The most important advantages of Multilevel Inverters are the absence of a coupling transformer for medium voltage applications and low harmonic current content. In this way, relocatable and economical STATCOM systems can be realized. Complex control algorithms and the isolation problems of measurement devices and power supplies are the main challenging parts of this type of application. In this study, the design, realization, and the performance of a Voltage Source Type Cascaded Multilevel Converter Based STATCOM will be investigated in terms of digital computation, control hardware and the semiconductors devices commercially available in the market. This research work is fully supported by the Public Research Grant Committee (KAMAG) of TUBiTAK within the scope of National Power Quality Project of Turkey with the project No: 105G129.

The modern society uses more and more electronic devices needed to being able to function together. This put higher demands on the electrical grid together with that the typical load have changed from the past. Therefore utility companies are obliged to keep the voltage within certain limits for this to function. What exact these limits have been have not always been clear since they have not been gathered in one single document.  This thesis is a cooperation with Kraftringen who also has been the initiator. Kraftringen would like to become more proactive in their work regarding electric power quality. For becoming more proactive continuously measurements have to be done but the locations have to be carefully selected in the beginning to get a wider perspective of the grid. Energy markets inspectorate (EI) is supervisory of the electric power quality in Sweden and since 2011 they have published a code of statutes (EIFS 2011:2 later 2013:1) intended to summarize limits on voltage. Some of the electrical power quality aspects are not mentioned in EIFS 2013:1 and standards have to be used to find limited values. Flicker and interharmonics are not mentioned in EIFS 2013:1 and for values on flicker the standard SS-EN 50160 has to be used and for interharmonics the standard SS-EN 61000-2-2 state limit values. Besides all this there are standards with stricter limits than EIFS 2013:1 e.g. for total harmonic distortion on voltage were SS-EN 61000-2-2 suggest 6 % instead of 8 %. Three different field studies have been conducted in order to get some perception of the present situation regarding electric power quality. Two measurements were conducted on a typical office building because they represents a large part of the typical load in Lund. The third measurement was conducted on a substation in a rural area to get a perception of the situation outside urban areas.  These measurements shown that the overall electric power quality was within given limits according to EIFS 2013:1 and different standards. However, conducted measurements shown some interesting results. Both the typical office buildings have a slightly capacitive power factor which results in that the voltage inside the building is going to be slightly higher than at the substation. Since the voltage level at the measured urban substation was above nominal voltage level with about 2-5 % this could be problematic. Another eventual problem with a load with a capacitive power factor is resonance with the inductive parts of the grid like transformers leading to magnified harmonic levels. It is suggested that Kraftringen expand their number of permanent electric power quality measurement locations to get a better overview of the present situation. The best suited locations to start with are such that have received complaints earlier, preferably measured on the low voltage side of the transformer for also register the amount of zero sequence harmonics. Next step in the measurement expansion would be substations known to be under higher load than others or substations with a PEN-conductor in a smaller area than the phase conductors, supplying a typical office load with high amounts of third harmonics and unbalance. From this it would be appropriate to spread out the measurement locations geographically to better get to know the grids behaviour.

Solar power, clean and abundant, is considered as a vital contributor in the effort of transforming world energy-mix to pollution-free and natural-regenerative sources.   The solar micro inverters have gained greater visibility during the past several years due to their higher efficiency, greater performances, longer life expectancy and many other benefits. But, integrating small scale [<15kW] renewable energy sources, especially the low frequency switching solar inverters to the low voltage distribution grid has its own challenges due to their inability to generate reactive power to maintain the static voltage stability of the grid. Higher level of solar penetration has identified as a potential cause of low voltage grid instability due to lack of reactive power feeding and their tendency to keep on increasing the voltage higher than grid at the point of common connection [PCC] in order to inject the current to the grid. The studies and experience in voltage stability issues has resulted in introducing many new grid regulations to manage the grid voltage stability throughout the world. The new regulation, VDE-AR-N-4105-2011 is a German grid regulation standard specifically focuses on the low voltage grid connected power generators. This regulation has addressed the reactive power requirements in terms of power factor and supply management to maintain the grid static voltage variation less than 3% at the PCC, when connecting any type of distributed power generators to the low voltage network. This report discuss about the voltage stability issues related to low frequency switching inverters and present a solution to comply with low voltage grid regulation - VDE-AR-N-4105-2011; a SmartVar Generator concept, theory, design and functionality.

The study reviews and examines the definitions of reactive power, apparent power, and power factor. Among the different definitions of power factor in three-phase circuits under a non-sinusoidal condition, this study adopts the definition of the effective power factor, which is also advocated by IEEE Standard 1459-2010. The effective power factor is defined as the ratio of the real power consumed by the load over the effective apparent power. The effective apparent power is the maximum power transmitted to the load (or delivered by a source) while keeping the same line losses and the same load (or source) voltage and current. The effective power factor theory gives apparent power a definite physical significance and provides more insights than other definitions in unbalanced circuits. Another merit of the effective power factor definition is that it only involves measurements and computations in the time domain. This study implements the computation of the effective power factor in MATLAB for use in PSCAD/EMTDC. The latter simulates the power system and provides three-phase voltage and current measurements. MATLAB performs the effective power factor computation and sends the results back to PSCAD. A number of simulations are provided in this report to demonstrate the validity and the accuracy of this implementation. / text

Distribution system voltage and VAR control (VVC) is a technique that combines conservation voltage reduction and reactive power compensation to operate a distribution system at its optimal conditions. Coordinated VVC can provide major economic benefits for distribution utilities. Incorporating distributed generation (DG) to VVC can improve the system efficiency and reliability. The first part of this dissertation introduces a direct optimization formulation for VVC with DG. The control is formulated as a mixed integer non-linear programming (MINLP) problem. The formulation is based on a three-phase power flow with accurate component models. The VVC problem is solved with a state of the art open-source academic solver utilizing an outer approximation algorithm. Applying the approach to several test feeders, including IEEE 13-node and 37-node radial test feeders, with variable load demand and DG generation, validates the proposed control. Incorporating renewable energy can provide major benefits for efficient operation of the distribution systems. However, when the number of renewables increases the system control becomes more complex. Renewable resources, particularly wind and solar, are often highly intermittent. The varying power output can cause significant fluctuations in feeder voltages. Traditional feeder controls are often too slow to react to these fast fluctuations. DG units providing reactive power compensation they can be utilized in supplying voltage support when fluctuations in generation occur. The second part of this dissertation focuses on two new approaches for dual-layer VVC. In these approaches the VVC is divided into two control layers, slow and fast. The slow control obtains optimal voltage profile and set points for the distribution control. The fast control layer is utilized to maintain the optimal voltage profile when the generation or loading suddenly changes. The MINLP based VVC formulation is utilized as the slow control. Both local reactive power control of DG and coordinated quadratic programming (QP) based reactive power control is considered as the fast control approaches. The effectiveness of these approaches is studied with test feeders, utility load data, and fast-varying solar irradiance data. The simulation results indicate that both methods achieve good results for VVC with DG.

Thesis (Ph. D.)--Ohio University, August, 1993. / Title from PDF t.p.

Στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, η άεργος ισχύς που παράγουν τα αιολικά πάρκα είναι ένα πολύ σοβαρό ζήτημα που πρέπει να μελετηθεί τόσο στη μόνιμη κατάσταση όσο και στη δυναμική και μεταβατική μετά από σφάλματα και μεγάλες διαταραχές. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκπονείται μελέτη που αφορά την κατανεμημένη παραγωγή και ιδιαίτερο βάρος δίνεται στην ανεμογεννήτρια μεταβλητών στροφών με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και τα όρια που παρουσιάζει η λειτουργία της από περιοριστικούς παράγοντες όπως: 1) ρεύμα του στάτη, 2) τάση του δρομέα, 3) ρεύμα του δρομέα. Αρχικά μελετάται η γενική δομή ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και τα βασικά χαρακτηριστικά του δικτύου. Περιγράφεται επίσης σύντομα η κανονική λειτουργία και η ευστάθεια των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και πως μπορεί να γίνει ρύθμιση της τάσης και της αέργου ισχύος δύο μεγεθών με ισχυρή συσχέτιση. Στην συνέχεια προχωράμε στην περιγραφή της διεσπαρμένης παραγωγής και την διείσδυσή της στο δίκτυο. Παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα καθώς και τα μειονεκτήματά της όπου αυτά υπάρχουν και περιγράφονται κάποια πολύ βασικά είδη της δίνοντας έμφαση στα είδη των ανεμογεννητριών. Στο κύριο μέρος της εργασίας περιγράφεται αρχικά το μοντέλο της ανεμογεννήτριας μεταβλητών στροφών με επαγωγική μηχανή διπλής τροφοδοσίας (DFIG) και παρουσιάζεται η θεωρητική επίδραση των παραπάνω περιοριστικών παραγόντων στην λειτουργία της. Στόχος της μελέτης είναι η προσομοίωση των παράπάνω σε μια πραγματική μηχανή κάτι που γίνεται στο Simulink του Matlab. Α) παρουσίαζονται τα όρια από τους τρείς περιοριστικούς παράγοντες. Β) περιγράφεται η επίδραση του μετασχηματισμού από αστέρα σε τρίγωνο στα τυλίγματα του στάτη. Γ) Σχεδιάζονται όλα τα όρια μαζί και παρατηρούμε ότι το όριο που κυριαρχεί σχετικά με την παραγωγή αέργου ισχύος είναι το ρεύμα του δρομέα ενώ το όριο που κυριαρχεί σχετικά με την απορρόφηση αέργου ισχύος είναι το ρεύμα του στάτη. Δ) Τέλος παρατηρούμε ότι η τάση του δρομέα επιδρά σαν όριο μόνο σε μεγάλες τιμές της ολίσθησης (είτε αρνητικής είτε θετικής ), αλλά κοντά στα όριά της είναι πολύ ευαίσθητη στις αλλαγές της τιμής της ολίσθησης. / In the modern regulations of transport of energy, reactive power by wind farms is a major concern that should be studied during both steady-state and dynamic-fault condition. This diploma thesis forms the distribution systems and particular weight is given in the wind turbine of variable speed with doubly fed induction generator (DFIG) and the operation limits from these factors: 1) stator current, 2) rotor voltage, 3) rotor current . Initially is studied the general structure of system of electric energy and the basic characteristics of the grid. Also are shortly described the regular operation and the stability of systems of electric and the regulation of voltage and reactive power- two sizes with powerful cross-correlation . Then we are going on with the description of distribution systems and the impact that wind turbines have in the grid where were connected. The advantages are presented as well as the disadvantages where these exist and we describe some of the very basic types of distributed generation giving accent in the types of wind generators. In the main part of work is described initially the model of wind turbine of variable speed with doubly fed induction generator (DFIG) and is presented the effect of the restrictive factors in the operation. Objective of study is the simulation in a real machine something that becomes in the Simulink of Matlab. A) The limitations in reactive power production, caused by the rotor current, the rotor voltage and the stator current are derived. B) The influence of switching from D to Y coupling of the stator is investigated. C) It is concluded that the limiting factor regarding reactive power production will typically be the rotor current limit, and that the limit for reactive power absorption will be the stator current limit. D) Further, it is concluded that the rotor voltage will only have a limiting effect at high positive and negative slips, but near the limitation, the reactive power capability is very sensitive to small changes in the slip.

Σήμερα στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλο ποσοστό της ισχύος παράγεται από αιολικά πάρκα αλλά και από θερμικούς σταθμούς. Η διείσδυση κατανεμημένης παραγωγής στα συστήματα χρειάζεται ιδιαίτερη μελέτη. Σε αυτή την εργασία ερευνήθηκε η λειτουργία ολόκληρων συστημάτων διανομής που περιείχαν διάφορα αιολικά πάρκα και θερμικούς σταθμούς. Αρχικά εξετάστηκε το θέμα του εντοπισμού των απωλειών ισχύος σε συστήματα διανομής με κατανεμημένη παραγωγή. Παρουσιάστηκαν μια νέα σχετικά προσέγγιση στον εντοπισμό των απωλειών με βάση τις τροφοδοσίες ρευμάτων καθώς και μία μήτρα εμπεδήσεων. Τα παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη στατιστική ανάλυση των απωλειών βάσει της γραμμικής παλινδρόμησης ή την εκτίμηση της συνδιακύμανσης μεταξύ φορτίου και παραγωγής. Στη συνέχεια περιγράφεται το πρόβλημα της βραχυπρόθεσμης ευστάθειας τάσης σε δίκτυα με υψηλή διείσδυση κατανεμημένης παραγωγής. Εστιάζουμε στην αναπαράσταση του δικτύου κατά τη διάρκεια και μετά από την εμφάνιση σφάλματος ως ισοδύναμο κύκλωμα Thevenin τάσης και εμπέδησης. Επίσης διερευνάται η επίδραση γειτονικών σύγχρονων γεννητριών, ανεμογεννητριών τύπου Δανίας, SVC, και STATCOM στις παραμέτρους Thevenin. Τελικά εξετάζεται το πρόβλημα του ελέγχου τάσης και άεργου ισχύος. Ιδιαίτερη προσοχή δίνεται στους περιορισμούς τροφοδοσίας πραγματικής και άεργου ισχύος οι οποίες επιβάλλονται από τα όρια του πλάτους της τάσης. / Nowadays in power systems a large amount of power produced from wind farms and Heat Power Plants (HPP). High penetration of distributed generation in power systems is a subject to study. Τhe focus of this project is on the operation of an entire distribution system with several wind farms and HPP. Firstly, the subject of allocation of power system losses in a distribution system with distributed generation is treated. A new approach to loss allocation based on current injections and an impedance matrix is presented. The formulation can be used for statistical analysis of the losses based on linear regression or estimates of covariances between production and load. Secondly, the problem of short term voltage stability in networks with high penetration of DG is assessed. The focus is on the representation of the network during and after a fault as a Thevenin equivalent voltage and impedance. The influence of adjacent synchronous generators, Danish concept wind turbines, SVCs and STATCOMs on the Thevenin parameters have been investigated. Finally, the problem of voltage and reactive power control is investigated. Special focus is on the constraints for active and reactive power injection which are imposed by the voltage magnitude limits.

Το ενεργειακό πρόβλημα, καθώς και οι συνέπειες του φαινομένου του θερμοκηπίου που βρίσκεται σε έξαρση στις μέρες μας είναι από τα σπουδαιότερα προβλήματα του πλανήτη και κάνουν αναγκαία και επιβεβλημένη τη μείωση της χρήσης ορυκτών καυσίμων και την προσπάθεια για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με όσο το δυνατόν πιο οικονομικό, αλλά και φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο. Συνεπώς, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και κυρίως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια αποκτούν σπουδαίο ρόλο στο στόχο αυτό. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετάμε το μετατροπέα που συνδέεται στην πλευρά του δικτύου και παρουσιάζουμε αναλυτικά τις βασικές τοπολογίες που εφαρμόζονται σε αιολικά και σε φωτοβολταϊκά συστήματα. Η διάταξη που εξετάζουμε αποτελείται από έναν μετατροπέα ac/dc, ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μέσω πυκνωτή (dc-link) και ένα R-L φίλτρο στην πλευρά του δικτύου. Σκοπός, λοιπόν, αυτής της εργασίας είναι να μελετήσουμε τη διάταξη αυτή στο d-q στρεφόμενο σύστημα κάθετων αξόνων μέσω του μετασχηματισμού Park και να εφαρμόσουμε την κατάλληλη μεθοδολογία ελέγχου, εξετάζοντας δυο διαφορετικές περιπτώσεις: στην πρώτη περίπτωση διατηρούμε σταθερή σε μηδενική τιμή την αναφορά αέργου ισχύος ενώ στη δεύτερη διατηρούμε σταθερή την ενεργό ισχύ. Τέλος, προσομοιώνουμε το σύστημα αυτό στο περιβάλλον Simulink του Matlab και για τις δύο παραπάνω περιπτώσεις και στη συνέχεια παρουσιάζουμε τις αποκρίσεις των προσομοιώσεων και εξάγουμε συμπεράσματα, προκειμένου να αναδειχθεί η σωστή λειτουργία της διάταξης αυτής. / The energy problem and the consequences of the greenhouse effect that is on the rise nowadays are two of the most important global problems and make necessary and imperative the reduce of the use of fossil fuels and the effort to produce electricity in a more economical and environmentally friendly way. Therefore, the Renewable Energy Sources and especially wind and solar power have a great role in this objective. In this thesis we consider the converter connected to the grid side and present in detail the basic topologies applied in wind and photovoltaic systems. The system under consideration consists of an ac/dc converter, an energy storage system via capacitor (dc-link) and an R-L filter on the grid side. Aim of this thesis is to study this system in the d-q rotating vertical axes system through the Park transformation and apply the appropriate control methodology, considering two different cases: in the first case we keep the reactive power reference steady and equal to zero while in the second case we keep the active power steady. Finally, we simulate this system with the Matlab Simulink for both cases and then we present simulations of the responses and draw conclusions in order to demonstrate the correct operation of this system.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε κατά το διάστημα 11/2011-9/2012 στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων του εργαστηρίου Παραγωγής, Μεταφοράς, Διανομής και Χρησιμοποίησης Ηλεκτρικής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, υπό την επίβλεψη του καθηγητή Γαβριήλ Β. Γιαννακόπουλου. Σκοπός της εργασίας είναι η σύγκριση της δυναμικής συμπεριφοράς ενός συμβατικού σύγχρονου αντισταθμιστή και ενός εγκάρσιου στατικού αντισταθμιστή αέργου ισχύος (SVC) σε ένα εγκατεστημένο ηλεκτρικό δίκτυο, προσομοιώνοντας διαφορετικές περιπτώσεις που επηρεάζουν την διαδικασία αντιστάθμισης αέργου ισχύος και υποστήριξης τάσης σε ζυγούς του δικτύου. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται το μαθηματικό μοντέλο του σύγχρονου αντισταθμιστή, οι επαγωγικές παράμετροι που το χαρακτηρίζουν, τα διαφορετικά μοντέλα συστημάτων διέγερσης που χρησιμοποιούνται και ο Μετασχηματισμός Park. Όσον αφορά τον εγκάρσιο στατικό αντισταθμιστή (SVC) παρουσιάζονται οι βασικές αρχές ελέγχου των TCR και TSC που διαθέτει, η χαρακτηριστική τάσης-ρεύματος και γίνεται μια αναλυτική περιγραφή των συνιστωσών του συστήματος ελέγχου του, όπως ο ρυθμιστής τάσης, το σύστημα συγχρονισμού και η γεννήτρια παραγωγής παλμών. Τέλος, για την μοντελοποίηση και την προσομοίωση των αντισταθμιστών και του ηλεκτρικού δικτύου χρησιμοποιείται το πρόγραμμα PSCAD/EMTDC λόγω της αξιοπιστίας και της ευχρηστίας του σε μεγάλος εύρος ενεργειακών μελετών. / The current thesis was held during the period 11/2011-9/2012 within the research activities of the Generation, Transmission, Distribution and Utilization of Electric Energy Laboratory, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras, under the supervision of Professor Gabriel B. Giannakopoulos. The purpose of this study is to compare the dynamic performance of a conventional synchronous condenser and a static reactive power compensator (SVC) on an installed electrical grid, simulating different cases affecting the process of reactive power compensation and voltage support at the network’s load buses. This thesis includes representation of the mathematical model of the conventional synchronous condenser and the inductive parameters that characterize it, the different excitation system models used and the Park Transformation. Regarding the static VAR compensator (SVC), this thesis also refers to the fundamentals of TCR and TSC control, the explanation of the current-voltage characteristic and the analytic description of the control system’s components, such as the voltage regulator, the synchronization system and the gate-pulse generator. Lastly, for the modeling and simulation of both compensators and the installed electrical grid, the simulation program used is PSCAD / EMTDC because of its usability and reliability on a wide range of energy projects.