https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/19426
Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
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juanalbertoperaltagaray.pdf | PDF/A | 14.4 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |
Tipo: | Dissertação |
Título: | An online state-of-charge balancing strategy for energy storage STATCOM based on modular multilevel converters |
Autor(es): | Garay, Juan Alberto Peralta |
Primeiro Orientador: | Barbosa, Pedro Gomes |
Membro da banca: | Almeida, Pedro Machado de |
Membro da banca: | Cupertino, Allan Fagner |
Membro da banca: | Almeida, Andrei de Oliveira |
Resumo: | A crescente integração de fontes renováveis de energia aos sistemas elétricos tem introduzido desafios significativos relacionados à intermitência e à estabilidade da rede. Nesse contexto, o Compensador Síncrono Estático com Armazenamento de Energia (ESSTATCOM, do inglês Energy Storage Static Synchronous Compensator), baseado na topologia do Conversor Multinível Modular, surge como uma solução eficaz para aumentar a flexibilidade e a confiabilidade do sistema elétrico. No entanto, a configuração na qual os racks de baterias são conectados nesses sistemas, associada às variadas condições operacionais, pode causar desequilíbrios no estado de carga (SoC, do inglês State of Charge) entre os módulos de baterias, reduzindo a eficiência e a vida útil do sistema caso ele seja operado sob essas condições. Para mitigar esse problema, a presente dissertação propõe uma estratégia de balanceamento online do SoC, empregando um algoritmo integrado à estrutura de controle do ES-STATCOM. Adicionalmente, foram projetadas malhas de controle da corrente de saída e de supressão de correntes circulantes no referencial síncrono dq. A abordagem desenvolvida permite a realização do balanceamento do SoC, mantendo simultaneamente a capacidade do conversor de injetar e absorver potências ativa e reativa instantâneas. Essa estratégia não apenas melhora a utilização do Sistema de Armazenamento de Energia em Baterias (BESS, do inglês Battery Energy Storage System), como também aumenta a confiabilidade operacional do ES-STATCOM sob diferentes condições da rede elétrica. A metodologia proposta foi verificada por meio de simulações detalhadas no software PSCAD/EMTDC, nas quais um ES-STATCOM com 18 submódulos por braço, conectado a um BESS em configuração distribuída de estágio único, utilizando células de bateria de primeira vida de íon-lítio nos racks de baterias, foi modelado e conectado a um sistema trifásico equilibrado com nível de tensão de 13,8 kV. As dinâmicas do ES-STATCOM durante o balanceamento do SoC foram analisadas em diferentes cenários, injetando e absorvendo potências ativa e reativa em seus terminais. Posteriormente, o ES-STATCOM foi testado em um sistema IEEE 14-barras modificado, a fim de avaliar seu desempenho durante o suporte de frequência e tensão, respectivamente, após a conexão de uma grande carga e a aplicação de uma falta simétrica na rede. Os resultados da simulação confirmaram a efetividade da estratégia de controle proposta e sua capacidade de manter o balanceamento do SoC enquanto o conversor presta serviços auxiliares à rede elétrica. |
Abstract: | The increasing integration of renewable energy sources into power systems has introduced significant challenges related to intermittency and grid stability. In this context, the Energy Storage Static Synchronous Compensator (ES-STATCOM), based on the Modular Multilevel Converter topology, emerges as an effective solution to enhance the flexibility and reliability of power systems. However, the configuration in which battery racks are connected in these systems, combined with varying operating conditions, can cause State of Charge (SoC) imbalances among battery modules, reducing both the system’s efficiency and its lifetime if operated under such conditions. To address this issue, this dissertation proposes an online SoC balancing strategy employing an algorithm integrated into the ES-STATCOM control structure. In addition, control loops for output current regulation and circulating current suppression were designed in the synchronous dq reference frame. The developed approach enables the SoC balancing process while simultaneously maintaining the converter’s capability to inject and absorb active and reactive instantaneous power. This strategy not only improves the utilization of the Battery Energy Storage System (BESS) but also enhances the operational reliability of the ES-STATCOM under different grid conditions. The proposed methodology was verified through detailed simulations using the PSCAD/EMTDC software, where an ES-STATCOM with 18 sub-modules per arm, connected to a BESS in a single-stage distributed configuration with first-life lithium-ion battery cells installed in the racks, was modeled and connected to a balanced three-phase system with a voltage level of 13.8 kV. The ES-STATCOM dynamics during the SoC balancing process were analyzed in different scenarios, injecting and absorbing active and reactive power at its terminals. Subsequently, the ES-STATCOM was tested in a modified IEEE 14-bus system to evaluate its performance during frequency and voltage support, respectively, after the connection of a large load and the occurrence of a symmetrical fault. The simulation results confirmed the effectiveness of the proposed control strategy and its ability to maintain SoC balancing while providing ancillary services to the power grid. |
Palavras-chave: | Conversor multinível modular ES-STATCOM Algoritmo de balanceamento de SoC Modular multilevel converter SoC balancing algorithm |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA |
Idioma: | eng |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) |
Sigla da Instituição: | UFJF |
Departamento: | Faculdade de Engenharia |
Programa: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto Attribution 3.0 Brazil |
Licenças Creative Commons: | http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/ |
URI: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/19426 |
Data do documento: | 29-Ago-2025 |
Aparece nas coleções: | Mestrado em Engenharia Elétrica (Dissertações) |
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