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Improving the safety operation of three-phase shunt active filter

Musa, Rida (2017). Improving the safety operation of three-phase shunt active filter. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Power electronic based nonlinear loads produce harmonic currents that pollute the utility supply and create interference with other users, resulting in high total harmonic distortion and degrade the power quality. The generated harmonic currents can cause overheating of equipment and malfunction of protection systems. This indeed reduces performances for both energy consumers and providers. Therefore, active power filters are considered a viable solution to mitigate these disturbances. However, various current extraction techniques employed for the control of active power filters, often assume that the components of the filter are properly designed, or they have a slight effect on the performance of the control algorithm.

This thesis aims to develop a design procedure for a three phase three wire shunt active power filter. The proposed approaches focus on the proper selection of the filter’s components, which caters for two design objectives. The first design methodology is to select component values based on the load current gradients. It allows selecting the minimum inductor values that enable the active filter to mitigate harmonics and improves the quality of the supply current. The second design criteria concern the selection of DC bus reference voltage, which allows determining the best value of DC reference voltage to enhance the performance of the filter under balanced and unbalanced load conditions and avoid excess energy loss in the system.

Moreover, the thesis aims to present a protection scheme for the active filter to ensure the safe operation of the filter. The proposed system protects the shunt active filter against short circuit faults, voltage surges, and switching transients. The main protection devices used are overcurrent relay and metal oxide varistor. Furthermore, a control circuit of voltage phase sequence detection and grid frequency deviation are also investigated and presented in this thesis. Finally, the shunt active filter operation is analyzed for soft start and stop mechanism. The proposed filter uses a nonlinear current control algorithm developed to generate the reference currents of the active filter. The theoretical considerations are verified by simulation using Power System Blockset of Matlab/Simulink. The simulation results demonstrate the performance of the system and confirm the feasibility of the proposed procedures.

Titre traduit

Amélioration de la fonctionnement sécurisé d'un filtre actif triphasé

Résumé traduit

Les charges non linéaires à base de puissance électrique produisent des courants harmoniques qui polluent l'alimentation des services publics et créent des interférences avec d'autres utilisateurs, entraînant une distorsion harmonique totale élevée et dégradant la qualité de l'énergie. Les courants harmoniques générés peuvent provoquer une surchauffe de l'équipement et un dysfonctionnement des systèmes de protection. Cela réduit effectivement les performances tant pour les consommateurs d'énergie que pour les fournisseurs. Par conséquent, les filtres de puissance actifs sont considérés comme une solution viable pour atténuer ces perturbations. Cependant, diverses techniques d'extraction courantes utilisées pour le contrôle des filtres de puissance active supposent souvent que les composants du filtre sont correctement conçus ou ont un léger effet sur la performance de l'algorithme de contrôle.

Ce mémoire vise à développer une procédure de conception pour un filtre triphasé à trois fils. Les approches proposées se concentrent sur la sélection appropriée des composants du filtre, qui répond à deux objectifs de conception. La première méthode de conception consiste à sélectionner les valeurs des composants en fonction des gradients de courant de charge. Il permet de sélectionner les valeurs minimales de l'inductance qui permettent au filtre actif d'atténuer les harmoniques et d'améliorer la qualité du courant d'alimentation. Les deuxièmes critères de conception concernent la sélection de la tension de référence du bus CC, qui permet de déterminer la meilleure valeur de la tension de référence DC pour améliorer les performances du filtre dans des conditions de charge équilibrées et non équilibrées et éviter une perte d'énergie excessive dans le système.

De plus, le mémoire vise à présenter un schéma de protection pour le filtre actif afin d'assurer le bon fonctionnement du filtre. Le système proposé protège le filtre actif de shunt contre les fautes de court-circuit, les surtensions et les transitoires de commutation. Les principaux dispositifs de protection utilisés sont le relais de courant et la varistance des oxydes métalliques. En outre, un circuit de contrôle de la détection de la séquence de tension et de la déviation de la fréquence du réseau est également étudié et présenté dans ce mémoire. Enfin, l'opération de filtrage active de shunt est analysée pour le démarrage progressif et le mécanisme d'arrêt. Le filtre proposé utilise un algorithme de contrôle de courant non linéaire développé pour générer les courants de référence du filtre actif. Les considérations théoriques sont vérifiées par simulation à l'aide de Power System Blockset de Matlab / Simulink.

Les résultats des simulations démontrent les performances du système et confirment la faisabilité des procédures proposées.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in electrical engineering". Bibliographie : pages 131-136.
Mots-clés libres: Filtres actifs (Électronique) Conception et construction. Courants triphasés. Filtres actifs (Électronique) Protection. Commande non linéaire. Harmoniques (Ondes électriques) Réseaux électriques (Énergie) Qualité Contrôle. shunt filtrage actif, contrôle optimal, modèle de référence
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Al-Haddad, Kamal
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Hamadi, Abdelhamid
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 17 nov. 2017 20:09
Dernière modification: 17 nov. 2017 20:09
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1962

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