Hybrid BESS/STATCOM for Improved Power Quality on Oil & Gas Platforms

Abstract

Kraftsystemet til offshore olje- og gassplattformer beskrives ofte som et svakt, uavhengig AC-system. Et betydelig problem knyttet til svake nett er den kraftige økningen i reaktiv effektbehov og p˚afølgende fall i bussspenning ved direkte start a stor induksjonsmotor. Denne situasjonen kan føre til generator overbelastning, ubalanse i aktiv strøm, og følgelig frekvensustabilitet sammen med andre relaterte forstyrrelser. For ˚a møte disse utfordringene kreves det et batterienergilagringssystem (BESS). oppn˚a aktiv kraftlikevekt. I tillegg STATiske synkrone kompensatorer (STATCOM) kan gi støtte for reaktiv kraft i ledende eller etterslepende modus. De integrasjon av b˚ade BESS og STATCOM, referert til som BESS/STATCOM, er i vekst trend for ˚a maksimere fordelene med aktiv og reaktiv kraftstøtte. Hovedm˚alet med denne oppgaven er ˚a sammenligne og vurdere tre flerniv˚aomformere topologier: Neutral Point Clamped (NPC), Cascaded H-Bridge (CHB) og Modular Multilevel Converter (MMC). M˚alet er ˚a identifisere den mest passende topologien av størrelse, ytelse og kontroll for effektivt˚a adressere spennings- og frekvensstabilitet problemer under direkte start p˚a en induksjonsmotor p˚a en olje- og gassplattform CHBtopologien regnes som den foretrukne topologien for denne applikasjonen og er det valgt for implementering av et 5MVA BESS/STATCOM-system. Sammenlignende analyse av basistilfellet viser at integrasjonen av BESS/STATCOM fører til forbedret spennings- og frekvensstabilitet. I tillegg tillater det mer fleksibel drift av gassturbiner samtidig som den opprettholder høyere systemsikkerhet. Simuleringen utført for denne studien brukte MATLAB/Simulink-miljøet. Resultatene av simuleringen har vist en betydelig forbedring i spenning, økende fra 0,88 pu til 0,91 pu. Videre er frekvensunderskuddet redusert fra 0,94 pu til omtrent 0,98 pu. Disse funnene fremhever effektiviteten av foresl˚att system for ˚a forbedre spenningsstabiliteten og redusere frekvensavvik.

The power system of offshore oil and gas platforms is often described as a weak, independent AC system. A significant problem associated with weak grids is the sharp increase in reactive power demand and subsequent drop in bus voltage when directly starting a large induction motor. This situation can lead to generator overload, imbalance in active power, and consequently, frequency instability along with other related disturbances. To address these challenges, a battery energy storage system (BESS) is required for achieving active power equilibrium. Additionally, STATic synchronous COMpensators (STATCOMs) can provide reactive power support in leading or lagging modes. The integration of both BESS and STATCOM, referred to as BESS/STATCOM, is a growing trend to maximize the benefits of active and reactive power support. The primary objective of this thesis is to compare and assess three multilevel converter topologies: Neutral Point Clamped (NPC), Cascaded H-Bridge (CHB), and Modular Multilevel Converter (MMC). The aim is to identify the most suitable topology in terms of size, performance, and control for effectively addressing voltage and frequency stability issues during the direct starting on an induction motor on an oil and gas platform The CHB topology is considered the preferred topology for this application and is selected for the implementation of a 5MVA BESS/STATCOM system. Comparing with the base case, shows that the integration of BESS/STATCOM leads to improved voltage and frequency stability. In addition, it allows more flexible operation of gas turbines while maintaining higher system security. The simulation conducted for this study utilized the MATLAB/Simulink environment. The results of the simulation have shown a significant improvement in voltage, increasing from 0.88 pu to 0.91 pu. Furthermore, the frequency undershoot has been reduced from 0.94 pu to approximately 0.98 pu. These findings highlight the effectiveness of the proposed system in improving voltage stability and mitigating frequency deviations