c t i c t i v e p o w e r Q i n M V A r .

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 5

1

1 5

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 5

1

1 5

2

2 5

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 5

1

1 5

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 2

0 4

0 6

0 8

1

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 . 0 5

0 1

0 . 1 5

0 2

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 5

1

1 5

2

2 5

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 5

1

1 5

2

2 5

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 2

0 4

0 6

0 8

1

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 2

0 4

0 6

0 8

1

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 . 0 5

0 1

0 . 1 5

0 2

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 5

1

1 5

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 5

1

1 5

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 2

0 4

0 6

0 8

1

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 . 0 5

0 1

0 . 1 5

0 2

0 . 2 5

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1

0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5 0 . 4 0 . 4 5 0 . 5

0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5

- 1 . 5

- 1

- 0 . 5

0

0 . 5

1

1 . 5

T i m e

V

a

s

e

c

,

V

a

,

I

a

p

r

i

m

(

p

u

)

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5

- 1 5 0

- 1 0 0

- 5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

T i m e

Q

(

M

v

a

r

)

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5

- 3

- 2

- 1

0

1

2

3

T i m e

V

a

s

e

c

,

V

a

,

I

a

p

r

i

m

(

p

u

)

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5

- 1 5 0

- 1 0 0

- 5 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

T i m e

Q

(

M

v

a

r

)

51


5/5

F i g . 1 1 S T A T C O M o p e r a t i o n w i t h R o b u s t P L L ( a ) B u s v o l t a g e , S T A T C O M

p r i m a r y 4 8 p u l s e v o l t a g e , S T A T C O M p r i m a r y i n j e c t e d c u r r e n t s ( p u ) . ( b )

S T A T C O M r e c t i c t i v e p o w e r Q i n M V A r .

V . C

O N C L U S I O N S

T h i s p a p e r d e s c r i b e s p e r f o r m a n c e o f S T A T C O M w i t h

R o b u s t P L L w h e n s y s t e m s u b j e c t e d t o l i n e t o g r o u n d f a u l t s . I t

i s o b s e r v e d t h a t R o b u s t s y n c h r o n i z i n g P L L c a n t r a c k b o t h

p o s i t i v e a n d n e g a t i v e s e q u e n c e c o m p o n e n t a n d t h e i r b y

S T A T C O M a b l e t o i n j e c t n e g a t i v e s e q u e n c e v o l t a g e s w h i c h

a r e e s s e n t i a l u n d e r c r i t i c a l c o n d i t i o n s . O p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c

o f c o m p e n s a t o r d u r i n g s t e a d y s t a t e , c a p a c i t i v e a n d i n d u c t i v e

m o d e s o f o p e r a t i o n h a s b e e n r e a s o n a b l y a c c e p t a b l e a n d

c o m p e t i t i v e f o r

d e s i g n o f a n e c o n o m i c a l d y n a m i c s t a t i c

c o m p e n s a t o r a n d w i t h t h e h e l p o f R o b u s t s y n c h r o n i z i n g P L L ,

S T A T C O M g a i n s a d d i t i o n a l c a p a b i l i t i e s t o p r e v e n t o v e r -

c u r r e n t s a n d t r i p s . B u s v o l t a g e s , p r i m a r y i n j e c t e d c u r r e n t s o f

S T A T C O M , u n d e r n o r m a l a n d f a u l t e d c o n d i t i o n s r e v e a l e d

d e t a i l . T h i s e n a b l e s o n l i n e O p e r a t i o n o f t h e S T A T C O M a n d

s u p p l i e s r e q u i r e d r e a c t i v e P o w e r w h e n i t i s m o s t r e q u i r e d .

S i m u l a t i o n r e s u l t s a r e p r e s e n t e d f o r a 4 8 - p u l s e V S C b a s e d

1 0 0 M V A R S T A T C O M c o n n e c t e d t o a 2 - b u s p o w e r s y s t e m .

T h u s t h e p e r f o r m a n c e o f S T A T C O M i m p r o v e s a l o t a n d

e n a b l e s t o a v e r t V S C o v e r - c u r r e n t s a n d s u p p l y s r e q u i r e d

R e a c t i v e p o w e r u n d e r l i n e t o g r o u n d s y s t e m f a u l t s .

R E F E R E N C E S

[ 1 ] N . G . H i n g o r a n i , " P o w e r E l e c t r o n i c s i n E l e c t r i c U t i l i t i e s : R o l e O f P o w e r

E l e c t r o n i c s I n F u t u r e P o w e r S y s t e m s , " P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E , v o l . 7 6 ,

p p . 4 8 1 , 1 9 8 8 .

[ 2 ] N . G . H i n g o r a n i a n d L . G y u g y 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 d

T 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 : I E E E p r e s s , 2 0 0 0 .

[ 3 ] L . G y u g y i , " R e a c t i v e P o w e r G e n e r a t i o n A n d C o n t r o l B y T h y r i s t o r

C i r c u i t s , " I E E E T r a n s . I n d . A p p l . , v o l . I a - 1 5 , n o . 5 , p p . 5 2 1 - 5 3 2 ,

S e p t . / o c t . , 1 9 7 9

[ 4 ] L . G y u g y i , " D y n a m i c C o m p e n s a t i o n o f A c T r a n s m i s s i o n L i n e s b y S o l i d -

S t a t e S y n c h r o n o u s V o l t a g e S o u r c e s , " I E E E , P E S S u m m e r P o w e r

M e e t i n g , P a p e r N o . 9 3 S M 4 3 4 - 1 P W R D , 1 9 9 3 .

[ 5 ] C . W . E d w a r d s e t a l . , " A d v a n c e d S t a t i c V a r G e n e r a t o r E m p l o y i n g G T O

T h y r i s t o r s , " I E E E , P E S w i n t e r P o w e r M e e t i n g , P a p e r N o . 3 8 w m 1 0 9 - 1 ,

1 9 8 8 .

[ 6 ] C . D . S c h a u d e r a n d H . M e h t a , " V e c t o r A n a l y s i s a n d C o n t r o l o f A d v a n c e d

S t a t i c V a r C o m p e n s a t o r s , " I E E F i f t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n A C a n d

D C T r a n s m i s s i o n , C o n f e r e n c e P u b l i c a t i o n N o . 3 4 5 , p p 2 6 6 - 2 7 2 , 1 9 9 1

[ 7 ] L . G y u g y i , " D y n a m i c C o m p e n s a t i o n o f A c T r a n s m i s s i o n L i n e s b y S o l i d -

S t a t e S y n c h r o n o u s V o l t a g e S o u r c e s , " I E E E , P E S S u m m e r P o w e r

M e e t i n g , P a p e r N o . 9 3 s m 4 3 4 - 1 p w r d , 1 9 9 3 .

[ 8 ] C . S c h a u d e r e t a l . T V A S T A T C O N p r o j e c t : d e s i g n , i n s t a l l a t i o n a n d

C o m m i s s i o n i n g , C I G R E p a p e r 1 4 - 1 0 6 , 1 9 9 6 .

[ 9 ] E . L a r s e n e t a l . " B e n e f i t s o f G T O - B a s e d C o m p e n s a t i o n S y s t e m s f o r

E l e c t r i c U t i l i t y A p p l i c a t i o n s , " I E E E , P E S s u m m e r p o w e r m e e t i n g , P a p e r

n o . 9 1 s m 3 9 7 - 0 T W R D , 1 9 9 1 .

[ 1 0 ] J . B . E k a n a y a k e a n d M . J e n k i n s , " A T h r e e - L e v e l A d v a n c e d S t a t i c V a r

C o m p e n s a t o r , " P o w e r D e l i v e r y , I E E E T r a n s a c t i o n s o n , v o l . 1 1 , p p . 5 4 0 ,

1 9 9 6 .

[ 1 1 ] " E v a l u a t i o n o f A d v a n c e d S t a t i c V a r G e n e r a t o r s , " E P R I R e p o r t N o . E l -

3 3 9 7 M A Y 1 9 8 4 .

[ 1 2 ] C . S c h a u d e r e t a l . , " D e v e l o p m e n t o f A 1 0 0 M v a r S t a t i c C o n d e n s e r F o r

V o l t a g e C o n t r o l O f T r a n s m i s s i o n S y s t e m s , " I E E E , P E S S u m m e r P o w e r

M e e t i n g , P a p e r N o . 9 4 s m 4 7 9 - 6 p w r d , 1 9 9 4

[ 1 3 ] N . G . H i n g o r a n i e t a l . " S t a t i c C o n d e n s e r - P r o t o t y p e A p p l i c a t i o n , " C I G R E

P a p e r , N e w Z e a l a n d , 1 9 9 3 .

[ 1 4 ] S . B h a t t a c h a r y a , Z . X i , A P r a c t i c a l O p e r a t i o n S t r a t e g y f o r S T A T C O M

U n d e r S i n g l e L i n e T o G r o u n d F a u l t s I n P o w e r S y s t e m , I E E E P S C E

c o n f . , N o v . 2 0 0 6 , A t l a n t a .

0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5

- 3

- 2

- 1

0

1

2

3

T i m e

V

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V

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0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5

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- 1 0 0

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1 0 0

1 5 0

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statcom control with robust synchronizing phase

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