The Realization of an Analysis Based on Simulation and Experimental Study for Filtering and Reactive Power Compensation in a System with Nonlinear Loads

Abstract

The harmonic currents injected to electric power system including of linear and nonlinear loads are increasing due to the increase in nonlinear loads. Harmonic currents not only cause deterioration in load wave forms but also provide negative effects on power system and equipments connected to power system. The evaluation of the technical and economical effects of harmonics and providing analysis in plants about this issue are significantly important both for energy quality and plant durability. In this study, the effects of harmonics are evaluated and the need of a harmonic filter that provides the possibility of filtering the desired harmonic current. Harmonic filters requires different design approaches for each plant, thus the important issues in filtering are examined. The power compensation in energy systems fed by sinusoidal source and including linear loads can be realized easily. However, the power compensation in the case of non-sinusoidal source or nonlinear loads may cause some difficulties. Thus, the power compensation in harmonic condition is even more difficult than normal power compensation applications. In the realized study, the significant issues about this topic are presented. In this study, the realization of filtering and power compensation in non-sinusoidal load conditions is evaluated and some information is provided on this topic. Besides, the measurements on a real plant as well as the filtering and power compensation studies on the mentioned plant are presented.

Keywords

• Harmonics
• Active filter
• Passive filter
• Power compensation

Nonlineer Yüklü Sistemde Filtreleme ve Reaktif Güç Kompanzasyonu Açısından Simülasyon ve Deneysel Çalışma Tabanlı bir Analizin Gerçekleştirilmesi

Abstract

Lineer ve nonlineer yüklerin bulunduğu elektrik güç sisteminde, nonlineer yüklerin günden güne artmasına bağlı olarak sisteme enjekte edilen harmonik akımları da artmaktadır. Harmonik akımlar, sadece yüklerin dalga şekillerinde bozucu etkilerde bulunmayıp aynı zamanda güç sisteminde ve güç sistemine bağlanan elemanlar üzerinde de olumsuz etkiler meydana getirmektedirler. Teknik ve ekonomik bakımdan pek çok etkisi olan harmoniklerin bu etkilerinin bilinmesi ve işletmelerde analizlerinin yapılması, hem enerji kalitesi açısından hem de işletmenin sürekliliği açısından son derece önemlidir. Gerçekleştirilen çalışmada çeşitli nonlineer yüklerin bulunduğu bir sistemde, harmoniklerin etkileri belirtilip sistemde istenen harmonik akımının süzülmesini sağlayan harmonik filtresinin gerekliliği anlatılmaktadır. Harmonik filtreler her tesis için ayrı ayrı tasarım gerektirir, dolayısıyla filtrelemede dikkat edilmesi gereken hususlar incelenmektedir. Sinüs biçimli kaynaktan beslenen ve lineer elemanlardan meydana gelen enerji sistemlerinin güç kompanzasyonu basit bir inceleme ile yapılabilmektedir. Fakat besleme kaynağının sinüs biçimli olmaması veya elemanların nonlineer karakterde olması durumunda güç kompanzasyonunda bir takım zorluklar yaşanmaktadır. Bu yüzden harmonikli sistemlerde güç kompanzasyonu normal kompanzasyondan farklıdır. Yapılan çalışmada bu konuda dikkat edilmesi gereken hususlar belirtilmektedir. Bu çalışmada, öncelikle filtreleme ve güç kompanzasyonunun sinüs biçimli olmayan sistem için gerçekleştirilmesi irdelenmektedir ve buna ait bilgiler verilmektedir. Ayrıca çalışmada gerçek bir sistem üzerinde yapılan ölçümler ile bu sistemin filtrelenmesi ve güç kompanzasyonunun gerçekleştirilmesi de yer almaktadır.

Keywords

• Harmonikler
• Aktif güç filtresi
• Pasif güç filtresi
• Güç kompanzasyonu

References

1. Arrillaga, J., Watson, N. R., ve Chen, S., (2001), Power System Quality Assessment, John Wiley & Sons, Chicester.
2. Arrillaga, J., Bradley, D.A. ve Bodger, P.S., (2004), Power System Harmonics, John Wiley&Sons ,Norwich, New York.
3. George, S., Agarwal, V., (2005), A novel, DSP based algorithm for optimizing the harmonics and reactive power under non-sinusoidal supply voltage conditions, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 20, pp. 2526 – 2534.
4. Jafar M., Molinas, M., Isobe, T., Shimada, R., (2014), Transformer-Less Series Reactive/Harmonic Compensation of Line-Commutated HVDC for Offshore Wind Power Integration, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 29, pp. 353-361.
5. Micallef, A., Apap, M.; Spiteri-Staines, C., Guerrero, J. M., Vasquez, J. C., (2014), Reactive Power Sharing and Voltage Harmonic Distortion Compensation of Droop Controlled Single Phase Islanded Microgrids, IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 5, pp. 1149-1158.
6. Prodanovic, M., Brabandere, K., Keybus, J. V. D., Green, T., Driesen, J., (2007), Harmonic and reactive power compensation as ancillary services in inverter-based distributed generation, IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 1, pp. 432-438.
7. Rahmani, S., Hamadi ,A., Al-Haddad, K.; Dessaint, L. A., (2014), A Combination of Shunt Hybrid Power Filter and Thyristor-Controlled Reactor for Power Quality, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, pp. 2152-2164.
8. Santos, W. R. N., Silva, E. R. C.; Jacobina, C. B., Fernandes, E. M., Oliveira, A. C.; Matias, R. R., Filho, D. F. G., Almeida, O. M., Santos, P. M., (2014), The Transformerless Single-Phase Universal Active Power Filter for Harmonic and Reactive Power Compensation, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, pp. 3563-3572.

9. Shu Z., Xie S., Li, Q., (2011), Single-Phase Back-To-Back Converter for Active Power Balancing, Reactive Power Compensation, and Harmonic Filtering in Traction Power System, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, 334-343.
10. Wang, Y., Yao, L., Peng J., Wang, Y., Mao, X., (2012), Analysis of Harmonic Current Suppression and Reactive Power Compensation on 125 MVA Motor Generator, IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 40, pp. 705-709.
11. Wang, L., Lam, C. S., Wong, M. C., (2017), Selective Compensation of Distortion, Unbalanced and Reactive Power of a Thyristor-Controlled LC -Coupling Hybrid Active Power Filter (TCLC-HAPF), IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, 9065-9077.