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Power quality enhancement at distribution level utilizing the unified power quality conditioner (UPQC)

Khadkikar, Vinod (2008). Power quality enhancement at distribution level utilizing the unified power quality conditioner (UPQC). Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Power electronics based equipments are rapidly emerging as key components in the present modern power distribution system. Power processing utilizing these devices offer vast advantages such as flexible control, cost reduction, overall size optimization, etc. On the other hand, operation of these devices gives rise to some of the serious power quality problems, such as, the reactive power requirement and generation of harmonics that pollutes the power distribution system. Moreover, modern equipments are becoming highly sensitive to the voltage supplied to them. Increasing the generation capacities of existing power stations is difficult and expensive due to environmental constraints. Hence, improving the quality of power can not only make the power distribution systems healthier and more efficient, but also results in reduced power losses, and thus saving in terms of costs.

Active power filters are widely used to tackle some of the important power quality problems. Recent trends are geared towards the realization of multitasking devices which can tackle several power quality problems simultaneously. The unified power quality conditioner (UPQC) is one of the most versatile active power filters that can compensate significant power quality issues, such as, voltage harmonics, voltage sag, voltage swell, voltage unbalance, voltage flicker, current harmonics, load reactive power, current unbalance, and neutral current.

A UPQC consists of two voltage source inverters connected back to back with each other sharing a common self- supporting DC link. One inverter is controlled as a variable voltage source in same manner as in the series active power filter (APF), and the other as a variable current source which is similar in operation as that of the shunt APF. The existing literature suggests the dependency on shunt inverter to compensate the load reactive power demand. Moreover, the series inverter is always utilized to overcome all the voltage related problems. The voltage sags, swells and the flickers are short duration power quality problems. Hence, this traditional approach of utilizing the UPQC to compensate the power qualite problems shows a significant drawback of under usage of the available series inverter. Therefore, the utilization factor of the series inverter is much lower than that of the shunt inverter.

The present doctoral work is based on the philosophy of optimal utilization of the available resources in a most effective and efficient way to improve the product efficiency and to reduce the overall cost. This work proposes a novel control concept, termed as power angle control (PAC), in which both the series and shunt inverters share the load reactive power in co-ordination with each other without affecting the basic UPQC compensation capabilities. This eventually results in a better utilization of the series inverter, reduction in the shunt inverter rating to some extent and ultimately in the reduction of the overall cost of UPQC.

Moreover, this thesis also introduces a new functionality for UPQC in which, it is possible to extent the UPQC based three-phase three-wire system to a three-phase four-wire system.

The developed PAC concept is successfully validated through digital simulation as well as extensive experimental investigations. The experimental results show that for the given laboratory test conditions with a highly inductive load, a boost in power angle 8=28° between the source and the resultant load voltage can reduce the shunt inverter rating by 50%. The performance evaluation of PAC approach under voltage sag, voltage swell, distorted source voltage and non-linear load conditions is also carried out. Under distorted source voltage (source voltage THD=6.6%) and the non-linear load (load current THD=23.4%), the UPQC with proposed PAC concept, effectively compensates the harmonics in source voltage (load voltage THD=3.2%), load current (source current THD= 2.94%) and shares the load reactive power between the series and shunt inverters, simultaneously.

This work was partially conducted in collaboration with Hydro-Quebec, Montreal and Institut de recherche d'Hydro-Quebec (IREQ), Varennes, Canada.

Titre traduit

Amélioration de qualité de l'onde au niveau de distribution en utilisant le conditionneur unifié de qualité de l'onde UPQC)

Résumé traduit

Les equipements bases sur de Felectronique de puissance emergent rapidement telle une composante essentielle aux systemes de distribution a haute puissance modernes. Les equipements de conversion de la puissance qui beneficient de cette technologic offrent un eventail de possibilites et permettent entre autre une flexibilite de controle, une reduction des coûts, une optimisation des Fespace et des performances, etc. D'un autre cote, Foperation de ces equipements peut entrainer certains des plus serieux problemes de la qualite de l'onde tels une consommation de puissance reactive et la generation d"harmoniques qui polluent le reseau de distribution. De plus, les equipements modernes sont de plus en plus sensibles a la tension d'alimentation qui leur est imposee. Augmenter la capacite des postes de generation d'electricite existants est difficile et tres couteux. surtout lorsque l'on considere les contraintes environnementales. Desormais, Famelioration de la qualite de Fonde peut non seulement rendre les reseaux de distribution plus propres et performants mais entraine aussi une reduction importante des pertes lors du transport et par consequent, des economies significatives.

Les filtres actifs de la puissance sont largement utilises afin de remedier a quelques uns des plus importants problemes de la qualite de Fonde. La tendance actuelle vise la conception d'equipements multitache qui permettent de remedier a plusieurs problemes de la qualite de I'onde simultanement. Le conditionneur universel de puissance, mieux connu sous l'appellation anglophone Unified Power Quality Conditioner (UPQC). est Fun des filtres actifs des plus polyvalents permettant de compenser significativement les problemes de la qualite de Fonde tels les harmoniques de tensions, hauts et creux de tension, desequilibre de tension et papillotements, harmoniques de courant, puissance reactive de charge, desequilibre du courant et courant de neutre.

Le UPQC consiste en un dispositif divise en deux onduleurs de tension connectes dos-a-dos a travers un bus de tension continue commun autosupporte. Le premier onduleur est contrôle telle une source de tension variable de la meme maniere que l'on fait regulierement avec un filtre actif serie, alors que le second est controle en courant d'une maniere similaire a un filtre actif parallele. La litterature existante sur le sujet suggere que le filtre actif parallele soit assigne a la compensation de la puissance reactive consommee par la charge. D'autre part, le filtre actif serie est toujours utilise afin de mitiger les problemes relies a la tension. Les hauts, creux et papillotements de la tension sont des deteriorations de la qualite de Fonde de courtes durées. L'approche traditionnelle de controle du UPQC afin d'ameliorer les problemes de la qualite de I'onde presentent le desavantage de la sous-utilisation de Fonduleur du filtre actif serie. Par consequent, le facteur d'utilisation du filtre actif serie est beaucoup plus bas que celui du filtre parallele.

Le present travail de doctorat est base sur la philosophie d'utilisation optimale des ressources disponibles, c'est-a-dire de la maniere la plus efficace possible et avec le meilleur rendement afin d'ameliorer Fefficacite du systeme et de reduire le cout de fabrication et d'operation. Ce travail propose un concept de controle innovateur appele Power Angle Control (PAC). ce qui signifie, controle de Fangle de puissance. Le concept stipule que les convertisseurs serie et parallele se partagent la puissance reactive de la charge, en parfaite coordination, sans affecter le fonctionnement fondamental de la compensation du UPQC. Cette situation resulte en une meilleure utilisation de Fonduleur serie. en une reduction de la capacite de Fonduleur parallele et ultimement, en une reduction du cout de l'ensemble du UPQC. De plus, cette these introduit une nouvelle fonctionnalite au UPQC dans laquelle il est possible d'etendre le concept du UPQC triphase a trois fils vers celui triphase a quatre fils.

Le concept PAC developpe dans ce travail a ete valide avec succes par simulation numerique et extensivement par de multiples manipulations en laboratoire. Les resultats expérimentaux montrent que, dans les conditions presentes au laboratoire avec une charge tres inductive. un redressement de Fangle de puissance 6=28° entre la tension de source et celle resultante a la charge peut reduire la capacite du convertisseur parallele de 50%. L'évaluation de la performance du concept PAC en presence de hauts. de creux et de distorsion de la tension de source et d'une charge non-lineaire est aussi effectuee. Sous l'effet de la distorsion de la tension de source (THD de la tension de source = 6.6%) ainsi que d'une charge non-lineaire (THD du courant de charge = 23.4%), le UPQC controle avec le concept PAC compense efficacement les harmoniques de la tension de source (THD de la tension de charge = 3.2%) et la distorsion du courant (THD du courant de source 2.94%) et permet le partage simultane de la puissance reactive entre le convertisseur parallele et serie.

Ce travail a ete partiellement execute en collaboration avec Hydro-Quebec, Montreal, Canada et l'Institut de recherche d"Hydro-Quebec IREQ, Varennes, Canada.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliogr : f. [286]-296.
Mots-clés libres: Puissance réactive (Électrotechnique) Harmoniques (Ondes électriques) Filtres actifs (Électronique) compensation, conditionneur, distribution, onde, qualite, unifie, UPQC Qualite de Fonde, conditionneur unifie de la qualite de I'onde, compensation de puissance reactive, compensation des hamioniques
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Chandra, Ambrish
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 18 mars 2011 16:09
Dernière modification: 19 déc. 2016 21:02
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/164

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