Master of Science / Department of Electrical and Computer Engineering / Ruth D. Miller / This thesis presents the design of a multilevel D-STATCOM inverter for small to mid-size (10–20 kW) permanent-magnet wind or solar installations. The proposed inverter can actively regulate the reactive power on individual feeder lines at a programmable output while providing the variable output power of the renewable energy source. The aim is to provide utilities with distributive control of VAR compensation and power factor correction on feeder lines. The designed inverter utilizes a 5-level hybrid-clamped multilevel voltage-source converter topology and uses the optimized harmonic stepped waveform technique for harmonic elimination. The topology allows for the separation of active and reactive power control and the ability to operate under any load conditions. Reactive power is controlled by the modulation index and active power is controlled by the phase angle. Simulations and validation of the proposed inverter were carried out using MATLAB/Simulink and SimPowerSystems toolboxes.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Ingeniero Civil Electricista / En los últimos años, los problemas climáticos asociados a las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), han aumentado significativamente el interés por diversificar las fuentes primarias para la generación de energía eléctrica. De hecho, las tecnologías de generación como la fotovoltaica han reducido considerablemente sus precios, llegando incluso a que en ciertos lugares la energía solar fotovoltaica sea más económica que conectarse a la red, aumentando su incorporación a los sistemas eléctricos en general. Es factible pensar que en un futuro no muy lejano los consumidores residenciales o pequeñas industrias opten por aprovechar las bondades de este tipo de energía para satisfacer sus requerimientos de electricidad, lo que ocasionará un aumento significativo de generación en los puntos de consumo. Lo anterior se traduce en desafíos técnico-operacionales para la operación de las redes de distribución. Dentro de las problemáticas que se producirán, está el aumento del desbalance en las redes, dado que ya no bastará con estudios estadísticos de demanda, sino que también entrarán a regir factores climáticos y de mantenimiento de los generadores en la operación, dificultando la tarea de despacho para una operación segura de la red. Estos desbalances tanto de carga como de tensión pueden ser atenuados si se utilizan tecnologías de control de flujo para redes de transmisión y aplicando estratégias de control adecuadas. Consecuentemente, desde el punto de vista del operador de la red de distribución, es factible operar una red balanceada que cumple con los criterios de la norma técnica. Se propone el diseño de un D-Statcom con capacidad de almacenamiento, basado en un convertidor tipo VSC de 3 piernas. Su sistema de control está constituido por el módulo sintetizador de tensión, que tiene como función calcular y generar las señales de encendido y apagado de los interruptores de potencia; El módulo sincronizador, que mediante un PLL (del inglés Phase Locked Loop) permite que las tensiones generadas por el conversor y las de la red estén en sincronía; El módulo de control de corriente, el cual por medio de controles PI genera referencias de tensión para el bloque sintetizador de tensión y así se inyecten las corrientes de referencia al sistema en el punto de conexión; Por último, el módulo de cálculo de referencias de control, el cual se encarga de generar las referencias de corriente para el resto del equipo. Lo anterior se implementa mediante el uso de MATLAB /Simulink y el módulo PowerSystem. Los resultados de los casos de estudios simulados revelan la factibilidad y funcionalidad esperada del equipo diseñado en diversas situaciones. Con el control propuesto, y a partir de las simulaciones realizadas, se pudo disminuir un desbalance de tensión de un 3.29% a sólo un 0,53%, es decir un 84% de mejora con el alimentador normal, en cambio con la red más débil se logró compensar de un 4.60% a sólo un 1,99%, o sea, un 57% de mejora del indicador. En los casos estudiados, el incluir la operación de este equipo compensador y su control mejora el indicador de desbalance a lo menos un 77%, salvo en el escenario más complejo que se obtienen mejoras en torno a un 56%. Dada la efectividad del equipo de compensación y su control, se propone finalmente extender el trabajo a otras fuentes de generación distribuida, pues al ser una solución modal, será de gran ayuda en la introducción masiva de nuevas fuentes de energía en las futuras Smart grid que se instalen en el mundo.

In this thesis, design and implementation of a distribution-type, voltage source converter (VSC) based static synchronous compensator (D-STATCOM) having the simplest converter and coupling transformer topologies have been carried out. The VSC STATCOM is composed of a +/- 750 kVAr full-bridge VSC employing selective harmonic elimination technique, a low-pass input filter, and a &amp / #8710 / /Y connected coupling transformer for connection to medium voltage bus. The power stage of VSC based STATCOM is composed of water-cooled high voltage IGBT modules switched at 850 Hz for the elimination of 5th, 7th, 11th, 13th, 17th, 19th, 23rd,and 25th voltage harmonics. Special care has been taken in the laminated busbar design to minimize stray inductances between power semiconductors and dc link capacitor. Reactive power control is achieved by applying the phase angle control technique. The effect of input filter on total demand distortion has been investigated theoretically by mathematical derivations. The proposed VSC STATCOM has been implemented for reactive power compensation of Coal Preparation System in Kemerk&ouml / y Thermal Power Plant. The field test results have shown the success of the implemented system in view of fast response in reactive power compensation, and minimum input current harmonic content, and compliance with the IEEE Std. 519-1992 even for the weakest power systems. The application of selective harmonic elimination technique and phase angle control to VSC STATCOM has led to optimum switching frequency and device utilization for high voltage IGBTs at the expense of slower response as compared to other PWM techniques.

This paper deals with possible ways of voltage regulation. Theoretical part includes a search of published methods and the available voltage regulators. Acquired theoretical knowledge has been applied in the development of mathematical models of two selected controllers applied to the testing network. The result of this work is a summary of the outcomes of dynamic simulations with two selected regulators at various locations in testing network. Comparing the results of dynamic simulation for two selected states was chosen the most appropriate regulator and its optimal location in testing network.