Solid-state devices as protective equipment for E-STATCOM

Abstract

Objective of this thesis is to study available solutions to protect E-STATCOM components with focus on utilization of solid-state devices. E-STATCOM combines traditional STATCOM as reactive power compensator with supercapacitor energy storage for active power and virtually emulates inertia of synchronous generators. High-capacity energy storage, direct current, high voltage and low impedance set challenges for fast fault current interruption. In this work, through literature review, available technologies are reviewed for possible options. With supportive simulations, worst cases characteristics and suitability of solid-state devices as circuit breakers are evaluated. Finally, embedded or internal protection strategies of energy storage systems are investigated and discussed.

It has been concluded that solid-state circuit breakers would be the best solution for fast and arc-less operation. Yet, due to high losses and costly design, such solutions are not techno-economically justified. While E-STATCOM is installed in small areas and mainly indoors, possibility of DC faults is expected to be near zero. This means that there is no benefit to having individual direct current circuit breakers, beside the fact that it does not protect energy storage from internal faults. It is recommended that energy storage has internal protection strategy, which would inherently provide circuit breaking capability for external DC faults. Such solution could be distributed with solid-state switches, but the same disadvantages still apply. There have not been recognized any commercially viable ultimate solutions, but based on patents, energy storage manufacturers are considering different options.

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia mahdollisia suojausratkaisuita E-STATCOM laitteille, painottaen erityisesti puolijohdekomponentteihin. E-STATCOM yhdistää perinteisen STATCOM loistehokompensointilaitteiston superkondensaattorienergiavarastoon, joka varastoi pätötehoa sekä jäljittelee virtuaalisesti tahtigeneraattoreiden inertiaa. Suuri energiavarasto, tasavirta, korkea jännite ja vähäinen impedanssi asettavat haasteensa nopealle vikavirran katkaisulle. Tässä työssä mahdollisia teknologiaratkaisuita arvioidaan kirjallisuuskatsauksen kautta. Simulointien avulla tarkastellaan pahimpia vikatilanteita sekä puolijohdekomponenttien soveltuvuutta katkaisijoina. Lopuksi tutkitaan ja pohditaan energiavarastoiden sisäisiä suojausratkaisuita.

Yleisesti voidaan todeta, että puolijohdekomponentit soveltavat parhaiten nopeaan ja valokaarettomaan virran katkaisuun. Kuitenkin suurten häviöiden ja kalliin toteutuksen takia, kyseinen ratkaisu ei ole kustannustehokkaasti perusteltavissa. Koska E-STATCOM laitteisto on asennettu pienelle alueelle sekä pääsääntöisesti sisätiloihin, tasavirtaosien vikojen ei oleteta olevan todennäköisiä. Tämän takia erillisistä tasavirtakatkaisijoista ei saada hyötyä, eikä nämä itseasiassa kykene suojaamaan energiavarastoa sisäisiltä vioilta. Siksi suositellaan, että energiavarastolla on sisäinen suojausstrategia, joka mahdollistaa myös vikavirran katkaisun ulkoisissa vioissa. Tässä voitaisiin hyödyntää hajautettua puolijohdekomponenteilla tapahtuvaa katkaisua, tosin sama haitat pätevät myös tällöin. Yhtäkään kaupallisesti kannattavaa kokonaisvaltaista ratkaisua ei ole löydetty, mutta patenttihakemusten perusteella energiavarastovalmistajat ovat pohtineet erilaisia ratkaisuita.