Influence of the voltage reference on the evaluation of power quality

Orientadores: Sigmar Maurer Deckmann, Fernando Pinhabel MarafãoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e ComputaçãoResumo: Este trabalho visa a contribuir para os estudos de instrumentação de sistemas de potência e monitoramento de Qualidade da Energia Elétrica (QEE), discutindo a importância da referência da tensão, de forma a permitir relacionar os efeitos dos distúrbios com o verdadeiro impacto que causam sobre as cargas. Esta correlação ainda é um ponto pouco estudado no âmbito da QEE. Considerando o cenário do ponto de vista de teoria de potência e qualidade da energia elétrica, inicialmente serão apresentadas as técnicas de medição das tensões, fazendo uma análise crítica, mostrando suas convergências, particularidades e deficiências. Por outro lado, será mostrado que a escolha da referência de tensão, leva a diferentes equacionamentos para a potência aparente e o fator de potência em sistemas com formas de onda não-senoidais e/ou assimétricas. Essas divergências têm suscitado discussões em nível internacional sobre a forma mais adequada de medição. Estudos sobre alguns indicadores de QEE ilustram como a escolha da referência de tensão influencia na avaliação da distorção harmônica total, do fator de desequilíbrio e de uma VTCD, especialmente em sistemas trifásicos com condutor de retorno (4 fios). Finalmente, através do Teorema de Blakesley, será apresentada uma metodologia, que permite associar as medidas de tensão relativas ao condutor neutro, com as medidas com referência no ponto "zero virtual", de modo que possam ser utilizadas pelos fabricantes dos equipamentos, pelas concessionárias de energia elétrica e pelos consumidores em geralAbstract: This dissertation presents a contribution to the study of power quality monitoring and power system' s instrumentation, discussing the importance of the voltage reference and aiming to relate the voltage disturbance with the true impacts they cause on electrical loads. The establishment of a clear relationship between them is still not a commonly studied subject on power quality. Considering the point of view of power theory and power quality, initially this work presents the usual measurement techniques of voltages, making a critical analysis, showing its validity, particularities and deficiencies. On the other hand, it will be shown that the choice ofthe voltages referential leads to different equations for the apparent power and the power factor in systems with non-sinusoidal and/or unbalanced waveforms. These questions have promoted long debates in international level about the most suitable form of measurement and calculation. Studies about some power quality indices, will illustrate as the choice of the voltage reference influences the evaluation of the total harmonic distortion, unbalance factors and voltage sags and swells, especially in three-phase systems with return conductor (4 wires-system). Finally, based on Blakesley's Theorem, a methodology is presented that allows to associate the related neutral conductor measures of voltage to the measurements to the "zero virtual" point reference, in such way that can be used by the manufacturers of the equipments, the electric energy utilities and end consumers in generalMestradoEnergia EletricaMestre em Engenharia Elétric

Flexible active compensation based on load conformity factors applied to non-sinusoidal and asymmetrical voltage conditions

This study proposes a flexible active power filter (APF) controller operating selectively to satisfy a set of desired load performance indices defined at the source side. The definition of such indices, and of the corresponding current references, is based on the orthogonal instantaneous current decomposition and conformity factors provided by the conservative power theory. This flexible approach can be applied to single- or three-phase APFs or other grid-tied converters, as those interfacing distributed generators in smart grids. The current controller is based on a modified hybrid P-type iterative learning controller which has shown good steady-state and dynamic performances. To validate the proposed approach, a three-phase four-wire APF connected to a non-linear and unbalanced load has been considered. Experimental results have been generated under ideal and non-ideal voltage sources, showing the effectiveness of the proposed flexible compensation scheme, even for weak grid scenarios

Multi-task control strategy for grid-tied inverters based on conservative power theory

In recent years, the concept of decentralizing power generation through the deployment of distributed generators (DGs) has been widely accepted and applied, driven by the growing market of renewable energy sources, in particular photovoltaic, wind and small hydro. These distributed generators are normally equipped with a switching power interface (inverter), acting as front end with the grid. In this scenario this paper proposes a multi-task control strategy for distributed generation inverters that simultaneously allows the DG system to inject the available energy, as well as to work as a voltage drop compensator or as an active power filter, mitigating load current disturbances and improving power quality of the grid. The main contribution of the proposed system, with respect to other solutions in the literature, is that the proposed control loops are based on the Conservative Power Theory decompositions. This choice provides decoupled power and current references for the inverter control, offering a very flexible, selective and powerful control strategy for the DG system. The paper also discusses the choice of the current waveform for injecting/absorbing active power into/from the grid, and both sinusoidal and resistive references have been compared in terms of damping capability. Finally, simulation and experimental results are provided in order to validate the proposed functionalities of the DG control system

Conservative power theory : a new approach to cooperative control of power conditioners and considerations regarding to responsibility assignment

Orientadores: Luiz Carlos Pereira da Silva, Fernando Pinhabel MarafãoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Considerando as mais variadas aplicações relacionadas aos sistemas elétricos modernos, um dos grandes desafios das últimas décadas têm sido a interpretação e controle dos fenômenos físicos através das chamadas teorias de potência. Aplicações relacionadas, por exemplo, com o projeto e controle de dispositivos e sistemas têm sido influenciadas pela presença de distorções de formas de onda, bem como assimetrias relacionadas a cargas desbalanceadas nos sistemas polifásicos. Somem-se a isto as últimas tendências relacionadas às redes com geração distribuída, em especial as micro-redes, as quais estão sujeitas a variações de frequência, além de serem mais susceptíveis aos distúrbios provocados pelas cargas. Neste contexto, a análise e operação dos sistemas elétricos tornam-se ainda mais complexas. Neste sentido, este trabalho traz contribuições à chamada Teoria de Potência Conservativa proposta inicialmente pelos professores P. Tenti e P. Mattavelli, da Universidade de Pádua (Itália), onde parte deste trabalho foi realizado. Em particular, a influência da variação de frequência, distorção e/ou assimetria de tensão são analisadas. Assim, a reformulação da teoria proposta fornece uma base apropriada para lidar com a necessidade de caracterização dos modernos sistemas elétricos. Através da teoria proposta, uma possível abordagem para atribuição de responsabilidades será apresentada, a qual permite a caracterização e a separação das responsabilidades entre a carga e a fonte, além de oferecer uma plataforma para o desenvolvimento de técnicas de controle cooperativo para compensadores de potência chaveados e compensadores estáticos de potência. Tanto as contribuições à Teoria de Potência Conservativa, quanto sua aplicação para o controle cooperativo de compensadores de distúrbios serão validadas no trabalho através da simulação computacional de diversos circuitos elétricos, sob diferentes condições de operação. Além disto, resultados de medição serão apresentados para validar a proposta de separação das responsabilidades na geração de distúrbios, sejam estes originários nas cargas ou nas fontes do sistema elétricoAbstract: Considering the various applications related to the modern power systems, one of the major challenges in the last decades has been the interpretation and control of the physical phenomena using the so called power theories. Applications related to the project and control of devices and systems have been influenced by the presence of waveform distortions, as well as voltage asymmetries caused by unbalanced loads in polyphase systems. In addition, the last trends related to distributed generation networks, especially micro-grids, are vulnerable to frequency deviation and are more sensitive to load disturbances. In this scenario, the analysis and operation of the power system became even more complex. In such context, this work brings some contributions to the so called Conservative Power Theory, initially proposed by professors P. Tenti and P. Mattavelli, from the University of Padova (Italy), where part of the work has been realized. The influence of frequency deviation, distortion and/or asymmetry of the measured voltages have been analyzed. As a result, the proposed renewed theory provides a proper basis to lead to the characterization of modern power systems. Considering the proposed theory, a possible accountability approach has been presented, which allows the characterization and separation of load and supply responsibilities. Besides, it provides a platform for designing cooperative control techniques for distributed switching power converters and static reactive compensator. Both, the contributions to the Conservative Power Theory and its application to the cooperative control of power conditioners have been evaluated by means of computational simulation of different electrical circuits. In addition, the proposed accountability approach has been validated by means of experimental data measurementsDoutoradoEnergia EletricaDoutor em Engenharia Elétric

A Influência da Referência de Tensão na Avaliação de Indicadores de Qualidade de Energia

This paper discusses the importance of the voltage referential for power quality monitoring and power systempsilas instrumentation. Considering the operating conditions of simple power circuits, it will be demonstrated that an incorrect choice of the voltages referential may result in erroneous quantification of some power quality indices, especially in three-phase four wire circuits. The use of a virtual reference point and the neutral conductor as reference have been considered and the simulation results confirm the influence of the voltage reference selection in the evaluation of total harmonic distortion, unbalance factors and voltage sags. Finally a way of linking both methods will be discussed by means of Blakesleypsilas theorem. © Copyright 2010 IEEE - All Rights Reserved

Controle flexível para conversores monofásicos conectados a sistemas elétricos distorcidos de baixa tensão

This paper presents a technique to add flexibility in the control of power electronic converters. The power converter can function as an active power filter, as a local power source interface or perform both functions i. e. mitigate current disturbances and inject power into the grid simultaneously, configuring it as a multifunctional device. The main goal is to extract the full capability of the grid connected power electronic converter to achieve maximum benefits. To achieve this goal, the orthogonal current decomposition of the Conservative Power Theory is used. Each orthogonal current component is weighted by means of different compensation factors (k_i), which are set instantaneously and independently, in any percentage by means of the load performance factors (λ_i), providing an online flexibility in relation to compensation objectives. Finally, to validate the effectiveness and performance the proposed approach, simulations and experimental results are presented.Este trabalho apresenta uma técnica de controle flexível para conversores eletrônicos de potência, que podem funcionar como filtro ativo de potência, como interface entre uma fonte de energia local e a rede ou realizar ambas as funções simultaneamente. Desta forma se pode compensar distúrbios de corrente e injetar potência na rede elétrica ao mesmo tempo, configurando o conversor como um dispositivo multifuncional. O principal objetivo é usar toda a capacidade do conversor para atingir o máximo de benefícios quando este é instalado junto à rede elétrica. Para tal é utilizada a decomposição ortogonal da corrente da Teoria de Potência Conservativa. Cada componente ortogonal da corrente é ponderada por fatores de compensação (࢏࢑), que são ajustados instantaneamente de forma independente, em qualquer porcentagem, mediante os fatores de conformidade da carga (࢏ࣅ), proporcionando, assim, uma flexibilidade online em relação aos objetivos de compensação. Finalmente, resultados experimentais e de simulações são apresentados para validar a eficácia e o desempenho da abordagem proposta

Multifunctional current reference generation strategy for grid-tied power electronic converter

In this work the functionalities of Power Electronic Converters (PEC) used as grid interface device for distributed generation sources are extended to deal with Power Quality (PQ) issues. It is proposed an alternative strategy to obtain current references based on the Conservative Power Theory (CPT). The proposed strategy contributes to the full exploitation of the PEC power capacity, allowing the PEC to act as a multifunctional device performing simultaneously selective compensation of PQ issues and power injection into the utility grid.Elektroniczny konwerter mocy PEC używany jako interfejs rozproszonych źródeł energii został poszerzony o możliwości poprawy jakości energii. Prądowe źródło odniesienia bazuje na Teorii Zachowania Mocy CPT.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq

Compensação ativa paralela baseada na teoria de potência conservativa

Trying to validate the Conservative Power Theory (CPT) for active filters controlling applications, this paper proposes a selective methodology for the generation of the active filter’s reference signals, which is based on the CPT decompositions. The CPT orthogonal decompositions result in several current components, which are associated to different load physical phenomena (power transfer, energy storage, phase displacement, imbalances and non linearities). These current components may be selected independently or in association in order to ensure selective compensation of the load disturbing effects. For the purpose of validating the proposed methodology, simulation and experimental results for three phase four-wire systems, with unbalanced and nonlinear loads, are presented and discussed.Com o objetivo de avaliar a aplicação da Teoria de Potência Conservativa (CPT, do inglês Conservative Power Theory), para o controle de filtros ativos de potência, este artigo apresenta uma metodologia seletiva para a geração de sinais de referência de filtros ativos paralelos, a qual é baseada na decomposição das correntes medidas, conforme proposto pela CPT. A decomposição ortogonal das correntes resulta em várias componentes, cada qual associada com uma característica específica da carga (transferência de potência, armazenamento de energia, deslocamento de fase entre tensão e corrente, desbalanço e/ou não linearidades). Desta forma, cada componente pode ser escolhida de forma independente (ou em associação), proporcionando assim uma compensação seletiva dos distúrbios de corrente oriundos do comportamento da carga. Com o intuito de validar a metodologia proposta, um filtro ativo trifásico foi simulado e avaliado experimentalmente em um sistema trifásico de 4 condutores, com cargas desbalanceadas e não lineares.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq