Ένα από τα πιο σύγχρονα προβλήματα στα συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας είναι οι αρμονικές ρεύματος. Γενικά, η αρμονική μιας κύμανσης είναι μια συνιστώσα συχνότητας του σήματος, η οποία είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της θεμελιώδους συχνότητας, π.χ. εάν η θεμελιώδης συχνότητα είναι f, οι αρμονικές έχουν συχνότητες 2f,3f,4f και ούτω κάθε εξής. Για το ηλεκτρικό σήμα, η θεμελιώδης συχνότητα είναι τα 50 Hz. Άρα, οι αρμονικές του ηλεκτρικού ρεύματος έχουν συχνότητες ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους συχνότητας. Παραδείγματος χάρη, 100 Hz είναι η αρμονική δεύτερης τάξης, 150 Hz είναι η αρμονική τρίτης τάξης, 200 Hz είναι η αρμονική τέταρτης τάξης και ούτω κάθε εξής. Αιτία ύπαρξης αρμονικών ρεύματος είναι η ύπαρξη μη γραμμικών φορτίων, φορτίων δηλαδή, που παίρνουν ρεύμα διαφορετικής κυματομορφής από την τάση, άγουν δηλαδή ρεύμα μόνο σε ορισμένες περιοχές της τάσης. Τα προβλήματα που δημιουργούν οι αρμονικές είναι: α) μείωση του συντελεστή ισχύος με αποτέλεσμα αυξημένες απώλειες στα καλώδια, β) φαινόμενα συντονισμού με συνέπεια την καταστροφή πυκνωτών και μετασχηματιστών, γ) αρμονική παραμόρφωση τάσης η οποία οδηγεί σε αύξηση απωλειών σε κινητήρες, δ) παρεμβολές σε κυκλώματα ελέγχου και τηλεπικοινωνιών, ε) λανθασμένη λειτουργία συσκευών προστασίας, ζ) καταπόνηση ηλεκτρικών συσκευών. Όλα τα παραπάνω δημιουργούν υποβάθμιση της ποιότητας ισχύος. Και αν λάβουμε υπόψη την αυξανόμενη χρήση μη γραμμικών φορτίων τότε η βελτίωση της ποιότητας ισχύος είναι επιτακτική στην σημερινή εποχή. Για την αντιμετώπιση των αρμονικών ρεύματος, χρησιμοποιούμε αρμονικά φίλτρα. Τα αρμονικά φίλτρα χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες. Υπάρχουν τα παθητικά φίλτρα, τα ενεργά φίλτρα και τα υβριδικά φίλτρα. Τα παθητικά αρμονικά φίλτρα που αποτελούνται από πυκνωτές, επαγωγές και αντιστάσεις μπορούν να χωριστούν σε φίλτρα συντονισμού και σε υψιπερατά φίλτρα. Αυτά συνδέονται παράλληλα με τα μη γραμμικά φορτία. Τα ενεργά φίλτρα μπορούν να χωριστούν σε παράλληλα ενεργά φίλτρα και σε εν σειρά ενεργά φίλτρα ανάλογα με την κυκλωματική τους διαμόρφωση. Προς το παρόν, τα παράλληλα ενεργά φίλτρα είναι πιο ελκυστικά από τα εν σειρά ενεργά φίλτρα, όσον αφορά την μορφή και την λειτουργία τους. Το παράλληλο ενεργό φίλτρο μπορεί να ελεγχθεί με βάση τον παρακάτω τρόπο ελέγχου. Ο ελεγκτής παρατηρεί το στιγμιαίο ρεύμα του φορτίου. Αποσπά το αρμονικό ρεύμα από το υπό παρατήρηση ρεύμα του φορτίου δια μέσου της ψηφιακής επεξεργασίας του σήματος. Το ενεργό φίλτρο τροφοδοτεί το φορτίο με το αρμονικό ρεύμα που χρειάζεται για να λειτουργήσει σωστά, με συνέπεια να απαλλάσσεται η πηγή τροφοδοσίας από το αρμονικό ρεύμα. Διαφορετικά από το παράλληλο ενεργό φίλτρο, το εν σειρά ενεργό φίλτρο ελέγχεται με βάση τον παρακάτω τρόπο ελέγχου. Ο ελεγκτής παρατηρεί το στιγμιαίο ρεύμα τροφοδοσίας. Αποσπά το αρμονικό ρεύμα από το υπό παρακολούθηση ρεύμα τροφοδοσίας δια μέσου της ψηφιακής επεξεργασίας του σήματος. Το ενεργό φίλτρο εφαρμόζει μια τάση εξισορρόπησης ανάλογη του αρμονικού ρεύματος και αντίθετου πρόσημου επί του πρωτεύοντος του μετασχηματιστή που είναι συνδεδεμένος σε σειρά με την πηγή τροφοδοσίας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την σημαντική μείωση του αρμονικού ρεύματος τροφοδοσίας. Τα υβριδικά φίλτρα είναι ένας συνδυασμός ενός παθητικού φίλτρου και ενός ενεργού φίλτρου. Μια υβριδική διάταξη που είναι πολύ δημοφιλής είναι η εν σειρά σύνδεση ενός ενεργού φίλτρου και ενός παθητικού φίλτρου. Γενικά, τα υβριδικά φίλτρα έχουν πλεονεκτήματα σε σχέση με τα ενεργά φίλτρα. Μερικά από αυτά είναι: α) εμφάνιση μικρότερης τάσης στον πυκνωτή του φίλτρου, β) χρησιμοποίηση μικρότερης τάσης IGBTs ως στοιχεία ισχύος, γ) μη εμφάνιση της δεσπόζουσας αρμονικής της τάσης στα άκρα του ενεργού φίλτρου, δ) μικρότερης έντασης διακοπτικές αιχμές, ε) καλύτερη εκτέλεση φιλτραρίσματος. Στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία εξετάζεται ένα υβριδικό ενεργό φίλτρο μέσης τάσης που χρησιμοποιεί μετατροπέα τριών επιπέδων και συνδέεται απευθείας στο δίκτυο χωρίς να παρεμβάλλεται μετασχηματιστής. Η υπό μελέτη διάταξη αποτελείται από την πηγή τροφοδοσίας, η οποία είναι ονομαστικής τάσεως 4.16 KV (πολική τάση, rms τιμή) και συχνότητας 60 Hz. Επίσης η επαγωγή της πηγής τροφοδοσίας είναι Ls=0.15 mH. Το μη γραμμικό φορτίο της διάταξης μας είναι μια ανορθωτική διάταξη διόδων, όπου στην AC πλευρά της έχει τοποθετηθεί μία επαγωγή LAC για καλύτερη προστασία ρεύματος. Το υβριδικό ενεργό φίλτρο συνδέεται απευθείας στο φορτίο χωρίς την χρήση μετασχηματιστή υποβίβασης της τάσης. Αυτή η συγκεκριμένη υβριδική διάταξη αποτελείται από ένα παθητικό φίλτρο που είναι συντονισμένο στην έβδομη αρμονική συχνότητα και ένα ενεργό αρμονικό φίλτρο. Το ενεργό και παθητικό φίλτρο συνδέονται σε σειρά. Το ενεργό φίλτρο χρησιμοποιεί μετατροπέα τριών επιπέδων. Η προσομοίωση της συγκεκριμένης διάταξης γίνεται με το πρόγραμμα PSCAD. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι με την ενεργοποίηση του υβριδικού φίλτρου η κυματομορφή του ρεύματος τροφοδοσίας γίνεται σχεδόν ημιτονοειδής. Επίσης, βλέπουμε στο φάσμα με τις αρμονικές συχνότητες του ρεύματος τροφοδοσίας ότι είναι απαλλαγμένο από αρμονικές συχνότητες. Επομένως, η συγκεκριμένη διάταξη προσφέρει καλή εκτέλεση φιλτραρίσματος για εφαρμογές μέσης τάσης. / One of the most outstanding problems in Power Systems is the harmonic current. Generally, a harmonic fluctuation is a component frequency of the signal, which is an integer multiple of the fundamental frequency, e.g. if the fundamental frequency is f, the harmonics have frequency 2f, 3f, 4f, and so forth. For the electrical signal, the fundamental frequency is 50 Hz. Therefore, the harmonics of the power frequencies are integer multiples of the fundamental frequency. For example, 100 Hz is the second order harmonic, 150 Hz is the third order harmonic, 200 Hz is the fourth harmonic order and so on. Reason being harmonic current is the presence of nonlinear loads, i.e. loads that getting a current waveform which is different from the voltage waveform, i.e. drag power only in certain areas of tension. The problems caused by harmonics are: a) reducing the power factor that resulting to increased losses in the cable b) resonance resulting in the destruction of capacitors and transformations, c) harmonic voltage distortion which leads to increased losses in motors, d) interferences to control circuits and telecommunications, e) incorrect operation of protective devices, g) harassment of the electrical devices. All these cause degradation of power quality. And considering the increasing use of nonlinear loads, the improve of power quality is imperative in this era. To meet the harmonic current, using harmonic filters. Harmonic filters are divided into three categories. There are passive filters, active filters and hybrid filters. The passive harmonic filters consisting of capacitors, inductors and resistors can be divided into coordination filters and high pass filters. These are connected in parallel with nonlinear loads. Active filters can be divided into parallel active filters and series active filters in terms of the circuit configuration. At present, the parallel active filters are more attractive than the series active filters, in terms of form and function. The parallel active filter can be controlled by the following way. The controller observes the instantaneous load current. It extracts the harmonic current from the observed load current through the digital signal processing. The active filter supplies the load with harmonic current which needs to function properly, thus the power source exempt from the harmonic current. Different from the parallel active filter, the series active filter is controlled by the following way. The controller observes the instantaneous supply current. It extracts the harmonic current from the supply current through the digital signal processing. The active filter applies a voltage which is proportional to the harmonic current and opposite sign on the primary of the transformer which is connected in series with the power source. This results in significant reduction of the harmonic supply current. Hybrid Filters are a combination of a passive filter and an active filter. A very popular hybrid device is the series connection of an active filter and a passive filter. Generally, hybrid filters have advantages over active filters. Some of these are: a) show less voltage in the capacitor of the filter, b) using lower voltage-rated IGBTs as power devices, c) non-appearance of the dominant harmonic voltage at the ends of the active filter, d) less intense switching spikes, e) better filtering performance. In this thesis examined a medium-voltage transformerless hybrid active filter with three-level converter. The device under study consists of the power source, which has rated voltage 4.16 KV (polar voltage, rms value) and frequency 60 Hz. Also, the induction power source is Ls = 0.15 mH. The non-linear load is a diode rectifier device, where in the AC side has placed an induction of LAC to better protection of current. The hybrid active filter is connected directly to the load without the use of voltage step-down transformer. This particular hybrid device consists of a passive filter which is tuned to the seventh harmonic frequency, and an active harmonic filter. The active and passive filter are connected in series. The active filter uses a three-level inverter. The simulation of this device realized with the program PSCAD. The results indicate that after the activation of the hybrid filter, the power supply waveform is almost sinusoidal. Also see the spectrum with the harmonics of the supply current that is free from harmonics. Therefore, this device offers good performance filtering in medium voltage applications.

Η ραγδαία ανάπτυξη των ηλεκτρονικών ισχύος τα τελευταία χρόνια και η χρήση τους σε μια ποικιλία βιομηχανικών εφαρμογών οδήγησε στο πρόβλημα των ανώτερων αρμονικών. Η ύπαρξη ανώτερων αρμονικών επιφέρει πολλά προβλήματα στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και στα στοιχεία που τα αποτελούν. Για το λόγο αυτό, τοποθετούνται παθητικά φίλτρα που σκοπό έχουν να μειώσουν έως και να εξαλείψουν τις συνέπειες των αρμονικών. Ο σχεδιασμός των παθητικών αρμονικών φίλτρων μπορεί να γίνει με βάση διάφορα κριτήρια. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, γίνεται σχεδιασμός παθητικών αρμονικών φίλτρων με τη βοήθεια των γενετικών αλγορίθμων που σκοπό έχουν τη μεγιστοποίηση του συντελεστή ισχύος. Η μεγιστοποίηση του συντελεστή ισχύος γίνεται αυξάνοντας την ωφέλιμη ισχύ (την ισχύ της θεμελιώδους αρμονικής), μειώνοντας τη μιγαδική ισχύ και εξαλείφοντας την ισχύ των ανώτερων αρμονικών (απώλειες). Πιο συγκεκριμένα: Στο 1ο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στο πρόβλημα των ανώτερων αρμονικών καθώς και στις επιπτώσεις τους σε διάφορα τμήματα του εξοπλισμού ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης αναφέρεται συνοπτικά ο σκοπός των αρμονικών φίλτρων και της διπλωματικής εργασίας. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται εκτενής αναφορά στα παθητικά αρμονικά φίλτρα και σε θέματα που σχετίζονται με τα είδη, το μέγεθος, το κόστος, το σχεδιασμό και την προστασία των φίλτρων. Επιπλέον γίνεται μνεία στα όρια των αρμονικών βάσει του προτύπου 519-1992 του ΙΕΕΕ. Το 3ο κεφάλαιο γράφτηκε με σκοπό να αποτελέσει ένα εγχειρίδιο γενετικών αλγορίθμων. Ξεκινά με την ιστορική αναδρομή και γενικές έννοιες και επεκτείνεται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Επιπλέον γίνεται επεξήγηση των δυνατοτήτων του GA toolbox του Matlab καθώς και τα βήματα που θα πρέπει να ακολουθήσει κάποιος προκειμένου να χρησιμοποιήσει τους γενετικούς αλγορίθμους ως εργαλείο βελτιστοποίησης. 2 Στο 4ο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική περιγραφή του συστήματος και των δεδομένων του, αποδεικνύεται το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιήσαμε και γίνεται αναφορά στα μεγέθη που θα υπολογιστούν. Επιπροσθέτως, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τους γενετικούς αλγορίθμους για την περίπτωση των αρμονικών πηγής τάσης και για αυτή των αρμονικών πηγής ρεύματος έτσι ώστε να μεγιστοποιείται ο συντελεστής ισχύος. Τέλος, στο 5ο κεφάλαιο εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα τα οποία απορρέουν από το σχεδιασμό των παθητικών αρμονικών φίλτρων με τη χρήση των γενετικών αλγορίθμων έτσι ώστε να μεγιστοποιείται ο συντελεστής ισχύος. Εν κατακλείδι, αναφέρονται κάποιες μελλοντικές σκέψεις σχετικά με το σχεδιασμό παθητικών αρμονικών φίλτρων. / The rapid development of power electronics in recent years and their use in a variety of industrial applications led to the problem of higher harmonics. The existence of higher harmonics causes many problems in power electric systems and the elements they consist of. This is the reason why passive filters which are designed in order to reduce or even eliminate the effects of higher harmonics are used. The design of passive filters is based on various criteria. This Thesis, examines the design of passive harmonic filters (using genetic algorithms), which aim to maximize power factor. By increasing the useful power (power of fundamental harmonic), decreasing the apparent power and eliminating the power of higher harmonics (losses), the power factor is being maximized. More specific: The first chapter is an introduction to the problem of higher harmonics, as well as to their effects on various parts of electric power system equipment. There is also a summary of the purpose of harmonic filters and this thesis. In the second chapter extensive references are made on passive harmonic filters and issues relating to species, size, cost, design and protection of filters. In addition, reference is made to harmonic bounds, based on IEEE Standard 519-1992. The third chapter is written in order to serve as a handbook of genetic algorithms. It enters with the historical background of genetic algorithms and extends to their use on a wide range of applications. The potentials of Genetic Algorithm (GA) toolbox of Matlab are explained. The steps to be followed in order to use genetic algorithms as optimization tool are also mentioned. A detailed description of the system and its data is given in the fourth chapter. The mathematical model and its relations used to simulate our system are proved. An extensive reference is made to the units sizes that will be calculated. Additionally, the results obtained from the genetic algorithms both in the case of the harmonic voltage source and the harmonic current source, in order to maximize the power factor, are presented. Finally, in the fifth chapter, useful conclusions are drawn from the design of passive harmonic filters (using genetic algorithms). In addition some thoughts about alternative designs of passive harmonic filters are stated in this chapter.