Analysis and mitigation of harmonics in power distribution networks containing capacitor banks

Abstract

Harmonics in electric power systems, are produced due to the existence of non-linear electric loads. Recently, the increase in use of non-linear loads such as in fluorescent Lamps, switching control with semiconductors and other power electronic devices such as flexible AC transmission line system (FACTS), has led to the increase in harmonics distortion level of the current and voltage waveforms, increase in power loss and decrease in the power factor of the power system. Many passive filters are used in the distribution systems to minimize the harmonics existence in the voltage and current waveforms. These filters have many advantages such as their designs are simple, easy structures and low costs. Therefore, they are good and fast in terms of response because they consist of resistors, inductors, capacitors and they do not require external sources. However, these filters have limited standard sizes and their power settings need to be adjusted so they can carry out their job efficiently. In this thesis, the particle swarm optimization (PSO) algorithm has been used to find the optimum values for the power filter components. The filters used in this thesis were a single tuned filter (STF), double tuned filter (DTF) and reactance filter (RF). The objective considers the total harmonics distortion (THD) for voltage and current of the distribution system. PSO-based passive filters were applied to the actual distribution systems (the Iraqi-Hai Tunis distribution system). Two adjustable speed drives represented the non-linear load to generate the harmonics in the distribution system. The system was implemented using MATLAB/Simulink and m-file code. Simulation results have achieved good performance and minimized the harmonics distortion for voltage and current waveforms. It also improved the power factor in the distribution systems. Keywords: Distribution networks, passive filter, harmonics, particle swarm optimization (PSO) algorithm, MATLAB/Simulink.

Elektrik enerjisi sistemlerinde harmonikler, doğrusal olmayan elektrik yüklerinin varlığına bağlı olarak üretilmektedir. Son zamanlarda, floresan lambalar, yarıiletkenlerle ve esnek AC iletim hattı sistemi (FACTS) gibi diğer güç elektronik cihazlarıyla anahtarlama kontrolü, gibi yarı iletkenlerin kullanımındaki artış, akım ve voltaj dalga formlarının harmonik bozulma seviyesinin yükselmesine, güç kaybının artmasına ve güç sisteminin güç faktöründe azalmaya neden olmaktadır. Gerilim ve akım dalga formlarındaki harmonikleri minimuma indirmek için dağıtım sistemlerinde birçok pasif filtre kullanılmaktadır. Bu filtreler, tasarımları basit olması, basit yapıları ve düşük maliyetleri gibi birçok avantaja sahiptir. Bu nedenle, tepki açısından iyi ve hızlıdırlar çünkü dirençler, indüktörler, kapasitörlerden oluşmakta ve dış kaynaklara ihtiyaç duymamaktadıklar. Bununla birlikte, bu filtrelerin sınırlı standart boyutları vardır ve güç ayarlarını, işlerini etkili bir şekilde yerine getirebilecek şekilde ayarlamaları gerekir.Bu tezde, güç filtresi bileşenleri için optimum değerleri bulmak için Parçacık Sürü Optimizasyonu ( (PSO) algoritması kullanılmıştır. Bu tezde kullanılan filtreler tek ayarlı filtre (STF), çift ayarlı filtre (DTF) ve reaktans filtresi (RF) idi. Amaç, dağıtım sisteminin voltajı ve akımı için toplam harmonik bozulmasını (THD) dikkate almaktadır. Gerçek dağıtım sistemlerine (Irak-Hai Tunis dağıtım sistemi) PSO tabanlı pasif filtreler uygulanmıştır. İki ayarlanabilir hız sürücüsü, dağıtım sisteminde harmonikleri oluşturmak için doğrusal olmayan yükü temsil etmiştir. Sistem, MATLAB / Simulink ve m-dosya kodu kullanılarak uygulanmıştır. Simülasyon sonuçları, iyi performans sağlamış ve voltaj ve akım dalga formları için harmonik bozulmalarını en aza indirmiştir. Aynı zamanda dağıtım sistemindeki güç faktörünü de geliştirmiştir.Anahtar Kelimeleri: dağıtım şebekeleri, pasif filtre, harmonikler, parçacık sürüsü optimizasyonu (PSO) algoritması, MATLAB /Simulink