A Novel Approach to Determine Harmonic Distortions in Unbalanced Networks and Harmonic Filter Planning in Industrial Systems

Ce mémoire présente une méthode d'analyse des harmoniques dans un réseau électrique à n phases. Cette méthode est basée sur l'analyse nodale modifiée augmentée (abrégée MANA en anglais). Elle peut être appliquée à des réseaux déséquilibrés avec plusieurs sources d'harmoniques et plusieurs charges déséquilibrées. Il n'y a pas de limites quant à la taille, la structure ou la topologie du réseau étudié. L'algorithme développé ici peut être divisé en deux parties. Une première partie résous l'écoulement de puissance du réseau (load-flow en anglais) pour la fréquence fondamentale. La seconde partie est un calcul en régime permanent (basé sur la MANA) pour les différentes fréquences des harmoniques étudiés. Cette partie permet de calculer la propagation des harmoniques issus des éléments non-linéaires. Les éléments linéaires du réseau sont représentés par un modèle équivalent tandis que les éléments non-linéaires sont représentés par un modèle généralisé de l'équivalent de Norton. L'application de l'analyse nodale modifiée augmentée à l'étude des harmoniques est réalisée ici pour la première fois. Cette méthode est appliquée ici à l'étude des filtres passifs qui réduisent la propagation des harmoniques. L'objectif de ces filtres est de maintenir la tension des harmoniques sous les niveaux présentés dans le standard IEEE 519. Les différents types de filtre et la variation de la fréquence de coupure de ceux-ci sont aussi considérés ici. De plus ce mémoire présente une analyse sur l'emplacement de ces filtres. En raison de la forte capacité de calcul des ordinateurs actuels ainsi que la petite taille des réseaux industriels, une méthode essai erreur est appliquée. Dans cette méthode, toutes les barres pouvant accueillir des filtres sont identifiées puis l'emplacement est déterminé en testant tous les cas possibles. Afin de réduire le nombre de filtres, la méthode proposée a aussi pour objectif de minimiser les coûts d'investissement de ces filtres. Les principaux objectifs de cette étude sont (1) de résumer les modèles harmoniques pour les composants de réseau dans des conditions déséquilibrées, (2) de promulguer la formulation de MANA pour déterminer le courant / les distorsions de tension harmonique -, (3) de discuter des stratégies pratiques afin d'améliorer la compensation réactive des systèmes électriques industriels, tout en réduisant les problèmes de résonance et limitant les problèmes harmoniques. Les modèles et algorithmes ont été testés avec différent systèmes de distribution et industriels. Les résultats montrent que les méthodes sont efficaces et adaptées aux 'analyses harmoniques et à la planification des filtres passifs dans des systèmes électriques de puissance.

Abstract

A multiphase harmonic analysis solution technique using Modified Augmented Nodal Analysis (MANA) formulation is presented in this thesis. The solution technique can solve unbalanced networks with multiple unbalanced harmonic sources and unbalanced loads. There is no limitation in terms of network size, configuration and topology. The algorithm developed in this work consists of two steps: A fundamental frequency load flow using the MANA formulation is carried out first. Then the second step is steady state computation based on MANA in frequency domain to calculate the harmonic propagation due to nonlinear devices. In this step, the linear elements of the network are represented with equivalent models while the nonlinear devices are represented with generalized Norton equivalents. The application of MANA for harmonic analysis is promulgated here for the first time. A study on the application of passive harmonic filters is also presented in this thesis in relation with IEEE 519 requirements. The application of several types of passive harmonic filters are discussed and the tuned frequency deviation of the single tuned filter is taken into consideration for the purpose of maintaining harmonic voltages compatible with IEEE 519 requirements. In addition to that, a discussion on the filter planning is provided in this work. Given the performance of present day computers and the relatively small size of industrial networks, a simple approach based on trial and error is applied. In the proposed approach all the candidate buses for filter placement are identified first and ideal buses are determined by simulating all possible configurations. In order to reduce the number of filters, the proposed methodology has an objective of minimizing the total investment cost of the designed filters. The major objectives of this study are (1) to summarize harmonic models for network components for unbalanced conditions, (2) to promulgate the MANA formulation to determine the harmonic current - voltage distortions, (3) to discuss practical solution strategies in order to improve reactive compensation of industrial power systems while reducing resonance problems and limiting harmonic problems. Models and algorithms are tested with different distribution and industrial systems, and the results show that the methods are effective and suitable for harmonic analysis and planning of passive filters in power systems.