The present power system is loaded with sophisticated energy conversion technologies like solid state converters. With the rapid advance in semiconductor technology, power electronics have provided new devices that are highly efficient and reliable. These devices are inherently non-linear, which causes the current to deviate from sinusoidal conditions. This phenomenon is known as harmonic current distortion. Multiple consumers are connected to the utility at the point of common coupling. Harmonic currents are then transmitted into the distribution system by various solid state users and this could lead to voltage distortion. Harmonic distortion is just one of the power quality fields and is not desirable in a power system. Distortion levels could cause multiple problems in the form of additional heating, increased power losses and even failing of sensitive equipment. Utility companies like Eskom have power quality monitors on various points in their distribution system. Data measurements are taken at a single point of delivery during certain time intervals and stored on a database. Multiple harmonic measurements will not be able to describe distortion patterns of the whole distribution system. Analysis must be done on this information to translate it to useful managerial information. The aim of this project is to develop a benchmarking methodology that could aid the supply industry with useful information to effectively manage harmonic distortion in a distribution system. The methodology will implement distortion indexes set forth by the Electrical Power Research Institute [3], which will describe distortion levels in a qualitative and quantitative way. Harmonic measurements of the past two years will be used to test the methodology. The information is obtained from Eskom’s database and will benchmark the North-West Province distribution network [40]. This proposed methodology will aim to aid institutions like NERSA to establish a reliable power quality management system. / Thesis (M.Ing. (Nuclear Engineering))--North-West University, Potchefstroom Campus, 2012

Orientador: Paulo José Amaral Serni / Banca: Wilson Komatsu / Banca: Fernando Pinhabel Marafão / Resumo: Dentre as muitas topologias de condicionadores de energia disponíveis na literatura, destaque especial tem sido dado aos filtros ativos de potência, dispositivos tipicamente eletrônicos, controlados digitalmente. Neste sentido, as topologias mais estudadas são as de filtros ativos paralelos, filtros ativos série e filtros ativos universais (série-paralelo). Neste trabalho, foi dada atenção especial ao estudo de um filtro ativo universal, também conhecido coo Condicionador Unificado de Qualidade de Energia (CUQE) ou em inglês, Unified Power Quality Conditioner (UPQC). Assim, dentre os muitos assuntos que permeiam o projeto e implementação deste dispositivo, este trabalho propõe novos algoritmos para a geração de referência dos conversores eletrônicos, bem como algoritmos de inicialização e proteção do CUQE. Os algoritmos de referênciasão baseados em técnicas de álgebra vetorial e filtragem digital, enquantoas rotinas de inicialização e proteção visam à solução de problemas de ordem prática, para que o dispositivo possa ser utilizado em ambiente industrial, como produto. Um estudo sobre os controladores de tensão e corrente também foi realizado e as técnicas mais adequadas estão descritas no trabalho. Destaca-se que todos os algoritmos de geração de referência, proteção, inicialização e os controladores foram avaliados e validados por meio de simulações computacionais e resultados experimentais. No caso dos resultados experimentais, foram realizados ensaios em malha aberta para validação dos algoritmos de referência, bem como ensaios em um protótipo de CUQE, de potência igual a 75 KVA, os quais validaram o desempenho de todos os algoritmos desenvolvidos em um dispositivo real para aplicações industriais / Abstract: Among different topologies of power conditioners found in literature, special emphasis has been given to active power filters (typically power electronic devices with digital control). In this sense, the most studied topologies have been the parallel active filters, the series active filters and the unified active filters (series-parallel). In this work, special attention was given to the study of a Unified Power Quality Conditioner (UPQC). Thus, among many issues that underline the design and implementation of this device, this dissertation proposes new algoritmos for the generation of voltage and current references to the applied power converters, as well algoritmos for the initialization and protection of the UPQC. The reference algorithms are based on vector algebra and digital filtering techniques, while the initialization and protection routines aimed to solve practical problems, so the device can be used in and industrial environment, as a commercial product. The voltage and current controllers were also studied and the most suitable techniques are described. It is noteworthy that all proposed algorithms and controllers have been evaluated and validated by means of computer simulations and experimental results. The experimental validation were performance by means of open loop tests, as well as considering an UPQC prototype (75 KVA rated) in order to validate the overall UPQC development and the performance of the proposed algorithms / Mestre

Este trabalho apresenta uma metodologia de tratamento e análise baseada em medições de tensões e correntes com conteúdo harmônico para avaliar a contribuição de harmônicos dos elementos da rede elétrica baseando-se somente nas medições sincronizadas de alguns pontos da rede. Os métodos de análise propostos neste trabalho consistem em análises por correlação entre as correntes harmônicas de dois locais diferentes, utilizando os registros semanais de valores eficazes das correntes harmônicas medidas, buscando identificar as linhas de transmissão que possuem o mesmo comportamento de correntes harmônicas quanto a sua variação semanal em amplitude e em análises de fasores medidos nestes locais para determinar os fluxos de correntes sobre as barras do sistema. Para demonstrar o método, é apresentado um estudo de caso de uma campanha de medição feita pelo Operador Nacional do Sistema e pela Universidade de São Paulo, nos anos de 2007 e 2008, sobre as correntes de 5ª harmônica que sobrecarregavam os filtros na Subestação de Ibiúna. O método foi utilizado para investigar as origens dessas correntes no sistema de alta tensão. Os resultados da análise por correlação indicaram as linhas de transmissão com maior contribuição para as correntes absorvidas pelos filtros. Essas correntes são originárias de duas subestações e foi possível detectar a influência dos cabos subterrâneos ligados a estas subestações na amplificação destas correntes. Análises fasoriais nas subestações ao longo dos corredores estudados serviram para validar os resultados obtidos da análise por correlação e uma simulação do fenômeno de ressonância harmônica foi realizada, confirmando a suspeita de amplificação das correntes de 5ª harmônica nos cabos subterrâneos. / This MSc thesis presents a methodology of treatment and analysis based on measurements of harmonic voltage and current to evaluate the harmonic contribution of the network elements in power systems based only on synchronized measurements of few points in the network. The method consists in a correlation analysis of weekly recordings of RMS values of harmonic currents measurements, to identify power lines that present the same behavior in harmonic currents regarding their weekly variation in amplitude. Another approach performs a phasor analysis of currents measured to determine current flows incoming some specific network buses. In order to demonstrate the method, a case study is considered, which consists in a measurement campaign carried out by the ISO and the University of São Paulo, in the years of 2007 and 2008, on the pattern of 5th harmonic currents that overload the filters installed at the Ibiúna Substation. The method was used to investigate the origins of these currents at the high voltage system. The outcome of the correlation analysis indicated the transmission lines with greater contribution to the currents absorbed by the filters. These currents originate from two substations and it was also detected the influence of underground cables connected to these substations in the amplification of these currents. Phasor analysis in substations applied to the studied power lines validated the results obtained from correlation analysis and a simulation of the phenomenon of harmonic resonance was performed, bringing confirmation of the amplification of the 5th harmonic current on the underground cables.

A crescente utilização de cargas sensíveis em aplicações industriais, atualmente tem levado a uma preocupação real devido aos custos provocados por interrupções e danos causados a linhas de produção automatizadas. Este trabalho apresenta uma solução baseada em sistemas de eletrônica de potência capaz de compensar Voltage Sags, Voltage Swells e distorções harmônicas de tensão, restaurando a tensão da carga a valores aceitáveis através de um transformador de injeção conectado em série entre a rede e a carga. As características de projeto para um protótipo de Restaurador Dinâmico de Tensão (DVR) são detalhadas, estratégias de controle são comparadas e uma das alternativas é implementada em um DSP (Digital Signal Processor). Finalmente, resultados experimentais de um protótipo de 5kVA são apresentados. / The increasing use of voltage sensitive loads on industrial applications has led to a real concern about interruption costs and damages on automatic production lines. This work presents a power-electronic-based device which compensates Voltage Sags, Voltage Swells and Voltage Harmonic Distortion, restoring the load voltage to acceptable values through a series connected injection transformer. The ratings and power requirements of a Dynamic Voltage Restorer (DVR) are derived, as well as its control algorithm implemented in a Digital Signal Processor (DSP). Finally, simulation and experimental results of a 5kVA prototype are presented.

Os modernos equipamentos elétricos de aquecimento de água de passagem, popularmente conhecidos como chuveiros, duchas ou aquecedores, possuem como elementos aquecedores resistências elétricas constituídas por um fio de liga metálica enrolado, geralmente em ferro-cromo-alumínio ou níquel-cromo. O controle da temperatura da água é usualmente realizado pelo controle do fluxo d'água e pela mudança das derivações ("taps") presentes na resistência. A simplicidade deste controle se opõe à sua falta de flexibilidade para impor ajuste simultâneo de temperatura e vazão d'água. Um controle eletrônico de potência é oferecido como diferencial nos modelos mais sofisticados. Os modelos atualmente existentes no mercado são implementados com controle eletrônico por ângulo de fase, e é sabido que esse tipo de controle gera problemas de distorção harmônica de corrente das redes de energia, com a presença de harmônicas superiores de corrente (acima da fundamental) cuja filtragem é de difícil implementação devido ao nível de potência envolvido e às dimensões físicas dos aparelhos de aquecimento. Como alternativa a esse tipo de controle existe o controle por ciclos inteiros, o qual não gera harmônicas superiores de corrente, mas traz outro inconveniente, que é a produção de variação de tensão da rede de energia, que acarreta variação de luminosidade nas lâmpadas da instalação em níveis de freqüência perceptíveis ao olho humano (fenômeno conhecido como cintilação ou "flicker"). O objetivo do presente trabalho é propor uma solução otimizada ao controle de potência por ciclos inteiros, onde o mesmo é implementado por semi ciclos inteiros "otimizados" de forma a não gerar distorção harmônica nem cintilação de luminosidade perceptível ao olho humano. / Modern electrical direct water heating (DWH) equipments use electrical resistances built with metal alloys (iron-chrome-aluminum or nickel-chrome) as heating elements. Water temperature control is usually made with water flow control, as well as with resistance tap changing. The simplicity of this approach conflicts with to the lack of flexibility to allow simultaneous control of both water flow and its temperature. Therefore, an electronic power control is usually found in more sophisticated models. Usually the electronic power control is implemented by using phase angle control, which causes higher order current harmonics distortion of AC line currents, and filtering is difficult due to the high level of power involved and to the limited dimensions of typical electrical DWH equipment. The alternative for this type of power control is the cycle-by-cycle power control, which does not generate higher order current harmonics but creates line voltage variation, which in turn provokes lighting level variation and resulting unsteadiness on visual sensation, also known as flicker. The aim of the present work is to present an optimized solution for a half-cycle power control, in a way that does not generate harmonic distortion nor eye perceptible level of flicker.

Power quality is an issue of ever increasing importance, and with ever increasingcustomer expectations on such issues, the significance of supplying customers withhigh quality power can never be underestimated. One of the most important mattersthat define power of good quality is the voltage level each customer is supplied with.Most appliances are designed to operate satisfactorily only within a narrow range ofsupply voltages. Inappropriate supply voltages can not only result in poor performingappliances, it can also cause equipment damage, increase distribution losses anddecrease the revenue for the power supplier.The point that is electrically closest to the consumers, where the voltage is activelyregulated and monitored, is usually in a zone substation, where on load tap changerson the zone substation transformers ensure that the voltage in the distribution networkis kept within appropriate limits. The supply voltage is therefore directly reliant oncorrect operation and functionality of the on load tap changers and their controllingautomatic voltage regulators. The main objective that this thesis seeks to achieve is todetermine the most effective method of voltage control to be utilised with differenttypes of zone substations, primarily with respect to the algorithms utilised in theautomatic voltage regulator.Metering data from the distribution network has been utilised to examine the presentvoltage performance of the distribution network. Different reasons that can causevoltage fluctuations and unpredictable voltage performance are investigated anddiscussed. Voltage levels that are investigated are steady-state voltages, hencetransients, flicker, and sags and swells of short duration have not been taken intoconsideration. The present voltage levels are also examined in network models, withthe aim to investigate the impact of altered methods of voltage control in zonesubstations. The accuracy of the utilised network models is also investigated, bycomparing metering data to modelled voltage levels.This thesis is undertaken with the assistance of Ergon Energy Corporation Limited, acorporation owned and operated by the Queensland Government. Ergon Energy ownsand operates the subtransmission and distribution network in regional Queensland. Itis intended that this thesis will aid understanding of the voltage performance of thedistribution network, and that it will bring clarity to how the voltage in thedistribution network should be controlled in order to achieve optimum voltageperformance. / Uppsatsnivå: C

A crescente utilização de cargas sensíveis em aplicações industriais, atualmente tem levado a uma preocupação real devido aos custos provocados por interrupções e danos causados a linhas de produção automatizadas. Este trabalho apresenta uma solução baseada em sistemas de eletrônica de potência capaz de compensar Voltage Sags, Voltage Swells e distorções harmônicas de tensão, restaurando a tensão da carga a valores aceitáveis através de um transformador de injeção conectado em série entre a rede e a carga. As características de projeto para um protótipo de Restaurador Dinâmico de Tensão (DVR) são detalhadas, estratégias de controle são comparadas e uma das alternativas é implementada em um DSP (Digital Signal Processor). Finalmente, resultados experimentais de um protótipo de 5kVA são apresentados. / The increasing use of voltage sensitive loads on industrial applications has led to a real concern about interruption costs and damages on automatic production lines. This work presents a power-electronic-based device which compensates Voltage Sags, Voltage Swells and Voltage Harmonic Distortion, restoring the load voltage to acceptable values through a series connected injection transformer. The ratings and power requirements of a Dynamic Voltage Restorer (DVR) are derived, as well as its control algorithm implemented in a Digital Signal Processor (DSP). Finally, simulation and experimental results of a 5kVA prototype are presented.

Este trabalho apresenta uma metodologia de tratamento e análise baseada em medições de tensões e correntes com conteúdo harmônico para avaliar a contribuição de harmônicos dos elementos da rede elétrica baseando-se somente nas medições sincronizadas de alguns pontos da rede. Os métodos de análise propostos neste trabalho consistem em análises por correlação entre as correntes harmônicas de dois locais diferentes, utilizando os registros semanais de valores eficazes das correntes harmônicas medidas, buscando identificar as linhas de transmissão que possuem o mesmo comportamento de correntes harmônicas quanto a sua variação semanal em amplitude e em análises de fasores medidos nestes locais para determinar os fluxos de correntes sobre as barras do sistema. Para demonstrar o método, é apresentado um estudo de caso de uma campanha de medição feita pelo Operador Nacional do Sistema e pela Universidade de São Paulo, nos anos de 2007 e 2008, sobre as correntes de 5ª harmônica que sobrecarregavam os filtros na Subestação de Ibiúna. O método foi utilizado para investigar as origens dessas correntes no sistema de alta tensão. Os resultados da análise por correlação indicaram as linhas de transmissão com maior contribuição para as correntes absorvidas pelos filtros. Essas correntes são originárias de duas subestações e foi possível detectar a influência dos cabos subterrâneos ligados a estas subestações na amplificação destas correntes. Análises fasoriais nas subestações ao longo dos corredores estudados serviram para validar os resultados obtidos da análise por correlação e uma simulação do fenômeno de ressonância harmônica foi realizada, confirmando a suspeita de amplificação das correntes de 5ª harmônica nos cabos subterrâneos. / This MSc thesis presents a methodology of treatment and analysis based on measurements of harmonic voltage and current to evaluate the harmonic contribution of the network elements in power systems based only on synchronized measurements of few points in the network. The method consists in a correlation analysis of weekly recordings of RMS values of harmonic currents measurements, to identify power lines that present the same behavior in harmonic currents regarding their weekly variation in amplitude. Another approach performs a phasor analysis of currents measured to determine current flows incoming some specific network buses. In order to demonstrate the method, a case study is considered, which consists in a measurement campaign carried out by the ISO and the University of São Paulo, in the years of 2007 and 2008, on the pattern of 5th harmonic currents that overload the filters installed at the Ibiúna Substation. The method was used to investigate the origins of these currents at the high voltage system. The outcome of the correlation analysis indicated the transmission lines with greater contribution to the currents absorbed by the filters. These currents originate from two substations and it was also detected the influence of underground cables connected to these substations in the amplification of these currents. Phasor analysis in substations applied to the studied power lines validated the results obtained from correlation analysis and a simulation of the phenomenon of harmonic resonance was performed, bringing confirmation of the amplification of the 5th harmonic current on the underground cables.

Harmonic impedance characterizes the voltage response of a power system when it is subjected to the influence of high-frequency currents. The impedance is a key parameter of a power network and must be known to diagnose power system problems caused by high-frequency disturbances and to design disturbance-mitigation measures. Unfortunately, determining an operating power systems harmonic impedances is very difficult; they must be measured when the system is energized. In fact, how to measure a power systems high-frequency impedances has been a challenging and frequent research topic in the power engineering field. This thesis presents a measurement methodology that can determine the harmonic impedances and sources at both sides of utility-customer interface. This methodology is applicable to single-phase three-wire systems under energized conditions. A potential application of the method is to determine the harmonic contributions of the supply system and its customers at the interface points. / Power Engineering and Power Electronics

Large scale penetration of distributed generation is one of the most important challenges that Smartgrids will need to deal with. Among the possible solutions to increase the amount of distributed generation, there is one that consists in meshing the existing looped (but radially operated) distribution-grid topologies. In order to migrate towards meshed and actively operated topologies, this PhD proposes:- The study a solution that is able to modulate power-flow (active and reactive powers independently) in the ties between distribution grids.- The analyzed solution must also be able to improve power-quality or to avoid propagation of power quality disturbances from one grid to the other.In order to satisfy the double challenge of controlling power-flow and power quality simultaneously, this PhD proposes the use of a Unified Power Line Conditioner (UPLC). Considering the outstanding functionalities of UPLC, the main ambition of the PhD is to explore the potential and the interest of using such an apparatus for interconnecting MV distribution grids.It must nevertheless consider that UPLC is not the only a device capable of combining these functions. A device named Medium Voltage Direct Current (MVDC) can also deal with these multiple objectives. One part of the PhD is thus committed to a comprehensive comparison between both apparatus.