Ytelsessammenligning av harmoniske filtre i et industrielt kraftsystem for reduksjon av harmonisk forvrengning

Publisert av 1. Estifanos Dagnew Mitiku¹, 2. Gebrie Teshome Aduye², 3. S. Abdul Rahman³, 4. Mahilet Mentesinot Abuhay⁴, Institutt for elektro- og datateknikk, Institutt for teknologi, Universitetet i Gondar, Etiopia (1, 2, 3), Institutt for industriteknikk, Institutt for teknologi, Universitetet i Gondar, Etiopia (4) ORCID. 1. 0000-0002-6613-3979, 2. 0000-0003-1184-9184, 3. 0000-0003-0134-8028, 4. 0000-0001-7554-8562

Nøkkelord: Harmonisk filters, Harmonisk forvrengning, total harmonisk forvrengning, MATLAB/SIMULINK.
Nøkkelord:filter, harmoniske, THD

Introduksjon

Strømkvalitet (PQ) er et problem for både strømleverandører og strømforbrukere på alle bruksnivåer. Et av PQ-problemene er harmoniske, som er en sinusformet komponent av en periodisk bølge eller mengde med en frekvens som er et heltallsmultiplum av grunnfrekvensen, dvs. 50 Hz eller 60 Hz [1]. Harmoniske spenninger oppstår som et resultat av strømharmoniske, som skapes og trekkes av ikke-lineære elektroniske laster, injisert i forsyningssystemet [2].

Måling av harmonisk forvrengning i industrien

For å vurdere nivået av harmonisk forvrengning i industriens kraftsystem, må overvåking utføres ved industriens serviceinngangspunkter ved felleskoblingspunktene (PCC), uttakspunktet på 15 kV-materne. Men siden avstanden og linjeimpedansen fra PCC til transformatorens primærleder er ubetydelig, tas primærlederne som PCC, som vist i figur 1 [2].

Harmonisk forvrengning i industrien måles mens alle maskiner er i drift samtidig, for å observere de kumulative egenskapene til industrielle belastninger, og datainnsamlingen skjer gjennom direkte måling. Etter å ha utført passende analyser, beregnes de innsamlede dataene og sammenlignes med akseptable verdier fastsatt av standarder for IEEEs anbefalte praksis for harmonisk kontroll [28].

Tabell 1: Strømforvrengningsgrenser for generelle distribusjonssystemer (120 V til 69 000 V) [2]. Fig. 1: Overvåkingsplassering og punkt for felles kobling. Harmonisk forvrengning i industrien måles mens alle maskiner er i drift samtidig, for å observere de kumulative egenskapene til industrielle belastninger, og datainnsamlingen skjer gjennom direkte måling. Etter å ha utført passende analyser, beregnes de innsamlede dataene og sammenlignes med akseptable verdier satt av standarder for IEEEs anbefalte praksis for harmonisk kontroll [28].

Kortslutningsstrømmen og nominell strøm for 15 kV-materen ved PCC-en er i gjennomsnitt beregnet til henholdsvis 10 kA og 1000 A, noe som gir I_SC/JEG_Lforholdet i området

Maksimal harmonisk innhold for spenning og strøm i industrien når den arbeider med full belastning er vist i tabell 3.

Det observeres fra de registrerte dataene at de dominerende harmoniske strømmene er de 5^thog 7^thharmoniske, og den totale strøm-THD-verdien for de tre fasene er henholdsvis 18,10 %, 18,33 % og 18,44 % ved PCC, som er utenfor IEEE-standardene, dvs. 5 %. Siden de nåværende THD-verdiene er utenfor standardverdiene, brukes enkeltstemte, dobbeltstemte, høypass- og c-type harmoniske filtre med sine designede parametere for å redusere den harmoniske forvrengningen, og ytelsen deres sammenlignes basert på de nåværende THD-prosentverdiene når hvert av de harmoniske filtrene brukes.

Prinsipp for drift

Kretsen som brukes for å redusere harmonisk forvrengning er vist i figur 2. Den består av brytere, enkeltstemte, dobbeltstemte, høypass- og C-type harmoniske filtre, samt lasten. På grunn av de ikke-lineære belastningene i industrielle kraftsystemer, forvrenges spennings- og strømbølgeformene når harmoniske strømmer injiseres i systemet. Harmoniske filtre med sine designverdier og respektive brytere brukes uavhengig for å sammenligne ytelsen til de harmoniske filtrene, og de slås PÅ og AV for å redusere harmonisk forvrengning. Først er den enkeltstemte filterbryteren PÅ mens de andre bryterne er AV. Deretter er høypassfilterbryteren PÅ mens de andre bryterne er AV. Deretter er den dobbeltstemte filterbryteren PÅ mens de andre bryterne er AV. Til slutt er C-type filterbryteren PÅ mens de andre bryterne er AV. For enkelhets skyld vurderes bare én fase av de tre fasene, ettersom strøm tas fra samme fase for å redusere harmonisk forvrengning for å vise kontrollkretsen.

Simuleringsresultater

De harmoniske forvrengningene er simulert ved hjelp av MATLAB/SIMULINK-programvare. De harmoniske filtrene, som enkeltstemte, dobbeltstemte, høypass- og c-type filtre, er simulert med de designede verdiene for å sammenligne ytelsen deres i reduksjonen av harmonisk forvrengning som oppstår i det industrielle kraftsystemet på grunn av ikke-lineære belastninger. Spennings- og strømbølgeformene både fra kildesiden og lastsiden før og etter bruk av de harmoniske filtrene presenteres nedenfor for sammenligning. Industrien har ikke-lineære belastninger som forsynes av forsyningsselskapet fra den nærliggende transformatorstasjonen, og ikke-lineære belastninger trekker harmoniske strømmer med en forvrengt bølgeform. Simuleringen utføres med de designede verdiene for de harmoniske filtrene med en nominell linje-til-linje-spenning på 400 V, driftsfrekvens på 50 Hz, nominell reaktiv effekt på 50 KVAR, kvalitetsfaktor på 7 og innstillingsfrekvensen er satt for 5.^thog 7^thharmoniske.

Spennings- og strømbølgeformene før bruk av harmoniske filtre er vist i figur 3.

Industrien har ikke-lineære laster som forsynes av strømforsyningen, og disse lastene trekker en forvrengt harmonisk spennings- og strømbølgeform som vist i figur 3. Fra Fast Fourier Transform (FFT)-analysen som vist i figur 4 er THD-verdien 18,33 %, som er over IEEE-standardens akseptable grense, dvs. 5 % for denne studien. For å redusere harmonisk forvrengning er derfor enkeltstemte, dobbeltstemte, høypass- og c-type harmoniske filtre designet og plassert på passende sted i det industrielle kraftsystemet. Følgelig reduseres den harmoniske forvrengningen, og ytelsen deres sammenlignes.

Enkeltstemt harmonisk filter

Høypass harmonisk filter

Dobbeltstemt harmonisk filter

C-type harmonisk filter

Konklusjon

I denne artikkelen studeres en ytelsessammenligning av harmoniske filtre i et industrielt kraftsystem for reduksjon av harmonisk forvrengning. Den harmoniske forvrengningen tegnet av ikke-lineære belastninger i industrien gir en THD-verdi på 18,33 %. Og når et enkeltstemt harmonisk filter brukes, reduseres THD-en til 5,08 %. Mens bruk av et høypass-harmonisk filter gir en THD på 5,09 %. Et dobbeltstemt harmonisk filter gir en THD-verdi på 4,00 %. Til slutt oppnås en THD-verdi på 4,68 % ved bruk av c-type harmoniske filtre. Som et resultat, fra simuleringsresultatene og FFT-analysen, observeres det at det dobbeltstemte harmoniske filteret gir bedre ytelse enn de enkeltstemte, høypass- og c-type harmoniske filtrene når det gjelder å redusere harmoniske forvrengninger til den akseptable størrelsen satt av IEEE-standarder, dvs. mindre enn 5 % for denne studien, og det anbefales at industrien bruker det dobbeltstemte harmoniske filteret på transformatorens sekundær for å kvitte seg med ytterligere oppvarming, falsk utløsning og utstyrsfeil på grunn av harmoniske, noe som forårsaker produksjonstap for industrien.

Kontakt oss for ekspertveiledning:

For mer informasjon om hvordan Aktivt harmonisk filterogStatisk Var-generator kan forbedre strømkvaliteten: sales@intonepower.com

REFERANSER

[1] IEEE,IEEE 1159 1995 Anbefalt praksis for overvåking av elektrisk kraftkvalitet.1995.
[2] W. Are et al., «Kvalitet på elektriske kraftsystemer, andre utgave».
[3] MS Almutairi og S. Hadjiloucas, «Reduksjon av harmoniske effekter basert på minimering av ikke-lineær strøm i et kraftsystem», 2019.
[4] A. Bagheri og M. Alizadeh, «Design av et passivt filter for å redusere harmonisk forvrengning i hybridmikronett, inkludert vindturbin, solcelle og ikke-lineær last», nr. 12, s. 10–13, 2019.
[5] Y. Cho, H. Cha, Y. Cho og H. Cha, «Design av enkeltstemte passive harmoniske filtere med tanke på varianser i stemming og kvalitetsfaktor», bind 8972, 2014.
[6] R. Dua og A. Agrawal, «Virkningen av enkeltjustert filter på netttilkoblet PV-system», bind 08, nr. 06, s. 213–217, 2019.
[7] M. Awadalla, M. Orner og A. Mohamed, «Enkeltstemt filterdesign for harmonisk reduksjon og optimalisering med kondensatorbanker», nr. september 2015, 2019.
[8] IOPC-serien og M. Science, «Harmonisk reduksjon ved bruk av enkeltstemt passivt filter i plastforedlingsindustrien Harmonisk reduksjon ved bruk av enkeltstemt passivt filter i plastforedlingsindustrien», 2018.
[9] YK Haur, TJ Son, LK Yun, W. Jee og K. Raymond, «Design av enkeltstemt passivt harmonisk filter for å oppfylle IEEE-519-standarden ved hjelp av kvalitetsfaktormanipulasjoner», bind 29, nr. 1, s. 1364–1379, 2020.
[10] KR Cheepati, S. Ali og A. Rangampet, «Oversikt over dobbeltstemte harmoniske filtre for å forbedre strømkvaliteten under ikke-lineære belastningsforhold», bind 10, nr. 7, s. 11–26, 2017.
[11] HE Yi-hong og SU Heng, «En ny metode for å designe dobbeltstemte filtre», nr. Iccsee, s. 206–209, 2013.
[12] KR Cheepati, S. Ali og SK M, «Ytelsesanalyse av dobbeltstemt passivt filter for strømkvalitet», bind 9, nr. 7, s. 3295–3305, 2016.
[13] P. Control og G. Mishra, «Design av passivt høypassfilter for hybride aktive effektfilterapplikasjoner, Institutt for elektroteknikk, Nasjonalt institutt for teknologi, Design av passivt høypassfilter for hybride aktive effektfilterapplikasjoner».
[14] B. Park, J. Lee, H. Yoo og G. Jang, «Harmonisk begrensning ved bruk av passive harmoniske filtre: Casestudie i et kraftverkssystem i et stålverk», 2021.
[15] ZA Memon, MA Uqaili og MA Unar, «Reduksjon av harmoniske effekter i industrielle kraftsystemer ved bruk av passive filtre», nr. juli 2016.
[16] IA Shah og RK Ali, «Design av et C-type passivt filter for å redusere harmonisk forvrengning og kompensere for reaktiv effekt», bind 4, nr. 12, s. 38–47, 2016.
[17] R. Klempka, «En ny metode for design av passive C-typer filter», nr. 7, s. 277–281, 2012.
[18] A. Furnaces, «Utvalg av C-type filtre for reaktiv effektkompensasjon og filtrering av høyere harmoniske svingninger», 2020.
[19] A. Muchtar og WM Muttaqin, «Sammenligning mellom ytelsen til et enkelt innstilt filter og et c-type filter i det elektriske kraftdistribusjonsnettet», 2019.
[20] SA Rahman, «Direktekonverterbasert DVR for å redusere enfaseavbrudd», nr. september 2019, 2021.
[21] A. Rahman, «Reduksjon av spenningsfall, svulst og strømbrudd uten omformer», nr. oktober 2019, 2021.
[22] SA Rahman, SB Mule, ED Mitiku, GT Aduye og C. Gopinath, «Kompensasjon for høyeste spenningsfall og -svulming ved bruk av enfaset matriseomformer med fire kontrollerte brytere», nr. 4, s. 134–138, 2021.
[23] C. Reads, «Realisering av enfaset matriseomformer ved bruk av 4 kontrollerte brytere», nr. oktober 2019, 2021.
[24] SA Rahman og G. Teshome, «Maksimal spenningsnedfallskompensasjon ved bruk av direkte omformer ved å modulere bærebølgesignalet», bind 10, nr. 4, s. 3936–3941, 2020.
[25] SA Rahman og E. Dagnew, «Spenningskompensasjon ved bruk av DVR basert på direkte omformer ved å modulere feilsignalet», bind 19, nr. 2, s. 608–616, 2020.
[26] SA Rahman, ED Mitiku, SB Mule, GT Aduye, MA Huluka og S. Mesfin, 'Voltage Sag Mitigation Using Direct Converter Based DVR without Error Signal', no. 12, s. 34–37, 2021.
[27] SA Rahman, S. Birhan, ED Mitiku, GT Aduye og P. Somasundaram, «En ny DVR-topologi for å kompensere for spenningsøkning, -nedgang og -utfall i enfase», bind 17, nr. 4, s. 1–10, 2021.
[28] CRCP LLC,Strømkvalitet © 2002.2002.

Forfattere:Foreleser, herr Estifanos Dagnew Mitiku, Institutt for elektro- og datateknikk, Institutt for teknologi, Universitetet i Gondar, Gondar, Etiopia, e-post: est7eced@gmail.com; Foreleser, herr Gebrie Teshome Aduye, Institutt for elektro- og datateknikk, Institutt for teknologi, Universitetet i Gondar, Gondar, Etiopia, e-post: gebrie.415@gmail.com; Førsteamanuensis, dr. Abdul Rahman, Institutt for elektro- og datateknikk, Institutt for teknologi, Universitetet i Gondar, Gondar, Etiopia, e-post: msajce.abdulrahman@gmail.com; Foreleser, fru Mahilet Mentesinot Abuhay, Institutt for industriell ingeniørvitenskap, Institutt for teknologi, Universitetet i Gondar, Etiopia, e-post: mahiletme@gmail.com.

Kilde og utgivers elementidentifikator: ELEKTROTEKNIKK, ISSN 0033-2097, ÅR 98 NR. 3/2022. doi:10.15199/48.2022.03.12