Neural Network-Based Approach for Identification of the Harmonic Content of a Nonlinear Load in a Single-Phase System

In this paper an alternative method based on artificial neural networks is presented to determine harmonic components in the load current of a single-phase electric power system with nonlinear loads, whose parameters can vary so much in reason of the loads characteristic behaviors as because of the human intervention. The first six components in the load current are determined using the information contained in the time-varying waveforms. The effectiveness of this method is verified by using it in a single-phase active power filter with selective compensation of the current drained by an AC controller. The proposed method is compared with the fast Fourier transform.

Data Mining Applied to Harmonic Current Sources Identification in Residential Consumers

This work proposes a method based on both preprocessing and data mining with the objective of identify harmonic current sources in residential consumers. In addition, this methodology can also be applied to identify linear and nonlinear loads. It should be emphasized that the entire database was obtained through laboratory essays, i.e., real data were acquired from residential loads. Thus, the residential system created in laboratory was fed by a configurable power source and in its output were placed the loads and the power quality analyzers (all measurements were stored in a microcomputer). So, the data were submitted to pre-processing, which was based on attribute selection techniques in order to minimize the complexity in identifying the loads. A newer database was generated maintaining only the attributes selected, thus, Artificial Neural Networks were trained to realized the identification of loads. In order to validate the methodology proposed, the loads were fed both under ideal conditions (without harmonics), but also by harmonic voltages within limits pre-established. These limits are in accordance with IEEE Std. 519-1992 and PRODIST (procedures to delivery energy employed by Brazilian`s utilities). The results obtained seek to validate the methodology proposed and furnish a method that can serve as alternative to conventional methods.

Clarke's alpha, beta, and zero components: A possible approach for the conceptual design of instrumentation compatible with IEEE Std. 1459-2000

This paper explains the conceptual design of instrumentation that measures electric quantities defined in the Std. 1459-2000. It is shown how the instantaneous-space-phasor approach, based on alpha, beta, 0 components, can be used to monitor electric energy flow, evaluate the utilization of transmission line, and quantify the level of harmonic pollution injected by nonlinear loads.

Accountability in Smart Microgrids Based on Conservative Power Theory

Smart microgrids offer a new challenging domain for power theories and metering techniques because they include a variety of intermittent power sources which positively impact on power flow and distribution losses but may cause voltage asymmetry and frequency variation. In smart microgrids, the voltage distortion and asymmetry in presence of poly-phase nonlinear loads can be also greater than in usual distribution lines fed by the utility, thus affecting measurement accuracy and possibly causing tripping of protections. In such a context, a reconsideration of power theories is required since they form the basis for supply and load characterization. A revision of revenue metering techniques is also suggested to ensure a correct penalization of the loads for their responsibility in generating reactive power, voltage asymmetry, and distortion. This paper shows that the conservative power theory provides a suitable background to cope with smart grids characterization and metering needs. Simulation and experimental results show the properties of the proposed approach.

Clarke's alpha, beta and zero components: A possible approach for the conceptual design of instrumentation compatible with IEEE Std. 1459-2000

The paper explains the conceptual design of instrumentation that measures electric quantities defined in the trial-use Std. 1459-2000. It is shown how the Instantaneous-Space-Phasor (ISP) approach, based on α, β, 0 components, can be used to monitor electric energy flow, evaluate the utilization of transmission line and quantify the level of harmonic pollution injected by nonlinear loads.

Harmonic propagation analysis in electric energy distribution systems

An important alteration of the equivalent loads profile has been observed in the electrical energy distribution systems, for the last years. Such fact is due to the significant increment of the electronic processors of electric energy that, in general, behave as nonlinear loads, generating harmonic distortions in the currents and voltages along the electric network. The effects of these nonlinear loads, even if they are concentrated in specific sections of the network, are present along the branch circuits, affecting the behavior of the entire electric network. For the evaluation of this phenomenon it is necessary the analysis of the harmonic currents flow and the understanding of the causes and effects of the consequent voltage harmonic distortions. The usual tools for calculation the harmonic flow consider one-line equivalent networks, balanced and symmetrical systems. Therefore, they are not tools appropriate for analysis of the operation and the influence/interaction of mitigation elements. In this context, this work proposes the development of a computational tool for the analysis of the three-phase harmonic propagation using Norton modified models and considering the real nature of unbalanced electric systems operation. © 2011 IEEE.

Análise e aplicação de compensação reativa em redes secundária de distribuição com cargas não lineares

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudo de caso: diagnóstico do consumo e da qualidade de energia numa indústria metalúrgica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Contribuições aos estudo da compensação de harmônicos em sistemas de energia elétrica

Esta tese enfoca o estudo de métodos para compensação de harmônicos em sistemas de energia elétrica e aborda diversos aspectos relacionados à presença de harmônicos nos mesmos, como a apresentação de conceitos e definições em sistemas não-senoidais e estratégias de compensação de potência. Enfatiza-se neste estudo, exemplificado por meio de medições e simulações realizadas, a influência da forma de onda de alimentação sobre cargas não-lineares; a interação harmônica entre a tensão de suprimento e a corrente das cargas, devido à impedância série do sistema; e a influência mútua entre cargas não-lineares em paralelo, como possível forma de atenuação de harmônicos. Para simular e predizer o impacto causado por cargas não-lineares em um sistema, assim como a implementação de ações para mitigar esses impactos, visando à melhoria da qualidade da energia, é necessário o conhecimento das respostas das mesmas. Como produto do presente trabalho, destacam-se as técnicas desenvolvidas para a modelagem de cargas nãolineares sob diferentes condições de alimentação, em especial o uso de técnicas de inteligência computacional, como o sistema neuro-fuzzy e as redes neurais artificiais; assim como o emprego da série de Volterra para predição do comportamento das cargas.

Projeto multicritério de filtros harmônicos passivos para instalações industriais utilizando técnicas de inteligência computacional

Devido ao auge do crescimento industrial na Região Norte e, em especial, o Pólo Industrial de Manaus (PIM), são necessários obter ferramentas matemáticas que facilitem ao especialista tomar decisões sobre a seleção e dimensionamento dos filtros harmônicos que proporcionam neutralizar os efeitos prejudiciais dos harmônicos gerados pelas cargas não lineares da indústria e alcançar conformidade com os padrões das normas de qualidade de energia correspondentes. Além disso, como os filtros harmônicos passivos têm a capacidade de gerar potência reativa à rede, estes meios são eficazes compensadores de potência reativa e, portanto, podem conseguir uma economia significativa no faturamento de energia elétrica consumida por essas instalações industriais. Esta tese tem como objetivo geral desenvolver um método matemático e uma ferramenta computacional para a seleção da configuração e parâmetros do projeto de um conjunto de filtros harmônicos passivos para sistemas elétricos industriais. Nesta ótica, o problema de otimização da compensação de harmônicos por meio de filtros passivos foi formulado como um problema multiobjetivo que considera tanto os objetivos da redução da distorção harmônica como da efetividade econômica do projeto considerando as características das tarifas brasileiras. Todavia, a formulação apresentada considera as restrições relevantes impostas pelas normas brasileiras e estrangeiras. A solução computacional para este problema foi conseguida, usando o algoritmo genético NSGA-II que determina um conjunto de soluções ótimas de Pareto (Fronteira) que permitem ao projetista escolher as soluções mais adequadas para o problema. Por conseguinte, a ferramenta computacional desenvolvida tem várias novidades como: não só calcula os parâmetros que caracterizam os filtros, como também seleciona o tipo de configuração e o número de ramos do filtro em cada barra candidata de acordo com um conjunto de configurações pré-estabelecidas; têm implementada duas normas para a avaliação das restrições de qualidade de energia (Prodist-Módulo 8 e IEEE 519-92) que podem ser selecionadas pelo usuário; determina soluções com bons indicadores de desempenho para vários cenários característicos e não característicos do sistema que permitem a representação das as variações diárias da carga; das variações dos parâmetros do sistema e dos filtros; avalia o custo das contas de energia numa rede elétrica industrial que tem diferentes condições de operação (cenários característicos); e avalia o efeito econômico de filtros de harmônicos como compensadores de potência reativa. Para desenvolver a ferramenta computacional adequada desta tese, foi empregado um modelo trifásico em coordenadas de fase para redes de energia elétrica industriais e de serviços onde foram feitos vários programas utilizando várias ferramentas computacionais adicionais. Estas ferramentas compreendem um programa de varredura de freqüência, um programa do fluxo de harmônicos por injeção de correntes e um programa de fluxo de potência à freqüência fundamental. Os resultados positivos desta tese, a partir da análise de vários exemplos práticos, mostram as vantagens do método desenvolvido.

Otimização multiobjetivo da compensação de potência reativa em redes de distribuição considerando restrições de distorção harmônica

A localização de bancos de capacitores nas redes de distribuição de energia elétrica, corretamente dimensionados, busca compensar eventuais excessos de circulação de potência reativa pelas linhas, o que implica a redução de custos operacionais pela redução das perdas de energia e um aumento da capacidade de transmissão de potência ativa assegurando os níveis estabelecidos de tensão e fator de potência simultaneamente. A proliferação das cargas não lineares provocou uma mudança nos cenários de estudo dos sistemas elétricos de potência devido aos efeitos nocivos que os harmônicos gerados por elas ocasionam sobre a qualidade da energia elétrica. Considerando este novo cenário, esta tese tem como objetivo geral desenvolver uma ferramenta computacional utilizando técnicas de inteligência computacional apoiada em algoritmos genéticos (AG), para a otimização multiobjetivo da compensação da potência reativa em redes elétricas de distribuição capaz de localizar e dimensionar de forma ótima as unidades de compensação necessárias para obter os melhores benefícios econômicos e a manutenção dos índices de qualidade da energia estabelecidos pelas normas brasileiras. Como Inovação Tecnológica do trabalho a ferramenta computacional desenvolvida permite otimizar a compensação da potência reativa para melhorar do fator de potência em redes de distribuição contaminadas com harmônicos que, diferentemente de métodos anteriores, não só emprega bancos de capacitores, mas também filtros de harmônicos com esse objetivo. Utiliza-se o algoritmo NSGA-II, que determina as soluções ótimas de Pareto para o problema e permite ao especialista determinar as soluções mais efetivas. A proposta para a solução do problema apresenta várias inovações podendo-se destacar que a solução obtida permite determinar a compensação de potência reativa com capacitores em sistemas com certa penetração harmônica, atendendo a normas de qualidade de energia pertinentes, com relação aos níveis de distorção harmônica tolerados.

Estudos teóricos e experimentais da operação conjunta de um supressor eletromagnético e de um filtro ativo de potência

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

A Time-domain Harmonic Power-Flow Analysis in Electrical Energy Distribution Networks, Using Norton Models for Non-linear Loading

The purpose of this paper is to present the application of a three-phase harmonic propagation analysis time-domain tool, using the Norton model to approach the modeling of non-linear loads, making the harmonics currents flow more appropriate to the operation analysis and to the influence of mitigation elements analysis. This software makes it possible to obtain results closer to the real distribution network, considering voltages unbalances, currents imbalances and the application of mitigation elements for harmonic distortions. In this scenario, a real case study with network data and equipments connected to the network will be presented, as well as the modeling of non-linear loads based on real data obtained from some PCCs (Points of Common Coupling) of interests for a distribution company.

Análise de conversor multipulso utilizando transformador com culatra intermediária

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Compensação ativa paralela baseada na teoria de potência conservativa

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)