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Single phase STATCOM with 3kV IGCT based Step Down PWM AC Choppers


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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
128 4 Chapter 4 Single-phase STATCOM with 3.3kV IGCT based Step-Down PWM AC Choppers 4.1 Introduction The use of direct AC/AC conversion PWM AC Choppers for single-phase reactive power compensation (capacitive operation) can provide an interesting alternative to the classical STATCOM solutions based on Voltage Source Inverters. Higher reactive power compensation capabilities at given semiconductor ratings, lower semiconductor power losses and smaller compensation capacitor are the main arguments offered by the PWM AC Choppers. However, the AC Choppers' control and switching pattern generation (PWM) is directly related to the AC input signal, which requires specific solutions dealing with the non-linear behaviour of these topologies. This chapter is arranged as follows. First, the PWM AC Chopper topologies are briefly introduced to show their general characteristics. Then, the conversion structure for a 3MVAR single-phase STATCOM for the 25kV/50Hz SNCF substations based on step-down PWM AC Choppers equipped with 3.3kV IGCTs is proposed. The operation and design of a basic 1MVAR STATCOM module based on 3.3kV IGCTs and PWM AC Choppers is detailed in terms of components dimensioning, control strategy, etc. 4.2 Direct AC/AC Conversion with PWM AC Choppers Multiple converter topologies can be applied to provide AC/AC conversion. Considering the number of conversion stages, they can be classified as either Direct or Indirect AC/AC converters, [BHO-93].

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 4  Chapter 4 Single-phase STATCOM with 3.3kV IGCT based Step-Down PWM AC Choppers 4.  1 Introduction The use of direct AC/AC conversion P WCMh oApCpers for single-phase reactive power compensation (capacitive ope rcaatino np)rovide an interesting alternative to the classical STATCOM solutions based on Voltage Sovuerrct e  rIsn. Higher revaec tpiower compensation capabilities at given semiconductor lroawtienrg s ,emiconductor power losses and smaller compensation capacitor are the main sa rogfufemr e dn tby the PWM AC Choppers. However, the AC Choppers col natrnod switching pattern generationi s( PdiWreMc) tly related to the AC input signal, which requires specific  sdoleuatl i onngs with the non- libn e haraviour of these topologies. This chapter is arranged as follows. FPirWst,M  tAhCe  Chopper topologies are briefly introduced to show their general characteristicsh. eT hceo n ,v etrsion structure for a 3MVAR single-phase STATCOM for the 25kV/50Hz SNCF substations based on step-down PWM AC Choppers equipped with 3.3kV IGCTso ipso sperd. The operation andg nd oefs ia basic 1MVAR STATCOM module based on 3.3kV IGCTs and PWM pApC erCsh ois detailed in terms of components dimensioning, control strategy, etc. 4.  2 Direct AC/AC Conversion with PWM AC Choppers Multiple converter topologies can be ap p rloievidd et oAC/AC conversion. Considering the number of conversion stages, they can fbi e  d cl a s  sieither Direct or Indirect AC/AC converters[,B HO-93]. Indirect converters use ina t e r lminekdsi (DC or AC) using at least two different conversion stages, which geenqeuriarlely  trhe use of asgtoer elements. Direct converters provide a direct link betwseoeunr cteh ea nd the load without additional storage elements. Nevertheless, pafsilstievres  are always requir efdil tteor out the high frequency harmonics introduced at the input and ou t hpruotu sgihd etshe converter switching operation. Among the AC/AC direct converters, the vCeyrctleorcsoannd Matrix converters are distinguished by their ability to adjust the output frequenacgye  afrnod mv oal tspecific  inApCut voltage source. They also provide bi-directional power tranlsifteier sc, aapllaobwiing the use of active loads (e.g. motors in regeneration mode). On the other hand, the hAoCp pCer topologies, analogtoou stlhye  well known DC choppers, provide direct AC/AC conversion only betow eAeCn  stowurces characterised by the same fundamental frequeFnicgyu,r e 4-1. They can be trea t e qd uaivsalent transformers where the  128
Chapter 4  Single-phase STATCOM wiVt hI G3C.3T kbased Step-Down PWM AC Choppers  
turns ratio can be electronically m oNdeifvi e drt.heless, although they can provide instantaneously bi-directiona l trpaonwsefrer, they allow the  ptroawnesrfer flow in one direction only according to the loadurs e.n aTthe AC Choppers arem nalolry designed to guarantee the power transfer between a fixveodl tAaCg e source (e.g. they  ugtriilidt) and a passive AC load. The load voltage (i.e. its RMS value) can bde  tao dcjuosntterol the power demand, but the power exchange (either active or reactive) isn oendl yb yd etfhie nature of tshsei vpea load (resistive, capacitive or inductive). Forpl e x, awmith an AC Chopper, anc t i nvde uload will enre vbe able to operate as a capacitive load hfer oimn ptut side point of view i. s Tdhiuse to the fact that the phase of the AC volt a pgpel ied to the load cannot bee dm. oItd iifsi only defined by the input voltage and the transfer ratio of the AC Chopper.
 Figure 4-1.- Principle of AC Chopper direct AC/AC conversion
4.2.  1 Overview of PWM AC Choppers Topologies The concept of the AC Chopper is n.otLi n e  wfrequency thyristor based direct AC/AC converters are widely used in AC powera pcpolnictraotli ons such as industrial heating, lighting control, soft starting and speed controllertsi ofon r minodtuorcs, power conditioning, etc. In these applications, the load voltage is controller d  abtiyo nr eotfa the thyrrsis tfoiring angle, which generates lagging power factosir gnainfidc ant current harmontihces  satu pply side, as well as relevant current and voltamgeo nhicars at the output side. The use of the PWM pattern generation wdaesr ecdo an s  ia solution tpor oivme the input power factor and to eliminate s pceucrirfiecnt harmonics of thyristor based direct AC/AC Converters, which led to the introduct iostne po-fdown PWM AC Chopp[eCrsH, O-89][, CHO-95]. This topology is derived from the clasespi-cdalo wstn PWM DC choppehre, rew the two segment semiconductors (unidirectvi o lnt a lg e and current) have beene dr ebpyl afcour segment turn-off semiconductors (voltage and current reFviegrusribel e4)-,2 . 
  Figure 4-2.- Single-phase step-down PWM AC-chopper derived from the step-down DC-chopper The output voltage is simply adjustedn abtyi nagl ttehre two available semiconductors states inherent to this topology. During the act itvhe e pihnapsuet, voltagea pips lied to the load, and during the freewheeling phase a shorpta-ctihr ciusi tp rovided to the load cFuirgreurnet,  4-3. However, the practical application of thii s   sliolmui t ieodn  by relevant technical drawbacks. Most significant problems are due to the need sonfu b buelkr y circuits to provide safe switching conditions to the reversible semiconductors.
cot tansoref amsegatvaw tuptlov l PWM ACen, noveyclc ehTtnd tu yglin S.--3 4reguiF  031   sreppr ouoppeC Chnd ACDa WP Msa e-ehplbisv ,eatlou eg(cs reur rnterevre enirtdocude ,nidirectional) wisu seigeerht gnerppho Clopotos mecilas tcronoudment segssic claSingle-phase STTAOC Miwht3 3.VkGC IbaT d seepStwoD-WP nCA MohC oost PWMd Buck-Bepsru isA  ChCpo.--5hr TguFi 4recuB na kp-eeesahicallassof cuse tns geemees t rhem sntmeeg s 3ng ehT srotcudnociiFuger4 4--.S nigle-phase Buck a dnaugiF4 err 5-peesivcty)el  . 3 s isgntns geemonduemics   ctor-kcuB dnWP tsooBChC  AM  urspeop rofhtobyt t )epk-ucosb ack bndoots ,ubtaoi sb(ansfer rltage tr 4-4 erugiF ees(, msteys sseha-prheerot osf  dlae anphasgle- sinpphos er raseref osl eht MWPC CDtopologies use aS[IR9-]5 .hTse eupd ann von ow-dpets htiwod ,pu-C ChWM Ars woppet  oneecevP edir lhe te,ncueeq slpmoc eb nac daonectscony dietelniupht eor mdef lheg in(ft ewres nI emosahp .)eions, foapplicatr aeossn rasefytdna tupn tuptuo e agltvonncoe ar didceetneitffre betally twoweeniws ihctc gnsllewh, h icplims iehtta ,edepdnni gon the switchingt ehllwosna ttreM pad PWapted adudnocimes eht fon ioaterope af s.]I  nht[ EL-F10KWO-96],ctors, [t ,si ehcurterutsier sone esnvcoed irangitchn swnoudmeci sratcrolempcoC ilarntmellec gniXT-XT( sn operatedin PW yoctnorlldew eh cngacaporitans w )M htiocedilpunod-nwn -pods et
Chapter 4
ial rentiffet fo erucurts csha pe-glin shegiru e-4uter.sF the basi6 shows ht sid eoivaa ru saluctrerfftienneg emasheb lareerff o],e thg inme,systs-Y20[ EM pol andase y-phrof tob is helgncas ben pp aedliohppres rtcuuterrential PWM AC Cfeif-Don Nedllca-os eht ,sesac h suc. Inointal puerttun i pnt ehteectod y tlnncomrepnenatsum eb he load int f ttuar lop ,ht een
 Figure 4-7.- 3-level multi-cell differential PWM AC Chopper (step-down)
 Figure 4-8.- 3-level multi-cell non-differential PWM AC Chopper (step-down) Classical applications of PAWC MC hoppers have begehnt iling control, soft starters for induction motors, industrial heating, etc. During twh ey ep a rsst,  fneew applica tic o n s idering PWM AC Choppers in the field of poweitri ocnoi n dg such as power line icoonnerdsi,t phase shift control in transmission lines, power electronic transformmoneircs ,f ihltaerrs, series compensators, Flicker 
rustr pe. esurctehtreveNni ,sselse s theturetruc eab shtni galcng ine thtmucei-d lleffitner laiand non differenitlaP MWA  ChCposuaceb ISV eht nhae agltvoe the ydangn ec ah sotrdinaccolly micat fof ehborp melpacatociatlog inm ro eoc rFC Lsid than implicatells -iecuterrtcu3-lethe multvel non dna ereffid-ffdif  oaltienerloategw vafero.mg to the input vugiF4 ers 8- wohig Fe ur7 4-d anhoppers PWM AC Cped-wo ntnai ltsylev .pseritceper.Chopract Chait cresihtsiof r PwnDop-ChC  AWM  sreppo CATATCOM with 3.3k VGITCb sadeS etCptha 4eriS  elgnahp-S esg inllce es,enxtnois fo  ehttlumi-cell techniquea llwo socsndire. 1]-0EFllcasiBaecnis ,yMWP eht Chop AC is mper puo da etihc fwslpmodete ylic siltmucei-y  be th ChCpoepllP MWA ures, [Lr struct CA MWP nwod-pety,llnaFir peopChhCpoA  CP MWt eh famlogytopoper erestndeb  yDC .hing cell is repid nreffitnes laig Fe ur6.4-No- ehd .rT lpniceuoing ouplcitocapaoces ehtctiws dncipacag r for toltage fiinput vob  yht eborek”nass ec dsoalct ahw , hciretlNIChingwitche sat tshteri cuuts rts  iutnp ihe tto detcennoc llec 
mustors ducticonb  ydiderpvob  e tthwis erppho Cmes tnemges eerhhe desirobtain tegt arsndev loat sletcwisua abitnret ot gnihtap  gpohcnioi nretahe sof tonduemicitar refla dna oh tsoitswe af numtsb  edapaetd to the relatedrotcT .sereherofth, PWe paM ert tsum dna ).cte e,asphe-reth, sep-ahgnel( isolygtopoper chop AC fasnoc e daeu otou c llds ctatthac lsaep tethcino accountake intaterop, qusen ioihctiws(semit gnicon semors duttaoimmtut eh nfoaltite sdop- Pwn .). hTffdnerent accuracy, etcneec,sm aeuseremS  4lgnipahC retSTATCOM e-phase VkI CG Tiwht3 3.n ow-DepStd seba sreppohC CA MWPllerntroco b eahevct ,,se em noitn dent ni lheeriturat[Ve NE9-a7,][ EL-F10], [FED-02], [AEA .]30-L hguohtlape esthioaticplmit sna o ep oebd atrateium  medso tfot vele,sm  power land highevaheeb -tes spueniml ta eheerxpo lnworewop rol ed ftratmonsn de.seicneuqerf gnichitswh ig haty n at medium and R ae lpalpcitaoihas nos bet  renhgihwop l releveodul.2 Mn ofatioet dpero4 2.ey.tPWe Th  ACr foM  CA MWP sreppohCower semg cll lwstihcnies :hT engliha peeFreewh01-4  .giF  eru<0),IOUTfor -D1  d2T 0naUO>TroI  fD21-(T,emthn eewteb refsnart woni ght enereygsource IOUT, alltuo  tuprruc tnercouVIe toN he ttuv i pnegs loatdireect  thectlytcudnocinnoc sro ullceg em serppnihcec g owttiwsC T2r fos ll1-(Ta d aioget rofmreen the nal betwhctiws eht nehW ernvcoe thf  oesertcnIid . -411ase:e phhang excd anC-T2C D1r foTUOI,)0<giF  eruource IOUT, (T1CD-C2f roI UO<T 0h at pnge thr foc tuptuos tnerruducticonprovors  arfdi eeeileehw she tofe ncueflni eht gniredisnacit caplingcoup ledc lihgniwctglinphe- tof shetcur eruisaBts copper CoM  AC Chd-wo nWPsa etspeoitaludoeht fo nd tlare mhe ttgiru .F .9 - e-4 AC  PWMpersChoprugi-4 ei ,9su s AWMChC peopFr,t ehk yei sseu sed to illustrate sacahesrep nafsuishting disn beahp evitcA  :deinchitswe Th: seti yfot ehp lorat currenhe outpuollogniwt ,tf ehrgnetry hr t eeequenn se Depces.gno neid ees nhtucndcomitigar toangis gnt dna slors CD is essentai lof rht eediftini oonthf coe revn retrepoitaion icathe iof tedis enupalper dpae  btotho  tidtnetta t sah noi the switching cemT  Dmiopes dnongrihe tea dtid ridn tcesahpud euqnenoesa c  .sAtersnverl co-celitlum ni ot desopp oass oritacapoNett ahsufelu .ss are ling phaeerfeehw vi dnahe tct a, celyone rcou sgetaol vtrohs gnieb morfr oorde in ellspntuehi dit a oved. 
-circuitciparstoar pcitid ehuocenilpac ggy transfer betwapeti  nht eneresoe agltnd aceur eht neev tupnisourent Figuce, o tut ehucrrup t0>TUro ,of COI r TndT12-UTIO a>0-21D Cof0<a dnD for IOUT 1-D2C mes dellortnoc ethn he w<0UTIOr ,)t o ffhcdewstiare ors ducticona ern  oeruddnnat switching statt se tahollaot won coltrt  ae tht miasem euo eht voltput andtagelv eht  fo egatcodee th cngliup Althougre 4-12.idertce  hht eniasphcoe haxce ng edia na dluvorpgreel deionadditotc od mrfeeo  fpuut ohe toltronereht ,egatlov t
Chapter 4  Single-phase STATCOM wiVt hI G3C.3T kbased Step-Down PWM AC Choppers    Figure 4-10.- Active energy exchange phase Figure 4-11.- Freewheeling phase   Figure 4-12.- Indirect energy exchange phases During the indirect exchange phases g ebnye ratth e d switching cell dead times (all semiconductors off), the decoupling capa c ihtao r gs eadr eb y the output current source through the freewheeling dioEdqe.s ,4 -1,E q. 4-2. Inversion of the ocuutrpruetn t polarity implies that the conducting diodcehsa nge from 1- D 2C (I OUT <0) to 2 -DD 1C (I OUT <0) and vice versa. As a result, the decoupling capacitors chargienngt  cduur r ing the dead timebse  craenp resented by the absolute value of the output source current (mreocdteif)i.e rT his means t h ea tv toltage of the decoupling capacitor will be incerde absy a certain amo Δ uVn C t D  1 = Δ V CD2 on every dead time sequEeqn.c e, 4-3. This continuously charging procehses  doefc otupling capacitors can not be allowed, therefore, adaptatiotnh eo f switching pattern to avoei d etffh e csts and to guarantee the safe operation conditions osf etmhiec onductors is required. I CD1 = C D1 I  Eq. 4-1 C D1 + C D2OUT D2 I CD2 = CC + C I OUT  Eq. 4-2 D1 D2 t + T D Δ V CD1 = Δ V CD2 = C D1 + 1C D2 I OUT (t) dt  Eq. 4-3 t Providing that only the  Aacntidv eFreewheeling phases can be applied, the transition from one sequence to another must be assured ahveo isdiimnugl ttaneous condu(citniopnu t voltage short-circuit) or blocking (indirect exchange ofp hthase e)f our controlled semiconductors. Such operation requires additional informationi cahb osuwti tcw h ing pattern has to be provided to guarantee the proper operation for each speticoifni.c  Ecitohnedri detecti otnh eo finput voltage or the output current sign can be [LuEsFe-d0, 1]. However, since the output current ripple, introduced by the switching o np, eirsa tuisually relativelye rh itghhan the input voltage ripple, accurate detection of the input voltage  tpeolcahrniticy ailsly more feasible than detection of the output current polarity. The switching strategy, adohpeti inngp tut voltage polarity detceocntisoisn,t s in short-circuiting one of the switching cells according to  tvhoel tiangpe utpolarity, wt h ilee  other switching cell operates in PWM mode witahd  dtieme generation. For eex,a imf ptlhe pinut voltage I  N Vis  133
i  socsndirebayl high as compareiw d ht
 Figure 4-13. I -N  >V0 SC 2 short-circuited, _ SC _1 PWM operated
Chapter 4  Single-phase STATCOM wiVt hI G3.C3Tk based Step-Down PWM AC Choppers  positive, the switching c _ e 2 l li sS sChort-circuited  tahned switching cel _ l 1  SoCperates in PWM, Figure 4-13. Ohnetother hand, wh I e N  ni s Vnegative, _ S 1  Cis short-circuited an _ d 2  oSpCerates in PWM, Figure 4-14. This switching strategy rtehsep uencitdsi rectional voltage characteristic of the switching cells, limiting the voltage of tplhien gd eccaopuacitors to ctohrer esponding half cycle voltage of the input source. During t h ael f octyhcelre , the switching cell voltage is zero. 
 srpgei itnoporoo thal tty ce dufI .elcyiws eht  fghitccyenquretance, t For insa evaregehi edlaltvoe agut ot puahp l esa foISV Volt/AC r DCrs ovnreecI oSruga erave angsi urste.seuqinhcet gnigvaioT  oro.scatiure failese d tho MWP eht ,sedome  ban contirapehwnet ehtspoep dd voltag measure si acolis elang adeol vd tesiinld l couto eead oesurrnoeucns qeicplape ren i