Evaluation of Passive Filters for the Management of Harmonics in Industrial Electrical Distribution Networks
Abstract
It is necessary to manage harmonics to obtain energy quality in distribution systems. Therefore, this article aimed to evaluate the use of passive filters as a viable alternative for harmonic management in medium voltage electrical distribution networks with high industrial load. To do this, the Total Harmonic Distortion Indices were analyzed, which were calculated and graphed with Matlab software. First, a case study was proposed based on the 34-node IEEE distribution network. Later, four simulation scenarios were defined that allow the integration of capacitor banks, rejection reactances, and harmonic sources. Based on a mathematical design, the daily harmonic load flow for each hour was analyzed, and rejection reactance design mechanisms were proposed as a complement to traditional power factor correction solutions based on capacitor banks. The results showed that the use of passive LC filters can be highly effective for the management of voltage harmonic distortion, but insufficient for the elimination of current harmonic distortion. However, this type of filters does show complete effectiveness in limiting harmonic amplification (both voltage and current) when using capacitor banks for power factor correction in systems with harmonic problems. Concluding that LC passive filters with rejection reactors mitigate voltage harmonics even if there are capacitor banks and sources of harmonics, which makes them the most feasible, effective, and economical way to obtain energy quality.
References
J. Izquierdo Franco, “Estudio de flujos de potencia y análisis de fallas en sistemas eléctricos de distribución radial,” Tesis Maestría, Universidad Autónoma de Nuevo León, Monterrey, México, 2002. Available: https://cd.dgb.uanl.mx/handle/201504211/4119
G. L. Ferro, “Circuitos de corriente alterna,” en Electrotecnia (para la Carrera Ingeniería Mecánica), Argentina, 2016, pp. 1-23. http://www3.fi.mdp.edu.ar/dtoelectrica/files/electrotecnia/e_im_4_cicuitos_de_corriente_alterna.pdf
E. A. Rosero Rosero, “Corrección del factor de potencia en micro-redes eléctricas ante el peligro de resonancia por alta penetración de cargas no lineales,” Tesis de Licenciatura, Facul. Ing. Elect., Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador, 2020. https://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/19390/1/UPS%20-%20TTS201.pdf
J. M. M. Ortega, “Optimizacion de filtros positivos para la compensacion de reactiva y mitigacion de armonicos en instalaciones industriales,” Ph.D. dissertation, Universidad de Sevilla, España, Available: 2001. https://dialnet.unirioja.es/servlet/tesis?codigo=263539
A. Insuasty, “La penalización por reactivos según la CREG 015-2018: Un tema para no descuidar y mantener los costos de energía bajo control,” ISAGEN Energía Productiva, Tercera Entrega, 2019. Available: https://isagen.com.co/documents/20123/34950/boletin-junio-2019.pdf/7353c982-fd59-e54b-c720-1ab7e0a9bc82?t=1578584865051
Asea Brown Boveri, S.A., “Corrección del factor de potencia y filtrado de armónicos en las instalaciones eléctricas,” in Cuaderno de aplicaciones técnicas nº 8, Barcelona, 2010, pp. 1-56. https://library.e.abb.com/public/897462d590876b5fc125791a003bd1e0/1TXA007107G0701_CT8.pdf
M. A. Mora Barajas, and P. Bañuelos-Sánchez, “Contaminación armónica producida por cargas no lineales de baja potencia: modelo matemático y casos prácticos” Ing. invest. y tecnol., v. 11, no. 2, pp. 189-198, Abr-Jun. 2010. https://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-77432010000200006
J. R. Aranda Mendoza, “Análisis descriptivo de la amortiguación y eliminación de armónicos en sistemas eléctricos de potencia,” thesis, Facultad De Ingeniería Eléctrica Y Electrónica, Universidad Nacional Del Centro Del Perú, Huancayo – Perú, 2015. https://repositorio.uncp.edu.pe/handle/20.500.12894/4545
C. A. Ríos Reyes, R. A. Gallego Rendón, and M. A. Naranja. “Análisis De Armónicos En Sistemas Eléctricos,” Scientia et technica, vol. 1, no. 21, pp. 21-26, 2003. https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/4847215.pdf
E. E. Parra López, “Análisis de armónicos en sistemas de distribución,” in Colección Textos, Colombia: UNAL, 2004. https://books.google.com.cu/books?id=O08UfHfOhwwC
G. López Solar, “Medida de armónicos en ambientes industriales,” Técnica industrial, no. 258, pp.37-42, 2009. https://www.tecnicaindustrial.es/medida-de-armonicos-en-ambientes-industriales/
J. Arrillaga Garmendia, and L. I. Eguıluz Morán, “Armónicos en sistemas de potencia,” Servicio de publicaciones de la Universidad de Cantabria, España, 1994. https://books.google.com.uy/books?id=OJC5W_I1qcIC&lpg=PP1&hl=es&pg=PP1#v=onepage&q&f=false
D. Schwanz, M. Bollen, and A. Larsson, “A review of solutions for harmonic mitigation,” 2016 17th International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), Belo Horizonte, Brazil, 2016, pp. 30-35. https://doi.org/10.1109/ICHQP.2016.7783422
O. Cruz Hernández, “Mitigación de la distorsión armónica en redes eléctricas mediante filtrado híbrido activo-pasivo,” M.S. tesis, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, México, 2015. http://bibliotecavirtual.dgb.umich.mx:8083/xmlui/handle/DGB_UMICH/3505
S. Dlamini, I. E. Davidson, and A. A. Adebiyi, “Design and Application of the Passive Filters for Improved Power Quality in Stand-alone PV Systems,” 2023 31st Southern African Universities Power Engineering Conference (SAUPEC), Johannesburg, South Africa, 2023, pp. 1-6. https://doi.org/10.1109/SAUPEC57889.2023.10057777
D. F. Montoya Céspedes, “Mitigación del nivel de armónicos en un sistema eléctrico industrial mediante un filtro de armónico pasivo,” B.S. tesis, Escuela de Ingenierías, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia, 2016. https://repository.upb.edu.co/bitstream/handle/20.500.11912/4291/Mitigaci%C3%B3n%20del%20nivel%20de%20arm%C3%B3nicos%20en%20un%20sistema%20el%C3%A9ctrico%20industrial%20mediante%20un%20filtro%20de%20arm%C3%B3nico%20pasivo.pdf?sequence=1&isAllowed=y
M. Amini, A. Jalilian, and M. R. Pour Behbahani, “Fast network reconfiguration in harmonic polluted distribution network based on developed backward/forward sweep harmonic load flow,” Electric Power Syst. Res., vol. 168, pp. 295–304, 2019. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2018.12.006
S. Aldebawy, A. Draz, and A. El-Fergany, “Harmonics Mitigation Using Passive Filters in Distribution Networks Penetrated with Photovoltaic power,” 2022 23rd International Middle East Power Systems Conference (MEPCON), Cairo, Egypt, 2022, pp. 1-5. https://doi.org/10.1109/MEPCON55441.2022.10021757
R. Brahmachary, A. Bhattacharya, and I. Ahmed, “Allocation of Active Power Filter in Distribution Network Considering Nonlinear Loads,” 2021 IEEE 2nd International Conference on Smart Technologies for Power, Energy and Control (STPEC), Bilaspur, Chhattisgarh, India, 2021, pp. 1-6. https://doi.org/10.1109/STPEC52385.2021.9718732
O. P. Mahela, B. Khan, H. H. Alhelou, S. Tanwar, and S. Padmanaban, “Harmonic mitigation and power quality improvement in utility grid with solar energy penetration using distribution static compensator”, IET Power Electron., vol. 14, no. 5, pp. 912–922, Apr. 2021. https://doi.org/10.1049/pel2.12074
Q. Wang, Z. Yang, X. Yin, H. Zhang, Y. Li, and L. Sun, “Optimal Allocation Method of SAPFs for Harmonic Loss Reduction in Distribution Networks Based on Multi-objective Particle Swarm Optimization,” 2021 International Conference on Power System Technology (POWERCON), Haikou, China, 2021, pp. 1769-1774. https://doi.org/10.1109/POWERCON53785.2021.9697777
A. Kalair, N. Abas, A. R. Kalair, Z. Saleem, and N. Khan, “Review of harmonic analysis, modeling and mitigation techniques,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 78, pp. 1152–1187, Oct. 2017. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.04.121
A. Frobel, and R. Vick, “Chosen aspects for harmonic analysis in distribution networks,” in 22nd International Conference and Exhibition on Electricity Distribution (CIRED 2013), 2013. https://doi.org/10.1049/cp.2013.1148
A. Taghvaie, T. Warnakulasuriya, D. Kumar, F. Zare, R. Sharma, and D. M. Vilathgamuwa, “A Comprehensive Review of Harmonic Issues and Estimation Techniques in Power System Networks Based on Traditional and Artificial Intelligence/Machine Learning,” in IEEE Access, vol. 11, pp. 31417-31442, 2023. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3260768
G. Ye, J. Van Waes, V. Cuk, and J. F. G. Cobben, “Downstream Network Modeling With Generalized Distribution Networks for Harmonic Studies,” in IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 35, no. 5, pp. 2495-2505, Oct. 2020. https://doi.org/10.1109/TPWRD.2020.2970228
J. A. Yebra Morón. Sistemas eléctricos de distribución, 4ª ed., Barcelona, España: Reverté, 2021. https://www.reverte.com/libro/sistemas-electricos-de-distribucion_91677/
IEEE. “Modeling and simulation of the propagation of harmonics in electric power networks. I. Concepts, models, and simulation techniques,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 11, no. 1, pp. 452-465, Jan. 1996. https://doi.org/10.1109/61.484130
K. J. O’Reilly, “Análisis de la distorsión armónica en cargas no lineales aisladas y combinadas en los rangos 0-2 kHz y 2-9 kHz,” M.S. tesis, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación, Universidad de Cantabria, Santander, España, 2020. https://repositorio.unican.es/xmlui/bitstream/handle/10902/20263/430101.pdf?sequence=1
F. Acevedo Donoso, “Componentes armónicas en redes de distribución eléctricas: conceptos, norma vigente en chile y alternativas de solución al problema,” Revista Marina. vol. 1, pp. 2-3. https://www.revistamarina.cl/revistas/2001/5/Acevedo.pdf
A. Fajarí Aspano, “Análisis de anomalías eléctricas en instalaciones con cargas no lineales,” B. S. thesis, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad Politécnica de Catalunya, Barcelona, España, 2017. https://upcommons.upc.edu/handle/2117/118097
Academia Lab, “Distorsión armónica total”, Academia-lab.com. Accessed: May. 26, 2023. https://academia-lab.com/enciclopedia/distorsion-armonica-total/
D. L. González Herrera, G. A. Luna Russi, and E. Rivas Trujillo, “Evaluación del impacto de la generación distribuida en redes de distribución basado en la normatividad colombiana y estándares IEEE,” Ingeniería, vol. 20, no. 2, pp. 289-305, 2015. https://www.redalyc.org/pdf/4988/498850181009.pdf
J. C. Ramírez Acero, “Desarrollo de una aplicación en el software Open DSS orientada a la simulación de un sistema de distribución en diferentes escenarios de operación,” M.S. thesis, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de La Salle, Bogotá D.C., Colombia, 2019. https://ciencia.lasalle.edu.co/cgi/viewcontent.cgi?article=1252&context=ing_electrica
K. P. Schneider et al., “Analytic Considerations and Design Basis for the IEEE Distribution Test Feeders,” IEEE Transactions on Power Systems, no. 99, pp. 1-1, 2017. https://cmte.ieee.org/pes-testfeeders/resources/
C. D. Vera Silva, and A. R. Marulanda Guerra, “OPENDSS aplicado al modelamiento y simulación dinámica de microrredes,” Visión electrónica, vol. 12, no. 2, Jul. 2018. https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/6747023.pdf
R. Abu-Hashim et al., "Test systems for harmonics modeling and simulation," IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 14, no. 2, pp. 579-587, Apr. 1999. https://doi.org/doi: 10.1109/61.754106
A. Ovalle et al., OpenDSS Files EPRI Distribution System Simulator, (2008), Sourceforge, Accessed: May. 28, 2023. Available: https://sourceforge.net/projects/electricdss/files/OpenDSS/
S. A. Ladino Serrano, “Evaluación de Filtros Pasivos como Alternativa para la Gestión de Armónicos en Redes de Distribución de Energía Eléctrica Industriales,” thesis, Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad Santo Tomás, Bogotá D.C., Colombia, 2023. https://repository.usta.edu.co/bitstream/handle/11634/52574/2023sebastianladino.pdf?sequence=1&isAllowed=y
F. Fornieles, “Diferencia entre coseno de phi y factor de potencia,” Francesc Fornieles, Accessed: May. 27, 2023. https://fornieles.es/perturbaciones-electricas/diferencia-coseno-phi-y-factor-potencia/
A. Ortega Hernández, “corrección del factor de potencia y eliminación de corrientes armónicas en sistemas de baja tensión,” M.S. thesis, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, 2017. https://ru.dgb.unam.mx/handle/20.500.14330/TES01000768203
G. D. Fuentes, and F. Martínez González, “Análisis de calidad de potencia mediante sistema de adquisición de datos,” thesis, Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad del Bío-Bío, Concepción, Chile, 2016. http://repobib.ubiobio.cl/jspui/bitstream/123456789/2251/1/Daroch_Fuentes_Gonzalo_Patricio.pdf
Lifasa Reactive Power Solutions, “Corrección del factor de potencia”, International Capacitors, S.A., pp 1-11. Available: https://lifasa.com/pdf/CORRECCIÓN_FACTOR_POTENCIA.pdf
I. Pérez Abril, “Calculation of the harmonics passive filters parameters,” Ingeniería Energética, vol. 33, no. 2, pp.133-142, May-Ago. 2012. http://scielo.sld.cu/scielo.php?pid=S1815-59012012000200006&script=sci_arttext&tlng=en
J. P. Claro Báez, “Modelado y simulación de Smart Grid con OpenDSS y Matlab,” M.S. thesis, Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática, Universidad de Sevilla, España, 2016. https://idus.us.es/handle/11441/52300
F. Fornieles, “Batería de condensadores con FILTRO de RECHAZO. [Cálculo PASO a PASO],” Francesc Fornieles. Accessed: May. 26, 2023. https://fornieles.es/energia-reactiva/%E2%9A%A1-bateria-de-condensadores-con-filtro-de-rechazo-calculo-paso-a-paso/
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