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Design and implementation of hybrid series compensators for smart grid applications

Javadi, Alireza (2016). Design and implementation of hybrid series compensators for smart grid applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The vision of future modern grids goes through the increase of renewable énergies penetration while providing an efficient, reliable and sustainable power supply to consumers. According to the recent report on climate challenging the way electrical energy is produced and because of the rapid emerging of power electronics based equipment; some serious actions should be engaged. In order to achieve such promoting visions, all power grids are required to become smarter especially at the distribution level. Increasing the application of renewable energy sources and distributed generations assist these vision in the development of a modern power grid where modern equipment are becoming highly sensitive to the supplied voltage quality. Moreover, in this paradigm of design, the traditional power systems based on large concentrated power plants should be able to deal with these unpredictable sources of energy at distribution level. Under these circumstances, considerable activities were carried out aiming to render the grid more flexible and intelligent while taking the power efficiency and its environmental impacts into account. In this way, the power quality issues should be considered for the development of new type of smart grids which are more efficient and sustainable with regards to environmental constraints.

Available active and passive compensators are widely involved to improve major power quality issues. Recent trends towards realization of multitasking devices which can solve several power quality issues simultaneously, propose Hybrid active filters or Unified power quality conditioners. These versatile devices should threaten both voltage and current related issues in one place for compensation. They can significantly improve power quality issues, such as voltage distortions, voltage sags, voltage swells, voltage unbalances, and ensure a constant and reliable voltage supply to the load. On the other hand, they compensate for current problems of linear and non-linear loads, such as current harmonics, unbalances, neutral current, and load reactive power. The Hybrid series active filter (HSeAF) is among the most versatile and efficient power electronics based active power compensators. Without the shunt passive filter, the active part could operate solely to rectify for voltage problems and is commonly known as Dynamic voltage restorer.

A conventional HSeAF, targeting three-phase system, consists of a three separate series isolation transformer connected to a three-phase converter sharing a common DC link bus. The device is controlled as a variable voltage source in similar but duality manner as of Shunt active power filter. A shunt passive filter tuned for harmonic frequencies is installed to produce an alternative path for load current harmonics and reducing voltage distortions at the load terminals. The existing literature suggests utilizing the hybrid active power filters to compensate for load current related issues only, while due to the complexity and implementation outlays of such devices, it shows a significant drawback of under usage of series compensation to address such power quality problems.

The present doctoral research is based on the philosophy of optimal utilization of the available resources in the most efficient way to enhance the product efficiency and to reduce the overall cost. This work proposes a novel control approach for three-phase system in which both the grid’s voltage and load current issues are treated in a co-ordination between the series active and the shunt passive filters without affecting the basic voltage or current compensation capabilities. This eventually results in a better utilization of the series active filter, reduction of the shunt passive filter rating to some extent, and ultimately in the reduction of the overall cost for a unified compensator.

Moreover, this thesis also introduces a novel transformerless topology in which the threephase configuration is split into separate devices. It is then possible to extent the Series active power compensation based for three-phase systems with three or four wires to single-phase or bi-phase systems. This newly transformerless hybrid series active filter (THSeAF) is first hosted for single-phase system where appropriate developed controllers ensure adequate operation under low profile power quality systems. The developed single-phase THSeAF concept is successfully validated through digital simulations as well as real-time extensive experimental investigations. The experimental results show that for a given laboratory test conditions with highly polluted nonlinear loads, the active compensator ride of the bulky transformer is capable of compensating load current and correcting the power factor. Moreover, the performance of the THSeAF under polluted grid supply with voltage harmonics, sags, and swells, demonstrates regulated and reduced voltage distortions at the load’s terminals.

Following this successful transformerless configuration, and to integrate the series compensation concepts dedicated for power quality improvement of distribution network, the three-phase configuration is anticipated. Three-phase control strategies developed previously for the HSeAF are applied to the proposed topology to make the point of common coupling (PCC) smarter and to decentralize the control of the distribution network. This affordable solution increases the efficiency and sustainability of modern smart power systems and help higher penetration of renewable fluctuating power into the network. The off-line simulations demonstrate that the three-phase THSeAF is capable of healing voltage problems and load current issues simultaneously. The real-time experimental results, carried out on a laboratory prototype, validate successfully the proposed configuration.

Titre traduit

La conception et mise en œuvre d'un compensateur série pour application au réseau intelligent

Résumé traduit

La vision des futurs réseaux modernes passe par l'augmentation des énergies renouvelables tout en fournissant une alimentation efficace, fiable et durable pour les consommateurs. Selon les récents défis climatiques pour changer la façon dont l'énergie électrique est produite et l'émergence très rapide des équipements à base d'électronique de puissance, force l’industrie a changé sa perception des réseaux électriques. Afin de réaliser ces visions prometteuses, les réseaux électriques doivent inévitablement devenir plus intelligents à tous les niveaux, spécialement au niveau des réseaux de distribution. L'augmentation de la demande de sources d'énergies renouvelables et les générations distribuées ont contribué à cette vision dans le développement durable d'un réseau électrique moderne qui tient compte des nouvelles technologies très sensibles à la qualité de la tension fournie. En outre, dans ce paradigme de conception, les systèmes d'alimentation traditionnels basés sur les grandes centrales concentrées devraient être en mesure de faire face à ces sources d'énergie imprévisibles au niveau de la distribution. Dans ces circonstances, des activités considérables ont été réalisées en vue de rendre le réseau plus perspicace et intelligent, tout en tenant compte de l'efficacité énergétique et ses impacts environnementaux. Par ailleurs, les problèmes liés à la qualité de l'énergie devraient être considérés pour le développement de ce nouveau type de réseaux intelligents plus efficaces et plus sains.

En ce qui concerne les questions sur la qualité de l’énergie, des solutions actives et passives ont été proposées dont certaines font déjà face à une large propagation dans l’industrie. Les récents développements de dispositifs multitâches qui peuvent résoudre plusieurs questions de la qualité d’énergie simultanément, sont axés sur des filtres actifs hybrides ou des UPQC. Ces appareils polyvalents règlent à la fois les problèmes liés à la qualité de la tension ainsi que ceux liés à la qualité du courant tiré par les charges linéaires et non-linéaires. Et donc, ils améliorent de manière significative les problèmes de qualité de l'alimentation, tels que les distorsions, les creux, les surtensions, et le déséquilibre de la tension et ainsi assurent une alimentation constante et fiable à la charge. D'autre part, elles peuvent compenser les problèmes actuels des charges linéaires et non linéaires, tels que les harmoniques de courant, les déséquilibres, le courant de neutre, et la puissance réactive. Parmi ces différentes solutions, le filtre hybride actif série (HSeAF) est parmi les compensateurs polyvalents les plus robustes et efficaces. Sans sa partie passive, la partie active pourrait fonctionner pour corriger les problèmes de tension (appelée DVR).

Un HSeAF conventionnelle dédié pour le système triphasé est composé de trois transformateurs d’isolation reliés à un convertisseur triphasé qui partage un bus DC commun. L’appareil opère comme une source de tension variable et de manière similaire mais duale à un filtre actif parallèle. Un filtre passif parallèle ajusté aux fréquences des harmoniques est installé pour produire un chemin alternatif pour les harmoniques du courant de la charge et ainsi permet une réduction considérable des distorsions de la tension aux bornes de la charge. En raison de la complexité et de la mise en oeuvre des filtres séries, ces derniers n’ont pas reçu le succès que leurs confrères parallèles dans l’industrie. Donc, la présente thèse de doctorat est basée sur la philosophie de l'utilisation optimale des ressources disponibles de manière la plus efficace pour améliorer l'efficacité du filtrage série. Ce travail de recherche propose une stratégie de commande pour les systèmes triphasés dans lesquels la tension aux bornes de la charge et le courant tiré du réseau sont considérés pour compensation. Ceci, résulte à une meilleure utilisation de ressources physiques disponibles pour la réalisation du filtre actif série, la réduction du dimensionnement du filtre passif parallèle et finalement la réduction du coût de production.

Cette thèse introduit également une nouvelle topologie sans transformateur, dans laquelle la configuration à trois phases est divisée en trois modules séparés. Cette nouvelle technologie permet d’aborder la qualité de l’énergie des systèmes monophasés, biphasés, et triphasés avec trois ou quatre fils. Ce filtre hybride sans transformateur (THSeAF) est d'abord implanté pour un système monophasé où une commande appropriée a été développée en conséquence pour assurer un fonctionnement adéquat dans un système avec un faible profil de qualité. La notion THSeAF-monophasée est validée avec succès par des simulations numériques ainsi que des implémentations temps-réel en laboratoire. Les résultats expérimentaux démontrent pour les essais en laboratoire avec des charges non linéaires très polluées, les formes d’ondes du courant tiré du réseau sont sinusoïdales avec un facteur de puissance unitaire. Par ailleurs, la performance du THSeAF a également été évaluée quand la tension du réseau est polluée avec des harmoniques ou quand ce dernier subit des sous- ou surtensions.

Suite au succès de cette configuration sans transformateur, le concept a été intégré pour l’amélioration de la qualité de l'alimentation d’un réseau de distribution triphasée. La commande développée précédemment pour application dans le HSeAF a été modifiée pour être compatible avec le THSeAF triphasée pour rendre le point de raccordement (PCC) plus intelligent et décentraliser le contrôle du réseau de distribution. Cette solution abordable accroît l'efficacité et la stabilité des systèmes d'énergie modernes et aide à une plus forte pénétration des énergies renouvelables. Les simulations démontrent que le THSeAF triphasé est capable de résoudre les problèmes liés à la tension ainsi que ceux liés au courant de la charge simultanément et ainsi améliorer la qualité de l’énergie. Les résultats expérimentaux effectués sur un prototype temps-réel en laboratoire ont validé avec succès la configuration proposée.

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". Bibliographie : pages 285-298.
Mots-clés libres: Réseaux électriques intelligents. Filtres actifs (Électronique) Transformateurs électriques. Énergies renouvelables. Électricité Distribution Qualité Contrôle. compensateur, hybride, filtrage actif, qualité de l'énergie, compensation courants harmoniques, restauration de la tension, correction puissance réactive, compensateur série sans transformateur de couplage, puissance instantanée
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Al-Haddad, Kamal
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 31 mars 2016 14:36
Dernière modification: 10 déc. 2016 17:20
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1653

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