LOAD HARMONIC MITIGATION: A CASE STUDY AT UVA PROVINCIAL COUNCIL BUILDING A dissertation submitted to the Department of Electrical Engineering, University of Moratuwe in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science By RATNAYAKE MUDIYANSALAGE SANATH KAPILA RATNAYAKE Supervised by: 1. Prof. Ranjith Perera 2. Dr. H. M. Wijekoon Banda Department of Electrical Engineering University of Moratuwa Sri Lanka 2010 94548 Abstract This thesis presents the application of active filters to mitigate the harmonic problems in an office building. Harmonics in electrical system induce additional heating. This causes premature aging, reduction of efficiency and life of the electrical equipments and components in the system. Harmonic problems can be caused by disturbances originating in the supply system, from customer's premises and from the nearby installations. The problem is due to the non-linear loads showing different current waveforms when supplied by a distorted or perfect sinusoidal voltage. Growing use of non-linear load equipment and technologies in commercial buildings has increased the severity of the problem. This is common to Uva Provincial Council (UPC) building, as well, where a large number of connected computers, UPS and other peripherals are major sources of harmonics. The site measurements revealed that the non-linear loads generate TDD up to 15 % and the individual harmonic distortion up to 38 % of the fundamental. These values exceed the maximum limits prescribed by the power quality standards, lEE 519-1992. To mitigate the harmonic effects, various available techniques are reviewed. The active power filter (APF) is selected as a solution, as it has become the popular and advantageous options among the many practices available today. The operation of common APF topologies, namely the shunt, series and hybrid APF s are discussed in detail, and shunt APF is identified as the most simple and advantageous choice for this purpose. This is followed by a review of various strategies of harmonic detection and APF controlling. After comparing the performances of these strategies with the real life applications, suitable techniques for harmonic detection and APF controlling are formulated. Finally, a computer model of thus developed shunt active filter is simulated using MATLAB / Simulink environment. Based on the case study, the thesis discusses alternatives and provides some practical solutions to the problem of harmonics in office buildings. D E C L A R A T I O N . . T h e w o r k s u b m i t t e d i n t h i s D i s s e r t a t i o n i s t h e r e s u l t o f m y o w n i n v e s t i g a t i o n , e x c e p t w h e r e o t h e r w i s e s t a t e d . I t h a s n o t a l r e a d y b e e n a c c e p t e d f o r a n y d e g r e e , a n d i s n o t b e i n g c o n c u r r e n t l y s u b m i t t e d f o r a n y o t h e r d e g r e e . ~"\-\ ' \ ~':' 'vv~.:_ _ _ . . . . R . M . S . K . R a t n a y a k e D a t e W e e n d o r s e t h e d e c l a r a t i o n b y t h e c a n d i d a t e J~~ P r o f . ~Perera \ . \ · - \ D r . H . M . W i j e k o o n B a n d a D e c l a r a t i o n A b s t r a c t D e d i c a t i o n A c k n o w l e d g e m e n t L i s t o f F i g u r e s L i s t o f T a b l e s A b b r e v i a t i o n s 1 . I n t r o d u c t i o n 1 . 1 B a c k g r o u n d 1 . 2 M o t i v a t i o n 1 . 3 G o a l s o f t h e r e s e a r c h 1 . 4 S c o p e o f w o r k C O N T E N T S 2 . P o w e r S y s t e m H a r m o n i c s & t h e i r I m p a c t s 2 . 1 I n t r o d u c t i o n 2 . 2 W h a t a r e h a r m o n i c s 2 . 2 . 1 H a r m o n i c N u m b e r 2 . 2 . 2 O d d a n d e v e n H a r m o n i c s 2 . 2 . 3 I n t e r H a r m o n i c s 2 . 2 . 4 H a r m o n i c p h a s e s e q u e n c e 2 . 2 . 5 T r i p l e n h a r m o n i c s 2 . 2 . 6 C r e s t f a c t o r . . 2 . 2 . 7 T r u e p o w e r f a c t o r a n d d i s p l a c e m e n t p o w e r f a c t o r 2 . 3 H a r m o n i c i n d i c e s 2 . 3 . 1 T o t a l h a r m o n i c d i s t o r t i o n 2 . 3 . 2 T o t a l d e m a n d d i s t o r t i o n 2 . 4 H o w h a r m o n i c g e n e r a t e i n p o w e r s y s t e m s ? 2 . 4 . 1 L i n e a r a n d n o n - l i n e a r l o a d s 2 . 4 . 2 H a r m o n i c c u r r e n t f l o w 2 . 5 H a r m o n i c s o u r c e s 2 . 5 . 1 F l u o r e s c e n t l a m p i i v V I V l l V I I I X X I 0 1 0 1 0 3 0 5 0 5 0 7 0 7 0 7 0 9 0 9 0 9 1 0 1 3 1 3 1 3 1 4 1 4 1 5 1 5 1 6 1 8 1 8 1 8 2 . 5 . 2 A d j u s t a b l e s p e e d d r i v e s 1 9 2 . 5 . 3 S w i t c h m o d e p o w e r s u p p l i e s 1 9 2 . 5 . 4 P u l s e w i d t h m o d u l a t e d ( P W M ) D r i v e 2 0 2 . 6 E f f e c t s o f h a r m o n i c s 2 0 2 . 6 . 1 M o t o r s 2 1 2 . 6 . 2 T r a n s f o r m e r s 2 2 2 . 6 . 3 P o w e r c a b l e s 2 2 2 . 6 . 4 N e u t r a l c o n d u c t o r s 2 3 . . 2 . 6 . 5 S w i t c h g e a r a n d r e l a y i n g 2 3 2 . 6 . 6 C a p a c i t o r s 2 3 2 . 6 . 7 E l e c t r o n i c e q u i p m e n t 2 4 2 . 6 . 8 C o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t 2 4 2 . 6 . 9 M e t e r s 2 5 2 . 7 H a r m o n i c s t a n d a r d s 2 5 2 . 7 . 1 H a r m o n i c l i m i t s f o r c o n s u m e r s 2 6 2 . 7 . 2 H a r m o n i c l i m i t s f o r u t i l i t y 2 7 3 . P r o v i n c i a l C o u n c i l B u i l d i n g 2 8 3 . 1 I n t r o d u c t i o n 2 8 3 . 2 B a c k g r o u n d 2 8 3 . 3 D a t a l o g g i n g 2 9 3 . 3 . 1 L o c a t i o n f o r d a t a l o g g i n g 2 9 3 . 3 . 2 I n s t r u m e n t s u s e d 3 0 3 . 4 M e a s u r e m e n t a n d d a t a a n a l y s i s 3 0 3 . 4 . 1 F r e q u e n c y v a r i a t i o n 3 0 3 . 4 . 2 S u p p l y v o l t a g e v a r i a t i o n 3 1 3 . 4 . 3 L o a d c u r r e n t v a r i a t i o n 3 2 3 . 4 . 4 C u r r e n t m e a s u r e m e n t 3 2 3 . 4 . 5 V o l t a g e h a r m o n i c d i s t o r t i o n 3 4 3 . 4 . 6 C u r r e n t h a r m o n i c d i s t o r t i o n 3 5 3 . 4 . 7 P o w e r f a c t o r v a r i a t i o n 3 9 3 . 5 I d e n t i f y i n g p r o b l e m c a t e g o r y 4 0 i i i 4 . H a r m o n i c M i t i g a t i o n 4 1 4 . 1 I n t r o d u c t i o n 4 1 4 . 2 R e d u c i n g H a r m o n i c C u r r e n t s i n l o a d 4 1 4 . 3 S t r u c t u r a l A l t e r a t i o n s 4 2 4 . 4 F i l t e r i n g T e c h n i q u e s 4 2 4 . 4 . 1 P a s s i v e f i l t e r i n g 4 3 4 . 4 . 2 A c t i v e f i l t e r i n g 4 4 4 . 5 A P F C o n f i g u r a t i o n s 4 6 . t 4 . 5 . 1 S h u n t a c t i v e p o w e r f i l t e r 4 6 4 . 5 . 2 S e r i e s a c t i v e p o w e r f i l t e r 4 7 4 . 5 . 3 H y b r i d a c t i v e p o w e r f i l t e r 4 8 4 . 6 S e l e c t i o n o f s u i t a b l e c o n f i g u r a t i o n o f A P F f o r U P C b u i l d i n g 4 9 4 . 6 . 1 C l a s s i f i c a t i o n o f A P F 5 0 4 . 6 . 2 C l a s s i f i c a t i o n b y p o w e r c i r c u i t 5 0 4 . 6 . 3 C l a s s i f i c a t i o n b y m e t h o d o f h a r m o n i c d e t e c t i o n 5 0 4 . 6 . 4 C l a s s i f i c a t i o n b y c o n t r o l t e c h n i q u e 5 2 4 . 7 L o c a t i o n f o r h a r m o n i c m i t i g a t i o n 5 4 5 S i m u l a t i o n 5 5 5 . 1 I n t r o d u c t i o n 5 5 5 . 1 . 1 S i m u l a t i o n s o f t w a r e 5 5 5 . 1 . 2 M A T L A B / S i m u l i n k s o f t w a r e 5 6 5 . 1 . 3 P o w e r S y s t e m B l o c k s e t 5 6 5 . 2 M o d e l i n g t h e A P F 5 8 5 . 2 . 1 M o d e l o f t h e p o w e r s o u r c e 5 8 5 . 2 . 2 M o d e l o f t h e n o n l i n e a r l o a d 5 9 5 . 2 . 3 M o d e l o f s y s t e m c o n t r o l l e r I g a t i n g s i g n a l g e n e r a t o r 6 0 5 . 2 . 4 M o d e l o f t h e P W M I n v e r t e r 6 1 5 . 3 S i m u l a t i o n r e s u l t s 6 2 6 . C o n c l u s i o n 6 5 6 . 1 C o n c l u s i o n s 6 5 6 . 2 R e m a r k s a n d D i s c u s s i o n 6 6 R e f e r e n c e s 6 7 A p p e n d i x i v • A c k n o w l e d g e m e n t T h a n k s a r e d u e f i r s t t o m y s u p e r v i s o r s , P r o f e s s o r R a n j i t h P e r e r a a n d D r H . M . W i j e k o o n , f o r t h e i r g r e a t i n s i g h t s a n d p e r s p e c t i v e s . T h e i r v a l u a b l e g u i d a n c e a n d i n s t r u c t i o n s w e r e i m m e n s e l y u s e f u l f o r m y s t u d i e s . D i r e c t i o n s o f t h e m r e n d e r e d m e a r e m a r k a b l e o p p o r t u n i t y t o s h a r e t h e i r k n o w l e d g e a n d e x p e r t i s e i n t h e a r e a o f p o w e r q u a l i t y . " M y s i n c e r e g r a t i t u d e i s a l s o e x t e n d e d t o D r . J . P . K a r u n a d a s a , H e a d o f t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d t o P r o f e s s o r J . R . L u c a s f o r h e l p i n g i n v a r i o u s w a y s t o c l a r i f y t h e t h i n g s r e l a t e d t o m y a c a d e m i c a n d r e s e a r c h w o r k i n t i m e v v i t h t h e i r e x c e l l e n t c o o p e r a t i o n a n d g u i d a n c e . I w o u l d l i k e t o e x p r e s s t h a n k s t o t h e p u b l i c w o r k s e n g i n e e r , E n g . H . M . D h a r m a r a t n e a t t a c h e d t o U v a p r o v i n c i a l c o u n c i l f o r f a c i l i t a t i n g m y m e a s u r e m e n t s a n d h e l p i n g m e b y p r o v i d i n g d a t a . A n d . s i n c e r e t h a n k s g o t o t h e c o u r s e c o o r d i n a t o r s , m y l e c t u r e s a n d o f f i c e r s i n P o s t G r a d u a t e d i v i s i o n , F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f M o r a t u w e . S r i L a n k a f o r t h e i r v a l u a b l e s u p p o r t g i v e n i n c o m p l e t i n g m y s t u d i e s a n d t h e s i s . I a m g r a t e f u l t o m y e m p l o y e r , C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d f o r g r a n t i n g s t u d y l e a v e a n d p r o v i d i n g f i n a n c i a l s u p p o r t f o r t h i s c o u r s e o f s t u d y . A n d . t h e s p e c i a l t h a n k s a n d g r a t e f u l a c k n o w l e d g e m e n t g o t o M r . D . W i t h a n a g e , D e p u t y G e n e r a l M a n a g e r ( U v a P r o v i n c e ) o f C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d f o r h i s k i n d c o o p e r a t i o n a n d s u p p o r t o f f e r e d m e d u r i n g t h e s t u d i e s . L a s t l y . v e r y s p e c i a l t h a n k s g o t o m y w i f e T h u s h a r i f o r h e r c o n t i n u o u s e n c o u r a g e m e n t s u p p o r t a n d p a t i e n c e d u r i n g t h e p e r i o d I w o r k e d f o r t h i s s t u d y . A n d n o n e o f t h i s w o u l d b e p o s s i b l e i f i t w e r e n ' t l o v e a n d s u p p o r t o f m y w i f e a n d s o n s S h a w e e n a n d M a l e e n . v i i L i s t o f f i g u r e s F i g u r e 2 . I R e p r e s e n t a t i o n o f a d i s t o r t e d w a v e f o r m 2 . 2 P h a s e s e q u e n c e s o f ( a ) F u n d a m e n t a l , ( b ) T h i r d h a r m o n i c s . ( c ) F i f t h h a r m o n i c s a n d ( d ) S e v e n t h h a r m o n i c s . t 2 . 3 V o l t a g e a n d c u r r e n t w a v e f o r m s f o r l i n e a r l o a d s 2 . 4 C u r r e n t d i s t o r t i o n c a u s e d b y n o n l i n e a r r e s i s t a n c e . 2 . 5 V o l t a g e a n d c u r r e n t w a v e f o r m s f o r n o n - l i n e a r l o a d s 2 . 6 H a r m o n i c c u r r e n t s f l o w i n g t h r o u g h t h e s y s t e m i m p e d a n c e r e s u l t I n h a r m o n i c v o l t a g e s a t t h e l o a d . 2 . 7 C u r r e n t W a v e o f S w i t c h M o d e P o w e r S u p p l y 3 . I S i n g l e I i n e d i a g r a m o f E l e c t r i c i t y d i s t r i b u t i o n s y s t e m 3 . 2 G r a p h o f f r e q u e n c y 3 . 3 G r a p h o f T h r e e P h a s e V o l t a g e 3 . 4 G r a p h s o f T h r e e P h a s e C u r r e n t s 3 . 5 G r a p h o f P e r c e n t a g e T H O o f V o l t a g e 3 . 6 I n d i v i d u a l v o l t a g e h a r m o n i c s 3 . 7 G r a p h o f P e r c e n t a g e T H O o f C u r r e n t 3 . 8 G r a p h o f T O O 3 . 9 L i n e d i a g r a m o f f e e d i n g s y s t e m o f U P C b u i l d i n g 3 . 1 0 I n d i v i d u a l c u r r e n t h a r m o n i c s a t a w o r s e c a s e 4 . 1 S e r i e s P a s s i v e F i l t e r C o n f i g u r a t i o n 4 . 2 C o m m o n t y p e s o f p a s s i v e f i l t e r s 4 . 3 B l o c k d i a g r a m o f g e n e r a l A P F 4 . 4 D i v i s i o n s o f A c t i v e p o w e r F i l t e r s 4 . 5 C o n f i g u r a t i o n o f S h u n t A P F 4 . 6 C o n f i g u r a t i o n o f S e r i e s A P F 4 . 7 C o m p o n e n t o f S h u n t A c t i v e F i l t e r v i i i P a g e 8 I 2 1 6 1 7 1 7 I 8 2 0 2 9 3 1 3 1 3 2 3 4 3 4 3 5 3 6 3 7 3 9 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 . . . . 4 . 8 H a r m o n i c d e t e r m i n a t i o n m e t h o d s 4 . 9 B l o c k d i a g r a m o f l i n e a r c o n t r o l t e c h n i q u e s . 4 . 1 0 G a t i n g s i g n a l g e n e r a t i o n b y l i n e a r c o n t r o l l e r M A T L A B I S i m u l i n k M o d e l M A T L A B / S i m u l i n k m o d e l o f t h e p o w e r s o u r c e I n d i v i d u a l H a r m o n i c s o f L o a d C u r r e n t M A T L A B / S i m u l i n k m o d e l o f n o n - l i n e a r L o a d F i g u r e 5 . 5 F r e q u e n c y s p e c t r u m o f l o a d c u r r e n t " M A T L A B / S i m u l i n k m o d e l o f C o n t r o l l e r / G a t i n g s i g n a l M A T L A B / S i m u l i n k M o d e l o f P W M I n v e r t e r g e n e r a t o r 5 . 1 5 . 2 5 . 3 5 . 4 5 . 5 5 . 6 5 . 7 5 . 8 P e r - p h a s e S o u r c e c u r r e n t , L o a d c u r r e n t a n d H a r m o n i c c u r r e n t w i t h S h u n t A P F i n a c t i o n 5 . 9 S o u r c e C u r r e n t w a v e f o r m t o g e t h e r w i t h t h e H a r m o n i c S p e c t r u m 5 . 1 0 H a r m o n i c s p e c t r u m s w i t h a n d w i t h o u t A P F i n a c t i o n i x 5 1 5 3 5 3 5 7 5 8 5 9 5 9 6 0 6 1 6 2 6 2 6 3 6 4 A . . L i s t o f t a b l e s T a b l e 2 . 1 2 . 2 2 . 3 2 . 4 3 . 1 3 . 2 3 . 3 3 . 4 3 . 5 4 . 1 5 . 1 S p e c t r u m o f h a r m o n i c s H a r m o n i c s e q u e n c i n g v a l u e s . C u r r e n t D i s t o r t i o n L i m i t s f o r G e n e r a l D i s t r i b u t i o n " ' S y s t e m s ( 1 2 0 V t h r o u g h 6 9 0 0 0 V ) V o l t a g e d i s t o r t i o n l i m i t s C u r r e n t m e a s u r e m e n t s C r e s t f a c t o r s o f c u r r e n t w a v e f o r m s C u r r e n t d i s t o r t i o n l i m i t s f o r 2 0 < I s c I I r < 5 0 C o m p a r i s o n s o f i n d i v i d u a l C u r r e n t H a r m o n i c d i s t o r t i o n w i t h p r e s c r i b e d l i m i t s C o m p a r i s o n b e t w e e n S t a n d a r d l i m i t a t i o n s a n d M e a s u r e m e n t s S u m m a r y o f t h e p e r f o r m a n c e o f h a r m o n i c d e t e r m i n a t i o n m e t h o d s C o m p a r i s o n o f s o u r c e c u r r e n t w i t h a n d w i t h o u t f i l t e r i n g a c t i o n X P a g e 1 0 1 2 2 7 2 7 3 3 3 3 3 8 3 9 4 0 5 2 6 4 A b b r e v i a t i o n s a c a l t e r n a t i n g c u r r e n t A P F A c t i v e P o w e r F i l t e r A S D A d j u s t a b l e S p e e d D r i v e C E B C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d C F L C o m p a c t F l u o r e s c e n t L a m p " d e d i r e c t c u r r e n t H P F H i g h P a s s F i l t e r H V H i g h V o l t a g e I E C I n t e r n a t i o n a l E l e c t r o t e c h n i c a l C o m m i s s i o n I G B T I n s u l a t e d G a t e B i p o l a r T r a n s i s t o r M Y M e d i u m V o l t a g e M C B m i n i a t u r e C i r c u i t b r e a k e r M C C B M o l d e d C a s e C i r c u i t b r e a k e r P C P e r s o n a l C o m p u t e r P C C P o i n t o f C o m m o n C o u p l i n g P Q P o w e r Q u a l i t y P W M P u l s e W i d t h M o d u l a t i o n R M S R o o t M e a n S q u a r e S M P S S w i t c h M o d e P o w e r S u p p l y T O O T o t a l D e m a n d D i s t o r t i o n T H O T o t a l H a r m o n i c D i s t o r t i o n U P C U v a P r o v i n c i a l C o u n c i l U P S U n i n t e r r u p t i b l e P o w e r S u p p l y V S I V o l t a g e S o u r c e I n v e r t e r x i . . . _ - - C h a p t e r 1 I n t r o d u c t i o n 1 . 1 B a c k g r o u n d " A f t e r i n v e n t i o n o f e l e c t r i c i t y , a l t e r n a t i v e c u r r e n t s u p p l y w a s u s e d f i r s t f o r l i g h t i n g a n d a f t e r w a r d s f o r i n d u s t r i a l l o a d s , a s w e l l . E a r l i e r t h e f a c t o r i e s , o f f i c e s a n d h o u s e s w e r e s u p p l i e d b y r a d i a l l i n e s w i t h n o b a c k u p s , a n d l e n g t h y o u t a g e s w e r e a f a c t o f l i f e . W i t h t h e m a r c h o f t i m e a n d i n n o v a t i o n o f t e c h n o l o g y . e l e c t r i c i t y b e c a m e a d e m a n d f o r g r e a t e r d e p e n d a b i l i t y . A c c o r d i n g l y , u t i l i t y s y s t e m s d e v e l o p e d t r a n s m i s s i o n n e t w o r k s w i t h p r i m a r y a n d s e c o n d a r y d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s . S o t h e m a j o r c o n c e r n o f u t i l i t i e s w a s t h e i m p r o v e m e n t o f r e l i a b i l i t y w h i l e u s i n g t h e r e s o u r c e s m o r e e f f i c i e n t l y a n d e f f e c t i v e l y . W h e n u t i l i t y s y s t e m s g r e w m o r e r e l i a b l e , b u s i n e s s g r e w m o r e s o p h i s t i c a t e d . I n t u r n r e l i a b i l i t y n e e d s w e r e y e t e m p h a s i z e d . F a c t o r i e s a n d o t h e r b u s i n e s s e s b e g a n b u y i n g b a c k u p p o w e r s y s t e m s a s i n s u r a n c e a g a i n s t l o n g t e r m o u t a g e s o n u t i l i t y s y s t e m s . U t i l i t i e s a l s o w e n t o n s t r i v i n g t o s h o r t e n o u t a g e s . U n t i l f a i r l y r e c e n t l y , p o w e r q u a l i t y r e f e r r e d t o t h e a b i l i t y o f t h e e l e c t r i c u t i l i t i e s t o s u p p l y e l e c t r i c p o w e r w i t h o u t i n t e r r u p t i o n . T o d a y b o t h e l e c t r i c u t i l i t i e s a n d e n d u s e r s o f e l e c t r i c p o w e r a r e b e c o m i n g i n c r e a s i n g l y c o n c e r n e d a b o u t t h e q u a l i t y o f e l e c t r i c p o w e r . T h e r e a r e c o m p l e t e l y d i f f e r e n t d e f i n i t i o n s f o r p o w e r q u a l i t y , d e p e n d i n g o n o n e ' s f r a m e o f r e f e r e n c e . F o r e x a m p l e e q u i p m e n t m a n u f a c t u r e r m a y d e f i n e p o w e r q u a l i t y a s t h o s e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p o w e r s u p p l y t h a t e n a b l e t h e e q u i p m e n t t o w o r k . P o w e r q u a l i t y i s u l t i m a t e l y a c o n s u m e r - d r i v e n i s s u e , a n d t h e e n d u s e r ' s p o i n t o f r e f e r e n c e t a k e s p r e c e d e n c e . T h e r e f o r e , t h e p o w e r q u a l i t y p r o b l e m c a n b e d e f i n e d a s " a n y p o w e r p r o b l e m m a n i f e s t e d i n v o l t a g e , c u r r e n t , o r f r e q u e n c y d e v i a t i o n s t h a t r e s u l t i n f a i l u r e o r d i s o p e r a t i o n o f c u s t o m e r e q u i p m e n t " [ 1 ] . S i m p l y , t h e i d e a l p o w e r s u p p l y t o a l o w v o l t a g e c u s t o m e r i s 2 3 0 / 4 0 0 V a t 5 0 H z w i t h a s i n u s o i d a l w a v e s h a p e . T o d a y t h e a c t i o n i n p o w e r e l e c t r o n i c s i s s h i f t i n g e x p e c t a t i o n s o f p o w e r q u a l i t y i n t o a n e n t i r e l y d i f f e r e n t d i m e n s i o n . T h e g r o w i n g n u m b e r o f p o w e r e l e c t r o n i c s b a s e d e q u i p m e n t h a s p r o d u c e d a n i m m e n s e i m p a c t o n t h e q u a l i t y o f e l e c t r i c p o w e r s u p p l y . P o w e r e l e c t r o n i c s h a s g i v e n u s m a n y n e w w a y s t o m a n u f a c t u r e p r o d u c t s . p r o v i d e s e r v i c e s . a n d u t i l i z e e n e r g y . F r o m a p o w e r q u a l i t y i m p a c t v i e w p o i n t a p p l i c a t i o n s s u c h a s f o l l o w s o f t e n c a u s e f o r c o n c e r n . 1 . S w i t c h e d - m o d e p o w e r s u p p l i e s . . . 2 . D C a r c f u r n a c e s , 3 . E l e c t r o n i c t 1 u o r e s c e n t l a m p b a l l a s t s , 4 . A d j u s t a b l e s p e e d d r i v e s , a n d 5 . F l e x i b l e a c t r a n s m i s s i o n c o m p o n e n t s T h e s e c o n v e r t e r - b a s e d s y s t e m s a r e n o n l i n e a r . T h e n o n l i n e a r l o a d s c h a n g e t h e s i n u s o i d a l n a t u r e o f t h e a c p o w e r c u r r e n t ( a n d c o n s e q u e n t l y t h e a c v o l t a g e d r o p ) r e s u l t i n g i n t h e t 1 o w o f h a r m o n i c c u r r e n t s i n t h e p o w e r s y s t e m [ 2 ] . H a r m o n i c c u r r e n t s r e s u l t i n d i s t o r t e d v o l t a g e s a n d c u r r e n t s t h a t c a n a d v e r s e l y i m p a c t t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e i n d i f f e r e n t w a y s . T h e h a r m o n i c v o l t a g e s c a n l e a d t o o p e r a t i o n a l a n d l i f e e x p e c t a n c y p r o b l e m s f o r o t h e r e q u i p m e n t p o s s i b l y n o t o w n e d o r o p e r a t e d b y t h e s a m e p a r t y . B o t h h i g h p o w e r i n d u s t r i a l l o a d s a n d d o m e s t i c l o a d s c a u s e h a r m o n i c s i n t h e n e t w o r k v o l t a g e s . A t t h e s a m e t i m e , m u c h o f t h e e q u i p m e n t c a u s i n g t h e d i s t u r b a n c e s i s s e n s i t i v e t o t h e H a r m o n i c d i s t o r t i o n s . T h e o p e r a t i o n s o f s o m e e q u i p m e n t d e p e n d o n a n a c c u r a t e v o l t a g e w a v e s h a p e a n d t h e y c a n m a l f u n c t i o n w h e n h a r m o n i c s a r e p r e s e n t . H a r m o n i c s s u c h a s t h a t o c c u r i n c o m m e r c i a l b u i l d i n g s d u e t o m a n y s i n g l e p h a s e d i s t o r t i n g l o a d s a p p e a r e d a c r o s s t h r e e p h a s e c a n g i v e n e u t r a l c u r r e n t e x c e e d i n g t h e a c t i v e l i n e c u r r e n t . W i t h e x c e s s i v e l e v e l s o f h a r m o n i c s t h e r e i s r i s k o f O v e r h e a t i n g t h e n e u t r a l c o n d u c t o r w i t h l o s s o f c o n d u c t o r l i f e a n d p o s s i b l e r i s k o f f i r e A f f e c t i n g t h e d i g i t a l e q u i p m e n t a n d l o c a l a r e a n e t w o r k s ( L A N s ) i f t h e E a r t h i n g s y s t e m i s p o o r 2 O v e r h e a t i n g t h e i n d u c t i o n m o t o r w i n d i n g s c a u s i n g a c c e l e r a t e d d e g r a d a t i o n o f i n s u l a t i o n a n d l o s s o f l i f e E x t r a h e a t i n g o f t r a n s f o r m e r s l e a d i n g t o a r e d u c t i o n i n t h e i r s e r v i c e l i f e O v e r h e a t i n g o f t h e d i e l e c t r i c o f t r a n s f o r m e r s w i t h a r i s k o f e x p l o s i o n M a l f u n c t i o n i n g o f e q u i p m e n t t r i p s O v e r h e a t i n g o f e q u i p m e n t a n d r e d u c t i o n i n t h e i r s e r v i c e l i f e . . U n l i k e m o s t o t h e r t y p e s o f s u p p l y p r o b l e m s , h a r m o n i c s c a n g o u n n o t i c e d f o r m a n y y e a r s u n l e s s e q u i p m e n t t e m p e r a t u r e o r t h e v o l t a g e w a v e f o r m i s r o u t i n e l y m o n i t o r e d . O f f i c e s l o c a t e d i n s u b j e c t p r e m i s e s a l s o r e p o r t e d t o h a v e s e v e r a l o f s i m i l a r e x p e r i e n c e s a s a b o v e , a n d h e n c e i d e n t i f i e d a s a l o c a t i o n w h e r e t h e r e i s a g o o d c h a n c e o f e x i s t e n c e o f p o w e r q u a l i t y p r o b l e m s c a u s e d b y h a r m o n i c s . 1 . 2 M o t i v a t i o n O v e r t h e l a s t 2 0 y e a r s u t i l i z a t i o n o f p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e s i n e n e r g y c o n v e r s i o n h a s i n c r e a s e d d r a m a t i c a l l y . P o w e r e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y h a s p l a y e d a m a j o r r o l e i n c r e a t i n g p o w e r q u a l i t y p r o b l e m s . T h e i n c r e a s i n g n u m b e r o f h i g h l y n o n l i n e a r a n d u n b a l a n c e d d i s t o r t e d l o a d s l e a d s t o o p e r a t i o n a l a n d l i f e e x p e c t a n c y p r o b l e m s f o r o t h e r e q u i p m e n t s . a s w e l l . T h e r e f o r e , f o l l o w i n g t h e w i d e u s e o f e l e c t r o n i c a p p l i a n c e s , h a r m o n i c s h a s b e c o m e a s e r i o u s c o n c e r n f o r e l e c t r i c a l e n g i n e e r s . W h e n i t i s l o o k e d i n t o t h e u t i l i t y s i d e , s i n c e i t s e s t a b l i s h m e n t i n 1 9 6 9 , C E B h a s b e e n p a y i n g m u c h c o n c e r n o n i m p r o v e m e n t o f r e l i a b i l i t y o f t h e s u p p l y . H o w e v e r , a l e s s e r a t t e n t i o n h a s b e e n p a i d f o r p o w e r q u a l i t y i m p r o v e m e n t . S o m e t i m e s t h e c u s t o m e r s a r e s e v e r e l y a f f e c t e d b y p o w e r q u a l i t y p r o b l e m s t h a t e x i s t i n t h e s y s t e m a n d h e n c e t h e t i m e h a s c o m e t o l o o k i n t o t h e p o w e r q u a l i t y i s s u e s i n d e e p . P o w e r q u a l i t y p r o b l e m c a n b e c a u s e d b y d i s t u r b a n c e s o r i g i n a t i n g i n t h e s u p p l y s y s t e m , f r o m c u s t o m e r ' s p r e m i s e s a n d f r o m t h e n e a r b y i n s t a l l a t i o n s [ 1 ] . R e s p o n s i b i l i t y f o r e x t e r n a l d i s t u r b a n c e s s u c h a s o u t a g e s , s a g s a n d s p i k e s d u e t o s w i t c h i n g , o r i g i n a t e d i n t h e t r a n s m i s s i o n a n d d i s t r i b u t i o n n e t w o r k a r e a c c e p t a b l e b y t h e u t i l i t y . F o r h a r m o n i c d i s t u r b a n c e s u t i l i t i e s a r e n o t t o b e b l a m e d , b u t t h e c u s t o m e r s 3 -t h e m s e l v e s a r e a l s o r e s p o n s i b l e f o r d r a w i n g e x c e s s i v e n o n - l i n e a r c u r r e n t s . D u e t o t h e u n a v a i l a b i l i t y o f p r o p e r m o n i t o r i n g s y s t e m a n d r e g u l a t i o n s , a n d d u e t o t h e l a c k o f c u s t o m e r k n o w l e d g e . t h e u t i l i t y a s w e l l a s t h e c u s t o m e r s d o n o t w o r k i n e a r n e s t t o m i t i g a t e t h e v o l t a g e d i s t o r t i o n s g e n e r a t e d b y n o n - l i n e a r l o a d c u r r e n t s . I ' h e h a r m o n i c c u r r e n t s p r o d u c e d b y n o n - l i n e a r l o a d s c a n i n t e r a c t a d v e r s e l y w i t h a w i d e r a n g e o f p o w e r s y s t e m e q u i p m e n t c a u s i n g a d d i t i o n a l l o s s e s . o v e r h e a t i n g , a n d o v e r l o a d i n g [ 2 ] . B e c a u s e o f a d v e r s e e f f e c t s t h a t h a r m o n i c s h a v e o n c u s t o m e r s ' . . e q u i p m e n t s , i t i s a p r i m e i m p o r t a n c e o f c u s t o m e r s t o a d a p t p r o p e r c u s t o m e r s i d e m i t i g a t o r y m e a s u r e s t o b r i n g d o w n t h e h a r m o n i c l e v e l s i n t h e i r e l e c t r i c a l s y s t e m t o a f a v o r a b l e l i m i t . O n t h e o t h e r h a n d , i n o r d e r t o a v o i d d e t e r i o r a t i o n o f t h e q u a l i t y o f p o w e r s u p p l i e d t o c u s t o m e r s . r e g u l a t o r s a r e g o i n g t o h a v e t o e x p a n d t h e i r t h i n k i n g b e y o n d t r a d i t i o n a l r e l i a b i l i t y i n d i c e s a n d a d d r e s s t h e n e e d f o r p o w e r q u a l i t y r e p o r t i n g a n d i n c e n t i v e s f o r t h e t r a n s m i s s i o n a n d d i s t r i b u t i o n c o m p a n i e s . N o w t h a t w e a r e h a v i n g P u b l i c u t i l i t y c o m m i s s i o n a s t h e r e g u l a t o r y b o d y , e m p o w e r e d u n d e r S r i L a n k a E l e c t r i c i t y A c t n o 2 0 o f 2 0 0 9 , p o w e r q u a l i t y m a t t e r s w i l l b e m o r e e m p h a s i z e d . A s t h e a p p l i c a t i o n o f s e m i c o n d u c t o r d e v i c e s a r e f u r t h e r a d v a n c i n g , t h e r e i s a n e e d o f d e f i n i n g a s u i t a b l e f r a m e w o r k f o r h a r m o n i c c o n t r o l t o e n s u r e s t e a d y - s t a t e h a r m o n i c l i m i t s t h a t a r e a c c e p t a b l e b y b o t h e l e c t r i c u t i l i t i e s a n d c u s t o m e r s . I n t h a t c a s e . t h e c u s t o m e r a l s o w i l l h a v e t o p l a y a r o l e t o s u p p r e s s t h e i r h a r m o n i c c u r r e n t t h a t i n j e c t e d b a c k i n t o t h e d i s t r i b u t i o n s y s t e m . T h i s p h e n o m e n o n i s c o m m o n t o U v a p r o v i n c i a l C o u n c i l b u i l d i n g a t B a d u l l a , a l s o . A c o m p r e h e n s i v e s t u d y o n p o w e r q u a l i t y p r o b l e m s i n t h e s e l e c t e d p r e m i s e w i l l b e a g o o d c o n t r i b u t i o n i n o r d e r t o m a k e a v e n u e t o t h e a r e a o f p o w e r q u a l i t y r e s e a r c h o n p r o b l e m s o r i g i n a t e d i n c u s t o m e r s i d e . T h e r e f o r e , b e i n g a n E l e c t r i c a l e n g i n e e r a t t a c h e d t o C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d , I h a v e b e e n g r e a t l y m o t i v a t e d t o c a r r y o u t t h i s p r o j e c t . 4 -1 . 3 G o a l s o f t h e r e s e a r c h T h e m a i n o b j e c t i v e s o f t h i s r e s e a r c h a r e 1 . t o i n v e s t i g a t e t h e p o w e r q u a l i t y o f e l e c t r i c i t y s u p p l y o f U v a P r o v i n c i a l c o u n c i l b u i l d i n g , 2 . t o d e s i g n a n a c t i v e f i l t e r f o r f i l t e r i n g o u t t h e h a r m o n i c s i n j e c t e d b y l o a d o f p r o v i n c i a l c o u n c i l b u i l d i n g , 3 . t o d e v e l o p a m o d e l f o r a c t i v e f i l t e r a n d s i m u l a t e i t _ . u s i n g M A T L A B / S i m u l i n k e n v i r o n m e n t , 4 . a n d t o m a k e a n a v e n u e t o t h e a r e a o f p o w e r q u a l i t y r e s e a r c h o n p r o b l e m s o r i g i n a t e d i n c u s t o m e r s i d e . 1 . 4 S c o p e o f W o r k B a s e d o n t h e c a s e s t u d y . t h i s t h e s i s d i s c u s s e s t h e s o u r c e s a n d e f f e c t s o f h a r m o n i c s i n p o w e r s y s t e m s a n d s o m e p r a c t i c a l s o l u t i o n s t o t h e p r o b l e m o f h a r m o n i c s i n o t T i c e b u i l d i n g s . I t d i s c u s s e s p o s s i b l e h a r m o n i c m i t i g a t i o n t e c h n i q u e s a n d c o m p a r e s t h e p r o s a n d c o n s o f v a r i o u s a v a i l a b l e m e a s u r e s . O u t o f t h e d i f f e r e n t a v a i l a b l e t e c h n i q u e s . t h e a c t i v e p o w e r f i l t e r c o m p e n s a t i o n w i t h r e l e v a n t c o n t r o l m e t h o d i s f o c u s e d i n t h i s s t u d y . T h e c u r r e n t ( f i r s t ) c h a p t e r p r o v i d e s a n i n t r o d u c t i o n t o t h e h a r m o n i c c o n c e p t a n d d e f i n e s t h e t h e s i s s u b j e c t . I t o u t l i n e s w h a t i n s p i r e d m e t o d o t h i s r e s e a r c h a n d i t s a s p i r a t i o n s . A n d i t g i v e s a n o v e r v i e w o f t h e s u b j e c t a n d t h e c o n t e n t s o f t h e c h a p t e r s i n t h e t h e s i s , a s w e l l . T h e s e c o n d c h a p t e r d i s c u s s e s t h e f u n d a m e n t a l s o f h a r m o n i c s i n p o w e r s y s t e m s m d e t a i l s t o g e t h e r w i t h t h e c a u s e s a n d e f f e c t s t h e r e i n . T h i s c h a p t e r p r e s e n t s t h e m o s t c o m m o n l y u s e d t h e o r y o f h a r m o n i c s a n d a v a i l a b l e h a r m o n i c s s t a n d a r d s . T h e t h i r d c h a p t e r c o v e r s t h e p r a c t i c a l m e a s u r e m e n t s d o n e a t U v a p r o v i n c i a l c o u n c i l . I t c o m p a r e s t h e c o l l e c t e d d a t a w i t h h a r m o n i c s s t a n d a r d s a n d i d e n t i f i e s t h e p o w e r q u a l i t y p r o b l e m s i n t h e e x i s t i n g s y s t e m . 5 ~ I . . . . . _ H a r m o n i c m i t i g a t i o n t e c h n i q u e s t h e i r p r o s , c o n s a n d c a p a b i l i t i e s u n d e r p r a c t i c a l s i t u a t i o n s a r e d i s c u s s e d i n t h e f o u r t h c h a p t e r . T h e f i f t h c h a p t e r d e s c r i b e s t h e c o m p u t e r m o d e l l i n g a n d c o n t r o l l i n g o f a s h u n t a c t i v e f i l t e r a n d s i m u l a t i n g i t w i t h a n e x a m p l e l o a d u n d e r M A T L A B / S i m u l i n k e n v i r o n m e n t . T h e s i x t h a n d f i n a l c h a p t e r p r o v i d e s t h e c o n c l u d i n g r e m a r k s t h a t s u m m a r i z e t h e r e s e a r c h r e s u l t s a n d g i v e s f u t u r e w o r k r e c o m m e n d a t i o n s o n s u b j e c t s r e l a t e d t o t h e . . t h e s i s . 6 C h a p t e r 2 P o w e r s y s t e m H a r m o n i c s & t h e i r I m p a c t s 2 . 1 I n t r o d u c t i o n T h i s c h a p t e r b a s i c a l l y d e s c r i b e s w h a t h a r m o n i c s a r e : a n d i n t r o d u c e s v a n o u s t e r m i n o l o g y r e l a t e d w i t h h a r m o n i c s . I t c o v e r s d e s c r i p t i o n o n s o u r c e s o f h a r m o n i c s . t h e i r e f f e c t o n v a r i o u s e l e c t r i c a l e q u i p m e n t s , a n d t h e s t a n d a r d s o f h a r m o n i c s . 2 . 2 W h a t a r e h a r m o n i c s ? T h e t y p i c a l d e f i n i t i o n f o r a h a r m o n i c i s " a s i n u s o i d a l c o m p o n e n t o f a p e r i o d i c w a v e o r q u a n t i t y h a v i n g f r e q u e n c y t h a t i s a n i n t e g r a l m u l t i p l e o f t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y " [ 2 ] . S i m p l y e x p r e s s , h a r m o n i c s i s t h e n a m e g i v e n t o t h e m u l t i p l e s o f t h e f u n d a m e n t a l 5 0 H z f r e q u e n c y t h a t p o w e r s o u r h o m e s a n d b u s i n e s s e s . H a r m o n i c s c a n b e v o l t a g e a n d / o r c u r r e n t p r e s e n t i n t h e e l e c t r i c a l s y s t e m i n m u l t i p l e s o f t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y . T h e e v e n f r e q u e n c i e s a r e a r e s u l t o f d e v o l t a g e s o n t h e b u s s e s . a n d t h e o d d f r e q u e n c i e s a r e a r e s u l t o f a c v o l t a g e s . S o m e r e f e r e n c e s r e f e r t o " c l e a n " o r " p u r e " p o w e r a s t h o s e w i t h o u t a n y h a r m o n i c s [ 3 ] . B u t s u c h c l e a n w a v e f o r m s d o n o t e x i s t p r a c t i c a l l y . D u e t o w i d e s p r e a d u s e o f e l e c t r o n i c e q u i p m e n t i n t o d a y ' s c o m m e r c i a l a n d i n d u s t r i a l e n v i r o n m e n t s . t h e a c t u a l v o l t a g e s a n d c u r r e n t s i n t h e p o w e r s y s t e m a r e n o t p u r e l y s i n u s o i d a l b u t a r e p e r i o d i c i n t h e s t e a d y s t a t e . A n y p e r i o d i c n o n s i n u s o i d a l f u n c t i o n o f a f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y " f ' m a y b e e x p r e s s e d a s t h e s u m o f p u r e s i n e w a v e s i n w h i c h t h e f r e q u e n c y o f e a c h s i n u s o i d i s a n i n t e g e r m u l t i p l e o f t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y . T h i s m u l t i p l e i s c a l l e d a h a r m o n i c o f t h e f u n d a m e n t a l . F i g u r e 2 . 1 I l l u s t r a t e s t h e r e p r e s e n t a t i o n o f d i s t o r t e d w a v e f o r m w i t h a s u m o f s i n e w a v e s . 7 5 0 H z ( h = 1 ) . _ _ _ _ _ _ 1 5 0 H z ( h = 3 ) 1 ' 1 , l j . 1 ~~~ '~.n 1 , ( \ "~ ' \ ~ • ! \ " ' 1 , ( \ I ' I l ' I r ' \ l ~I . j \ / \ } v < ' \ l ~;l v \ 2 5 0 H z ( h = 5 ) ) l ) \ \ ( \ \ ( . . , . _ . , . . . 3 5 0 H z ( h " " 7 ) j i l l ! \ 1 • : ' - · 1 J ! 1 J ~~~~~~~-~~ 4 5 0 H z ( h - 9 ) ~ l . hl\,t,~.f\,'1/V•/1/o'V'vVIi\';'vV./V.t 5 5 0 H z ( h = 1 1 ) I ~~~~~~~~~-~~ 6 5 0 H z ( h = 1 3 ) F i g u r e 2 . 1 R e p r e s e n t a t i o n o f a d i s t o r t e d w a v e f o r m A s i n u s o i d a l v o l t a g e o r c u r r e n t f u n c t i o n t h a t i s d e p e n d e n t o n t i m e t m a y b e r e p r e s e n t e d b y t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n s : V o l t a g e f u n c t i o n . v ( t ) C u r r e n t f u n c t i o n . i ( t ) = V s i n ( w t ) = I s i n ( w t + 0 ) W h e r e w = 2 r r f i s k n o w n a s t h e a n g u l a r v e l o c i t y o f t h e p e r i o d i c w a v e f o r m a n d f J i s t h e d i f f e r e n c e i n p h a s e a n g l e b e t w e e n t h e v o l t a g e a n d t h e c u r r e n t w a v e f o r m s r e f e r r e d t o a c o m m o n a x i s . T h e s i g n o f p h a s e a n g l e f J i s p o s i t i v e i f t h e c u r r e n t l e a d s t h e v o l t a g e a n d n e g a t i v e i f t h e c u r r e n t l a g s t h e v o l t a g e . F o r a p e r i o d i c n o n s i n u s o i d a l w a v e f o r m t h e s a m e e x p r e s s i o n m a y b e w r i t t e n a s , V ( t ) = Y o + V 1 s i n ( w t ) + V 2 s i n ( 2 w t ) + V 3 s i n ( J w t ) + . . . . . . . . . . . . + V n s i n ( n w t ) + Y n + l s i n ( ( n + 1 ) w t j + . . . . . . . . . . . . I n t h i s e x p r e s s i o n V 0 r e p r e s e n t s t h e c o n s t a n t o r t h e D C c o m p o n e n t o f t h e w a v e f o r m . v 1 . V 2 v 3 . a r e t h e p e a k v a l u e s o f t h e s u c c e s s i v e t e r m s o f t h e e x p r e s s i o n . T h e s e t e r m s a r e k n o w n a s t h e h a r m o n i c s o f t h e p e r i o d i c w a v e f o r m . 8 2 . 2 . 1 H a r m o n i c N u m b e r H a r m o n i c n u m b e r ( h ) r e f e r s t o t h e i n d i v i d u a l f r e q u e n c y e l e m e n t s t h a t c o m p r i s e a c o m p o s i t e w a v e f o r m . F o r e x a m p l e , h = 3 r e f e r s t o t h e t h i r d h a r m o n i c c o m p o n e n t w i t h a f r e q u e n c y e q u a l t o t h r e e t i m e s 5 0 H z o r 1 5 0 H z . H a r m o n i c n u m b e r 1 i s a s s i g n e d t o t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y c o m p o n e n t o f t h e p e r i o d i c w a v e f o r m a n d h a r m o n i c n u m b e r 0 r e p r e s e n t s t h e c o n s t a n t o r D C c o m p o n e n t o f t h e w a v e f o r m . . . 2 . 2 . 2 O d d a n d e v e n h a r m o n i c s H a r m o n i c s w i t h o d d h a r m o n i c n u m b e r s ( e . g . 3 , 5 , 7 , 9 , 1 0 ) a r e k n o w n a s o d d h a r m o n i c s a n d t h a t o f w i t h e v e n h a r m o n i c n u m b e r s ( e . g . 2 , 4 . 6 , 8 , 1 0 ) a r e k n o w n a s e v e n h a r m o n i c s . E x c e p t i n v e r y f e w c a s e s o n l y o d d h a r m o n i c s a r e d o m i n a n t i n t h e p o w e r s y s t e m s . S y m m e t r i c a l w a v e s c o n t a i n o n l y o d d h a r m o n i c s a n d u n - s y m m e t r i c a l w a v e s c o n t a i n e v e n a n d o d d h a r m o n i c s . A s y m m e t r i c a l w a v e i s o n e i n w h i c h t h e p o s i t i v e p o r t i o n o f t h e w a v e i s i d e n t i c a l t o t h e n e g a t i v e p o r t i o n o f t h e w a v e . A n u n - s y m m e t r i c a l w a v e c o n t a i n s a d e c o m p o n e n t ( o r o f f s e t ) o r t h e l o a d i s s u c h t h a t t h e p o s i t i v e p o r t i o n o f t h e w a v e i s d i f f e r e n t f r o m t h e n e g a t i v e p o r t i o n . E x c e p t i n v e r y f e w c a s e s o n l y o d d h a r m o n i c s a r e d o m i n a n t i n t h e p o w e r s y s t e m s . 2 . 2 . 3 I n t e r h a r m o n i c s V o l t a g e o r c u r r e n t h a v i n g f r e q u e n c y c o m p o n e n t t h a t a r e n o t i n t e g e r m u l t i p l e s o f t h e f u n d a m e n t a l p o w e r f r e q u e n c y a r e c a l l e d a s i n t e r h a r m o n i c s [ 3 ] . A s p e c i a l c a t e g o r y o f i n t e r h a r m o n i c s w h i c h a r e h a v i n g f r e q u e n c y v a l u e s l e s s t h a n t h e f u n d a m e n t a l i s c a l l e d s u b h a r m o n i c s . I n t e r h a r m o n i c s , a l w a y s p r e s e n t i n t h e p o w e r s y s t e m , h a v e r e c e n t l y b e c o m e o f m o r e i m p o r t a n c e s i n c e t h e w i d e s p r e a d u s e o f p o w e r e l e c t r o n i c s y s t e m s r e s u l t s i n a n i n c r e a s e o f t h e i r m a g n i t u d e . I n t e r h a r m o n i c s m a y b e g e n e r a t e d a t a n y v o l t a g e l e v e l a n d a r e t r a n s f e r r e d b e t w e e n l e v e l s . I n t e r h a r m o n i c s g e n e r a t e d i n H V a n d M V s y s t e m s a r e i n j e c t e d i n t o t h e L V s y s t e m a n d v i c e v e r s a . T h e i r m a g n i t u d e s e l d o m e x c e e d s 0 . 5 % o f t h e v o l t a g e f u n d a m e n t a l h a r m o n i c , a l t h o u g h h i g h e r l e v e l s c a n o c c u r u n d e r r e s o n a n c e c o n d i t i o n s . 9 I I I I ! i ! I I 1\'\~ m o . \ \ \ 'SQ\.\'=C:.~ O H a r m o n i c s f i e 5 0 n n < 0 S u b h a r m o n i c s / 4 5 0 n n > O I n t e r h a r m o n i c s f = 5 0 n n > 0 ; n i s o d d O d d H a r m o n i c s f = 5 0 n I n > 0 ; n i s e v e n E v e n H a r m o n i c s T a b l e 2 . 1 S p e c t r u m o f h a r m o n i c s 2 . 2 . 4 H a r m o n i c p h a s e S e q u e n c e T r a d i t i o n a l l y , s y m m e t r i c a l c o m p o n e n t s a r e u s e d t o d e s c r i b e t h r e e p h a s e p o w e r s y s t e m b e h a v i o r . U n d e r t h a t c o n c e p t , t h r e e p h a s e s y s t e m i s t r a n s f o r m e d i n t o t h r e e s i n g l e p h a s e s y s t e m s t h a t a r e m u c h s i m p l e r t o a n a l y z e . S i m i l a r l y , t h i s m e t h o d c a n b e e m p l o y e d f o r a n a l y s i s o f t h e r e s p o n s e o f p o w e r s y s t e m s t o h a r m o n i c c u r r e n t s , a l s o . I n a b a l a n c e d t h r e e - p h a s e e l e c t r i c a l s y s t e m , t h e v o l t a g e a n d c u r r e n t s h a v e a p o s i t i o n a l r e l a t i o n s h i p . T h e t h r e e v o l t a g e s a r e 1 2 0 ° a p a r t a n d s o a r e t h e t h r e e c u r r e n t s . T h e n o r m a l p h a s e r o t a t i o n o r s e q u e n c e i s a a - b - c , w h i c h i s c o u n t e r c l o c k w i s e a n d d e s i g n a t e d a s t h e p o s i t i v e - p h a s e s e q u e n c e . F o r h a r m o n i c a n a l y s e s , t h i s r e l a t i o n s h i p i s s t i l l a p p l i c a b l e , b u t t h e f u n d a m e n t a l c o m p o n e n t s o f v o l t a g e s a n d c u r r e n t s a r e u s e d a s r e f e r e n c e . T h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c i e s h a v e a p o s i t i v e - p h a s e s e q u e n c e . T h e p o s i t i v e s e q u e n c e s e t c o n t a i n s t h r e e s i n u s o i d s d i s p l a c e d 1 2 0 ° f r o m e a c h o t h e r w i t h n o r m a l a - b - c p h a s e r o t a t i o n . S i n u s o i d s o f t h e n e g a t i v e - s e q u e n c e s e t a r e a l s o 1 0 I I I I I I I i I I I I d i s p l a c e d 1 2 0 ° b u t h a v e o p p o s i t e p h a s e r o t a t i o n . T h e s i n u s o i d s o f t h e z e r o s e q u e n c e a r e i n p h a s e w i t h e a c h o t h e r . F o r t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y c u r r e n t c o m p o n e n t s i n a t h r e e - p h a s e p o w e r s y s t e m : i a l = I a l s i n w t i b 1 = h 1 s i n ( w t - 1 2 0 ) i c l = l e i s i n ( w t - 2 4 0 ) ; T h e h a r m o n i c p h a s e s e q u e n c e c a n b e d e t e r m i n e d b y m u l t i p l y i n g t h e h a r m o n i c n u m b e r h w i t h t h e n o r m a l p o s i t i v e s e q u e n c e p h a s e r o t a t i o n [ 1 ] . W h e n w e a p p l y t h i s t o t h i r d h a r m o n i c s , i a 3 = I a 3 s i n 3 w t i b 3 = I b 3 s i n 3 ( w t - 1 2 0 ) = I b 3 s i n ( 3 w t - 3 6 0 ) = I b J s i n 3 w t i c 3 = I c 3 s i n 3 ( w t - 2 4 0 ) = I c 3 s i n ( 3 w t - 7 2 0 ) = I c 3 s i n 3 w t T h e e x p r e s s i o n f o r t h e t h i r d h a r m o n i c s s h o w s t h a t t h e y a r e i n p h a s e a n d h a v e z e r o d i s p l a c e m e n t a n g l e s b e t w e e n t h e t h i r d h a r m o n i c c u r r e n t s . a n d t h e r e f o r e . a r e z e r o s e q u e n c e . T h e e x p r e s s i o n f o r t h e f i f t h h a r m o n i c c u r r e n t a r e i a s = l a s s i n 5 w l i b s = l b s s i n 5 ( w t - 1 2 0 ' ) = I b s s i n ( S w t - 6 0 0 ° ) = I b s s i n ( 5 w t - 2 4 0 ° ) i c s = l c s s i n 5 ( w t - 2 4 0 ° ) = I c s s i n ( S w t - 1 2 0 0 ° ) = I c 5 s i n ( 5 w t - 1 2 0 ° ) T h e e x p r e s s i o n i n d i c a t e s t h a t , f o r t h e f i f t h h a r m o n i c t h e p h a s e s e q u e n c e i s c l o c k w i s e a n d o p p o s i t e t o t h a t o f t h e f u n d a m e n t a l . H e n c e t h e f i f t h h a r m o n i c s a r e n e g a t i v e s e q u e n c e . S i m i l a r e x p r e s s i o n c o u l d b e d e r i v e d f o r t h e s e v e n t h h a r m o n i c s a n d i t w o u l d r e v e a l t h a t t h e s e v e n t h h a r m o n i c s h a v e s a m e p h a s e s e q u e n c e a s t h e f u n d a m e n t a l , h e n c e a r c c a l l e d p o s i t i v e s e q u e n c e h a r m o n i c s . H a r m o n i c s e q u e n c e s f o r d i f f e r e n t h a r m o n i c o r d e r s a r e i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 2 . 2 . 1 1 l i e P O S I T I V E P H A S E S E Q U E N C E \ - l a l l b . ( a ) I I Z E R O P H A S E S E Q U E N C E I , W , W , l c 3 -------1-----~-- 1 I I ( b ) 1 1 . 5 N E G A T I V E P H A S E S E Q U E N C E \ - - - - - l a S l c ! i " ( c ) l c 7 P O S I T I V E P H A S E S E Q U E N C E \ ) - - - - - - - - J a 7 I L 7 ( d ) F i g u r e 2 . 2 P h a s e s e q u e n c e s o f ( a ) F u n d a m e n t a l , ( b ) T h i r d h a r m o n i c s , ( c ) F i f t h h a r m o n i c s a n d ( d ) S e v e n t h h a r m o n i c s P h a s e s e q u e n c e r o t a t i o n s o f h a r m o n i c s a r e s u m m a r i z e d i n T a b l e 2 . 2 I H a r m o n i c F u n d 2 1 1 0 3 r d 4 t h 5 t h 6 t n I i l l g t l l I E t c . I I I S e q u e n c e + - 0 + - 0 + - I . . . T a b l e 2 . 2 H a r m o n i c s e q u e n c i n g v a l u e s . 1 2 ! 2 . 2 . 5 T r i p l e n h a r m o n i c s T r i p l e n h a r m o n i c s a r e t h e o d d m u l t i p l e s o f t h e t h i r d h a r m o n i c s ( h = 3 , 9 , 1 5 , 2 1 . . . . . ) [ 3 ] . T h e y d e s e r v e s p e c i a l c o n s i d e r a t i o n b e c a u s e s y s t e m r e s p o n s e f o r t r i p l e n h a r m o n i c s a r e d i f f e r e n t f r o m o t h e r s . I n t h r e e p h a s e w y e c i r c u i t s , t r i p l e n h a r m o n i c s a r e a c c u m u l a t e i n t h e n e u t r a l . T h e r e f o r e , i n g r o u n d e d w y e s y s t e m s , t r i p l e n b e c o m e s a n i m p o r t a n t i s s u e . . . 2 . 2 . 6 C r e s t f a c t o r T h e c r e s t f a c t o r o f a n y w a v e f o r m i s t h e r a t i o o f t h e p e a k v a l u e t o t h e R M S v a l u e . P e a k v a l u e C r e s t f a c t o r = R M S v a l u e C r e s t f a c t o r o f p u r e s i n u s o i d a l w a v e f o r m i s e q u a l t o - ! 2 . T h e r e f o r e , t h e c r e s t f a c t o r c a n b e u s e d t o d e t e r m i n e t h e e x i s t e n c e o f d i s t o r t e d w a v e f o r m s . T h e h i g h c r e s t f a c t o r o f c u r r e n t w a v e f o r m s i n a p o w e r s y s t e m i s a s i g n o f a h a r m o n i c d i s t o r t i o n [ 5 ] . 2 . 2 . 7 . T r u e p o w e r f a c t o r a n d d i s p l a c e m e n t p o w e r f a c t o r W h e n h a r m o n i c c u r r e n t s p r e s e n t , t h e t o t a l p o w e r f a c t o r o r " t h e t r u e p o w e r f a c t o r " , P F 1 i s g i v e n b y t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n . p p p F r = V l r m s l r m s V l r m s X l l r m s / 1 + ( % T H D 1 ) ~ 1 0 0 W h e r e , p R e a l p o w e r V 1 r m s = R M S v a l u e o f t h e f u n d a m e n t a l v o l t a g e I 1 r m s = R M s v a l u e o f t h e f u n d a m e n t a l c u r r e n t c o m p o n e n t l r m s = R M S v a l e o f c u r r e n t T h i s c a n b e g i v e n a s P F r = W h e r e , P F o P F v 1 + % T H D 1 1 0 0 d i s p l a c e m e n t p o w e r f a c t o r 1 3 T h e s e e x p r e s s i o n s b r i n g o u t t h e f a c t t h a t t h e p r e s e n c e o f h a r m o n i c s r e d u c e s t h e s y s t e m p o w e r f a c t o r w h i c h i n t u m i n c r e a s e s t h e p o w e r s y s t e m l o s s e s . 2 . 3 H a r m o n i c i n d i c e s T w o m o s t c o m m o n l y u s e d i n d i c e s f o r m e a s u r i n g t h e h a r m o n i c c o n t e n t o f a w a v e f o r m a r e t h e T o t a l H a r m o n i c D i s t o r t i o n ( T H D ) a n d t h e T o t a l D e m a n d D i s t o r t i o n ( T D D ) . B o t h a r e m e a s u r e s o f t h e e f f e c t i v e v a l u e o f a w a v e f o r m a n d m a y b e a p p l i e d t o e i t h e r v o l t a g e o r c u r r e n t . 2 . 3 . 1 T o t a l h a r m o n i c d i s t o r t i o n T h e t o t a l h a r m o n i c d i s t o r t i o n i s u s e d t o d e f i n e t h e e f f e c t o f h a r m o n i c s o n t h e p o w e r s y s t e m [ 2 ] . I t i s u s e d i n l o w - v o l t a g e , m e d i u m - v o l t a g e , a n d h i g h - v o l t a g e s y s t e m s . I t i s e x p r e s s e d a s a p e r c e n t o f t h e f u n d a m e n t a l a n d i s d e f i n e d a s T H D s u m o f a l l s q u a r e s o f a m p l i t u d e o f a l l h a r m o n i c v o l t a g e s 1 O O o / o s q u a r e o f t h e a m p l r t u d e o f t h e f u n d a m e n t a l v o l t a g e ~ ~L..h=2vh = * 1 0 0 % v l W h e r e , V h i s t h e s i n g l e f r e q u e n c y R M S v o l t a g e a t h a r m o n i c h , 5 0 i s t h e m a x i m u m h a r m o n i c o r d e r t o b e c o n s i d e r e d a n d V 1 i s t h e f u n d a m e n t a l l i n e t o n e u t r a l R M S v o l t a g e . T H D r J V 2 + V l + V f . . . . . . . . . . . 1 0 0 % 2 0 v 1 T o t a l c u r r e n t h a r m o n i c s d i s t o r t i o n i s g i v e n b y T H D _ ~ii + i~ + i 2 + I - . 4 • • • • • • • • • i l W h e r e . i 1 1 i s t h e R M S c u r r e n t o f h a r m o n i c h a n d i 1 i s t h e R M S v a l u e o f f u n d a m e n t a l c u r r e n t . 1 4 2 . 3 . 2 T o t a l d e m a n d d i s t o r t i o n C u r r e n t d i s t o r t i o n l e v e l s c a n a l s o b e c h a r a c t e r i z e d b y a T H O v a l u e b u t i t c a n b e m i s l e a d i n g w h e n t h e f u n d a m e n t a l l o a d c u r r e n t i s l o w [ 2 ] , [ 3 ] . A h i g h T H O v a l u e f o r i n p u t c u r r e n t m a y n o t b e o f s i g n i f i c a n t c o n c e r n i f t h e l o a d i s l i g h t , s i n c e t h e m a g n i t u d e o f t h e h a r m o n i c c u r r e n t i s l o w , e v e n t h o u g h i t s r e l a t i v e d i s t o r t i o n t o t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y i s h i g h . T o a v o i d s u c h a m b i g u i t y a t o t a l d e m a n d d i s t o r t i o n ( T O O ) f a c t o r i s u s e d i n s t e a d [ 3 ] . T D O i s d e f i n e d a s : " T O O T D D = ~i~ + i } + i 2 + . j • • • • • • • • • i f h i s t h e p e a k , o r m a x i m u m , d e m a n d l o a d c u r r e n t a t t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y c o m p o n e n t m e a s u r e d a t t h e p o i n t o f c o m m o n c o u p l i n g ( P C C ) . T h i s f a c t o r i s s i m i l a r t o T H O e x c e p t t h a t t h e d i s t o r t i o n i s e x p r e s s e d a s a p e r c e n t a g e o f s o m e r a t e d o r m a x i m u m l o a d c u r r e n t m a g n i t u d e , r a t h e r t h a n a s a p e r c e n t a g e o f t h e f u n d a m e n t a l c u r r e n t . S i n c e e l e c t r i c a l p o w e r s u p p l y s y s t e m s a r e d e s i g n e d t o w i t h s t a n d t h e r a t e d o r m a x i m u m l o a d c u r r e n t , t h e i m p a c t o f c u r r e n t d i s t o r t i o n o n t h e s y s t e m w i l l b e m o r e r e a l i s t i c i f t h e a s s e s s m e n t i s b a s e d o n t h e d e s i g n e d v a l u e s , r a t h e r t h a n o n a r e f e r e n c e t h a t f l u c t u a t e s w i t h t h e l o a d l e v e l s . 2 . 4 H o w h a r m o n i c s g e n e r a t e i n p o w e r s y s t e m s ? T h e o b j e c t i v e o f t h e e l e c t r i c u t i l i t y i s t o d e l i v e r s i n u s o i d a l v o l t a g e a t f a i r l y c o n s t a n t m a g n i t u d e t h r o u g h o u t t h e i r s y s t e m . T h i s o b j e c t i v e i s c o m p l i c a t e d b y t h e f a c t t h a t t h e r e a r e l o a d s o n t h e s y s t e m t h a t p r o d u c e h a r m o n i c c u r r e n t s . T h e s e c u r r e n t s r e s u l t i n d i s t o r t e d v o l t a g e s a n d c u r r e n t s t h a t c a n a d v e r s e l y i m p a c t t h e s y s t e m p e r f o r m a n c e i n d i f f e r e n t w a y s . A s t h e n u m b e r o f h a r m o n i c p r o d u c i n g l o a d s h a s i n c r e a s e d o v e r t h e y e a r s , i t h a s b e c o m e i n c r e a s i n g l y n e c e s s a r y t o a d d r e s s t h e i r i n f 1 u e n c e w h e n m a k i n g a n y a d d i t i o n s o r c h a n g e s t o a n I n s t a l l a t i o n . 1 5 T o f u l l y a p p r e c i a t e t h e i m p a c t o f t h e s e p h e n o m e n a , t h e r e a r e t w o i m p o r t a n t c o n c e p t s t o b e c o n s i d e r e d w i t h r e g a r d t o p o w e r s y s t e m h a r m o n i c s . T h e f i r s t i s t h e n a t u r e o f h a r m o n i c - c u r r e n t p r o d u c i n g l o a d s ( n o n - l i n e a r l o a d s ) a n d t h e s e c o n d i s t h e w a y m w h i c h h a r m o n i c c u r r e n t s f 1 o w a n d h o w t h e r e s u l t i n g h a r m o n i c v o l t a g e s d e v e l o p . 2 . 4 . 1 L i n e a r a n d n o n - l i n e a r l o a d s A l i n e a r e l e m e n t i n a p o w e r s y s t e m i s a c o m p o n e n t i n w h i c h t h e c u r r e n t i s . I f p r o p o r t i o n a l t o t h e v o l t a g e . I n g e n e r a l , t h i s m e a n s t h a t t h e c u r r e n t w a v e s h a p e w i l l b e t h e s a m e a s t h e v o l t a g e a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 3 . T y p i c a l e x a m p l e s o f l i n e a r l o a d s i n c l u d e m o t o r s . h e a t e r s a n d i n c a n d e s c e n t l a m p s . 2 0 0 1 0 0 0 - 1 0 0 , , - V O L T A G E / - - - - < . ' \ . , - - L I N E A R L O A D / / • . C U R R E N T / \ . . , / \ \ I \ / / \ " \ . . ' / , _ _ _ , . , . . - A n g l e ( 0 0 - 3 6 0 o ) F i g u r e 2 . 3 V o l t a g e a n d c u r r e n t w a v e f o r m s f o r l i n e a r l o a d s H a r m o n i c d i s t o r t i o n i s c a u s e d b y n o n - l i n e a r d e v i c e s i n t h e p o w e r s y s t e m . A n o n l i n e a r d e v i c e i s o n e i n w h i c h t h e c u r r e n t i s n o t p r o p o r t i o n a l t o t h e a p p l i e d v o l t a g e . T y p i c a l e x a m p l e s o f n o n - l i n e a r l o a d s i n c l u d e p o w e r s u p p l i e s w i t h r e c t i f i e r s , U P S u n i t s , d i s c h a r g e l i g h t i n g , a d j u s t a b l e s p e e d m o t o r d r i v e s , f e r r o m a g n e t i c d e v i c e s . d e m o t o r d r i v e s a n d a r c i n g e q u i p m e n t . F i g u r e 2 . 4 i l l u s t r a t e s t h i s c o n c e p t b y t h e c a s e o f a s i n u s o i d a l v o l t a g e a p p l i e d t o a s i m p l e n o n l i n e a r r e s i s t o r i n w h i c h t h e v o l t a g e a n d c u r r e n t v a r y a c c o r d i n g t o t h e c u r v e s h o w n . W h i l e t h e a p p l i e d v o l t a g e i s p e r f e c t l y s i n u s o i d a L t h e r e s u l t i n g c u r r e n t i s d i s t o r t e d . I n c r e a s i n g t h e v o l t a g e b y a f e w p e r c e n t m a y c a u s e t h e c u r r e n t t o d o u b l e a n d t a k e o n a d i f f e r e n t w a v e s h a p e . 1 6 l 1 ( 1 ) t N o n l i n e a r R e s i s t o r V ( t ' l ~= / / · - . v L ' ~ F i g u r e 2 . 4 C u r r e n t d i s t o r t i o n c a u s e d b y n o n l i n e a r r e s i s t a n c e . S o i n c a s e o f n o n l i n e a r l o a d s c u r r e n t a n d w a v e f o r m s h a p e s a r e n o t s a m e a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 5 . 2 0 0 1 0 0 0 - 1 0 0 ~--,-- 1 . / I ] L T . C . . G E / : ' ' : \ . . , / / / \ - · \ - N O N - L I N E A R L O A D , . . · , \ C U R R E N T . , \ , I . \ : , ) / / , . . I \ i i . ''<=~~-/ A n g l e ( 0 0 - 3 6 0 0 ) F i g u r e 2 . 5 - V o l t a g e a n d c u r r e n t w a v e f o r m s f o r n o n - l i n e a r l o a d s T h i s p h e n o m e n o n i s t h e s o u r c e o f m o s t h a r m o n i c d i s t o r t i o n i n a p o w e r s y s t e m . T h e s i n u s o i d a l c o m p o n e n t s a r e i n t e g e r m u l t i p l e s o f t h e f u n d a m e n t a l w h e r e t h e F u n d a m e n t a l i s 5 0 H z . T h e o n l y w a y t o m e a s u r e a v o l t a g e o r c u r r e n t t h a t c o n t a i n s h a r m o n i c s i s t o u s e a t r u e - R M S r e a d i n g m e t e r . I f a n a v e r a g i n g m e t e r i s u s e d , w h i c h i s t h e m o s t c o m m o n t y p e , t h e e r r o r c a n b e S i g n i f i c a n t . 1 7 ~ 2 . 4 . 2 H a r m o n i c c u r r e n t f l o w W h e n a n o n - l i n e a r l o a d d r a w s c u r r e n t , i t p a s s e s t h r o u g h a l l o f t h e i m p e d a n c e t h a t i s b e t w e e n t h e l o a d a n d t h e s y s t e m s o u r c e a s s h o w n i n F i g u r e 2 . 6 A s a r e s u l t o f t h e c u r r e n t t 1 o w , h a r m o n i c v o l t a g e s a r e p r o d u c e d b y i m p e d a n c e i n t h e s y s t e m f o r e a c h h a r m o n i c . . . D i s t o r t e d V o l t a g e C 9 I + , P u r e S i n u s o i d ( V o l t a g e D r o p ) ( X I ' \ ! \ \ - , - - u l J \.1·~------1 ::~::~ C u r r e n t j L o a d \ " ' * F i g u r e 2 . 6 H a r m o n i c c u r r e n t s f l o w i n g t h r o u g h t h e s y s t e m i m p e d a n c e r e s u l t i n h a r m o n i c v o l t a g e s a t t h e l o a d A d d i t i o n o f t h e s e v o l t a g e s t o t h e n o m i n a l v o l t a g e p r o d u c e s v o l t a g e d i s t o r t i o n s . T h e m a g n i t u d e o f t h e v o l t a g e d i s t o r t i o n d e p e n d s o n t h e s o u r c e i m p e d a n c e a n d t h e h a r m o n i c v o l t a g e s p r o d u c e d . I f t h e s o u r c e i m p e d a n c e i s l o w t h e n t h e v o l t a g e d i s t o r t i o n w i l l b e l o w . I f a s i g n i f i c a n t p o r t i o n o f t h e l o a d b e c o m e s n o n - l i n e a r ( h a r m o n i c c u r r e n t s i n c r e a s e ) a n d / o r w h e n a r e s o n a n t c o n d i t i o n p r e v a i l s ( s y s t e m i m p e d a n c e i n c r e a s e s ) , t h e v o l t a g e c a n i n c r e a s e d r a m a t i c a l l y [ 1 ] . 2 . 5 I - 1 - . ) . H a r m o n i c s o u r c e s F l u o r e s c e n t l a m p s L i g h t i n g t y p i c a l l y a c c o u n t s f o r 4 0 t o 6 0 p e r c e n t o f a c o m m e r c i a l b u i l d i n g l o a d . A s f 1 u o r e s c e n t l i g h t s a r e a p o p u l a r c h o i c e f o r e n e r g y s a v i n g s , t 1 u o r e s c e n t l i g h t i n g i s u s e d m o r e t h a n s e v e n t y f i v e p e r c e n t o f c o m m e r c i a l t 1 o o r s p a c e s . 1 8 F l u o r e s c e n t l i g h t s a r e d i s c h a r g e l a m p s ; t h u s t h e y r e q u i r e b a l l a s t t o p r o v i d e a h i g h i n i t i a l v o l t a g e t o i n i t i a t e t h e d i s c h a r g e f o r t h e e l e c t r i c c u r r e n t t o f l o w b e t w e e n t w o e l e c t r o d e s i n t h e f l u o r e s c e n t t u b e . O n c e t h e d i s c h a r g e i s e s t a b l i s h e d , t h e v o l t a g e d e c r e a s e s a s t h e a r c c u r r e n t i n c r e a s e s . T h e r e a r e t w o t y p e s o f b a l l a s t s , m a g n e t i c a n d e l e c t r o n i c . M a g n e t i c b a l l a s t i s s i m p l y m a d e u p o f a n i r o n - c o r e t r a n s f o r m e r w i t h a c a p a c i t o r e n c a s e d i n a n i n s u l a t i n g m a t e r i a l . E l e c t r o n i c b a l l a s t e m p l o y s a s w i t c h - m o d e - t y p e p o w e r s u p p l y t o c o n v e r t t h e i n c o m i n g f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y v o l t a g e t o a m u c h h i g h e r f r e q u e n c y v o l t a g e . " T h e c u r r e n t T H D o f s t a n d a r d m a g n e t i c b a l l a s t s i s a b o u t 1 5 p e r c e n t [ 6 ] . A s a c o m p a n s o n , e l e c t r o n i c b a l l a s t s , w h i c h e m p l o y s w i t c h - m o d e p o w e r s u p p l i e s , c a n p r o d u c e d o u b l e o r t r i p l e t h e s t a n d a r d m a g n e t i c b a l l a s t h a r m o n i c o u t p u t . B u t m o s t e l e c t r o n i c b a l l a s t s a r e e q u i p p e d w i t h p a s s i v e f i l t e r i n g t o r e d u c e t h e i n p u t c u r r e n t h a r m o n i c d i s t o r t i o n t o l e s s t h a n 2 0 p e r c e n t . 2 . 5 . 2 A d j u s t a b l e s p e e d d r i v e s C o m m o n a p p l i c a t i o n s o f a d j u s t a b l e - s p e e d d r i v e s ( A S D s ) i n c o m m e r c i a l b u i l d i n g s a r e i n e l e v a t o r m o t o r s a n d i n p u m p s a n d f a n s i n a c s y s t e m s . A n A S D c o n s i s t s o f a n e l e c t r o n i c p o w e r c o n v e r t e r t h a t c o n v e r t s a c v o l t a g e a n d f r e q u e n c y i n t o v a r i a b l e v o l t a g e a n d f r e q u e n c y . T h e v a r i a b l e v o l t a g e a n d f r e q u e n c y a l l o w s t h e A S D t o c o n t r o l m o t o r s p e e d . T h i s i n v o l v e s g e n e r a t i o n o f h a r m o n i c s [ 3 ] . 2 . 5 . 3 S w i t c h m o d e p o w e r s u p p l i e s S w i t c h - m o d e p o w e r s u p p l i e s a r e n o w a l m o s t u n i v e r s a l l y e m p l o y e d i n P e r s o n a l c o m p u t e r s , p r i n t e r s , c o p i e r s , a n d i n m o s t o t h e r s i n g l e - p h a s e e l e c t r o n i c e q u i p m e n t . T h e k e y a d v a n t a g e s a r e t h e l i g h t w e i g h t , c o m p a c t s i z e , e f f i c i e n t o p e r a t i o n , a n d l a c k o f n e e d f o r a b u l k y t r a n s f o r m e r . A l l v a r i a b l e f r e q u e n c y d r i v e s c a u s e h a r m o n i c s b e c a u s e o f t h e n a t u r e o f t h e f r o n t e n d r e c t i f i e r d e s i g n [ 6 ] . I t f e e d s a c a p a c i t o r t h a t s u p p l i e s t h e v o l t a g e t o t h e e l e c t r o n i c c i r c u i t r y . S i n c e t h e l o a d i s a c a p a c i t o r a s s e e n f r o m t h e p o w e r s y s t e m , t h e c u r r e n t t o t h e p o w e r s u p p l y i s d i s c o n t i n u o u s . T h a t i s , c u r r e n t f l o w s f o r o n l y p a r t o f t h e h a l f - c y c l e . F i g u r e 2 . 7 s h o w s t h e c u r r e n t w a v e f o r m o f s u c h a p o w e r s u p p l y . 1 9 945~8 0 T T 2 T T " F i g u r e 2 . 7 C u r r e n t W a v e o f S w i t c h M o d e P o w e r S u p p l y A d i s t i n c t i v e c h a r a c t e r i s t i c o f s w i t c h - m o d e p o w e r s u p p l i e s i s a v e r y h i g h t h i r d - h a r m o n i c c o n t e n t i n t h e c u r r e n t . T h e i n c r e a s i n g a p p l i c a t i o n o f s w i t c h - m o d e p o w e r s u p p l i e s c a u s e s c o n c e r n f o r o v e r l o a d i n g o f n e u t r a l c o n d u c t o r s . T h i s l e a d s t o n e u t r a l a n d t r a n s f o r m e r o v e r h e a t i n g p r o b l e m s . 2 . 5 . 4 . P u l s e W i d t h M o d u l a t e d ( P W M ) D r i v e . T h i s d e l i n k d r i v e h a s a d i o d e r e c t i f i e r t h a t g i v e s i t a h i g h d i s p l a c e m e n t p o w e r f a c t o r . I t h a s a l a r g e c a p a c i t o r o n t h e d e l i n k t o r e g u l a t e t h e v o l t a g e . T h e r e f o r e , a t l i g h t l o a d s , t h e c u r r e n t o n l y f l o w s i f t h e v o l t a g e o u t p u t o f t h e d i o d e r e c t i f i e r i s a b o v e t h a t o f t h e c a p a c i t o r . S o , a t l i g h t l o a d s , t h e c u r r e n t i n t h e a c c i r c u i t i s d i s c o n t i n u o u s . I t i s s i m i l a r t o t h e s w i t c h m o d e p o w e r s u p p l y e x c e p t t h a t i t i s a t h r e e - p h a s e c i r c u i t h i g h i n f i f t h h a r m o n i c c u r r e n t . A s t h e l o a d o n t h e d r i v e i n c r e a s e s , t h e c u r r e n t b e c o m e s c o n t i n u o u s . 2 . 6 E f f e c t s o f H a r m o n i c s H a r m o n i c s c a n c a u s e a v a r i e t y o f p r o b l e m s t o a n y u s e r o f e l e c t r i c p o w e r . F o r l a r g e u s e r s . t h e p r o b l e m s c a n b e i n t e n s e . T h e d e g r e e t o w h i c h h a r m o n i c c a n b e t o l e r a t e d i s d e t e r m i n e d b y t h e s u s c e p t i b i l i t y o f t h e l o a d t o t h e m [ 2 ] . E v e n i n t h e c a s e o f t h e l e a s t s u s c e p t i b l e e q u i p m e n t h a r m o n i c s c a n b e h a r m f u l . I n t h e c a s e o f a n o v e n . f o r 2 0 e x a m p l e , t h e y c a n c a u s e d i e l e c t r i c t h e r m a l o r v o l t a g e s t r e s s , w h i c h c a u s e s p r e m a t u r e a g i n g o f e l e c t r i c a l i n s u l a t i o n . U n l i k e m o s t o t h e r t y p e s o f s u p p l y p r o b l e m s , h a r m o n i c s c a n g o u n n o t i c e d f o r m a n y y e a r s u n l e s s e q u i p m e n t t e m p e r a t u r e o r t h e v o l t a g e w a v e f o r m i s r o u t i n e l y m o n i t o r e d . T h e d a n g e r i s t h e n o t k n o w i n g t h e e f f e c t o f h a r m o n i c s u n t i l f a i l u r e o c c u r s . T h e d e t a i l e d s t u d y o n h o w h a r m o n i c s c a n i n t e r a c t w i t h i n a p o w e r s y s t e m a n d h o w t h e y c a n a f f e c t p o w e r s y s t e m c o m p o n e n t s i s i m p o r t a n t f o r p r e v e n t i n g f a i l u r e s . A s t h e . . a f f e c t s o f h a r m o n i c s a n d a p p r o p r i a t e s o l u t i o n s v a r y d e p e n d i n g o n t h e p o w e r s u p p l y , t h e i n s t a l l a t i o n a n d t h e c o m p o n e n t s , t h e y n e e d t o b e a d d r e s s e d s e p a r a t e l y . T h e e f f e c t s o f h a r m o n i c s o n s o m e c o m m o n p o w e r s u p p l y c o m p o n e n t s a r e d i s c u s s e d i n t h e f o l l o w i n g . 2 . 6 . 1 M o t o r s M o t o r s a r e t y p i c a l l y c o n s i d e r e d t o b e l i n e a r l o a d s ; h o w e v e r , w h e n t h e s o u r c e v o l t a g e s u p p l y i s r i c h i n h a r m o n i c s , t h e m o t o r w i l l d r a w h a r m o n i c c u r r e n t [ 2 ] . T h e t y p i c a l r e s u l t i s a h i g h e r t h a n n o r m a l o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e a n d s h o r t e n e d s e r v i c e l i f e . A m a j o r e f f e c t o f h a r m o n i c v o l t a g e s a n d c u r r e n t s i n m o t o r i s t h e h e a t i n g d u e t o i r o n a n d c o p p e r l o s s e s a t t h e h a r m o n i c f r e q u e n c i e s . T h e h a r m o n i c c o m p o n e n t s t h u s a f f e c t t h e m a c h i n e e f f i c i e n c y , a n d c a n a l s o a f f e c t t h e t o r q u e d e v e l o p e d . H a r m o n i c c u r r e n t s i n a m o t o r c a n g i v e r i s e t o a h i g h e r a u d i b l e n o i s e e m i s s i o n a s c o m p a r e d w i t h s i n u s o i d a l e x c i t a t i o n . T h e h a r m o n i c s a l s o p r o d u c e a r e s u l t a n t f l u x d i s t r i b u t i o n i n t h e a i r g a p . w h i c h c a n c a u s e o r e n h a n c e p h e n o m e n a c a l l e d c o g g i n g ( r e f u s a l t o s t a r t s m o o t h l y ) o r c r a w l i n g ( v e r y h i g h s l i p ) i n i n d u c t i o n m o t o r s [ 1 ] . H a r m o n i c p a i r s , s u c h a s t h e f i f t h a n d s e v e n t h h a r m o n i c s , h a v e t h e p o t e n t i a l f o r c r e a t i n g m e c h a n i c a l o s c i l l a t i o n s i n a m o t o r - l o a d s y s t e m . T h e r e s u l t i n g m e c h a n i c a l o s c i l l a t i o n s c a n c a u s e s h a f t f a t i g u e a n d a c c e l e r a t e d a g i n g o f t h e s h a f t a n d c o n n e c t e d m e c h a n i c a l p a r t s . D i f f e r e n t f r e q u e n c y h a r m o n i c c u r r e n t s c a n c a u s e a d d i t i o n a l r o t a t i n g f i e l d s i n t h e m o t o r . D e p e n d i n g o n t h e f r e q u e n c y . t h e m o t o r w i l l r o t a t e i n t h e o p p o s i t e d i r e c t i o n ( c o u n t e r - t o r q u e ) . T h e f i f t h h a r m o n i c , w h i c h i s v e r y p r e v a l e n t , i s a n e g a t i v e 2 1 s e q u e n c e h a r m o n i c c a u s i n g t h e m o t o r t o h a v e a b a c k w a r d r o t a t i o n , s h o r t e n i n g t h e s e r v i c e l i f e . H a r m o n i c s c u r r e n t s c a n i n d u c e a d d i t i o n a l h e a t i n g i n t h e s t a t o r w i n d i n g s , t h u s a d d i n g t o t h e t e m p e r a t u r e r i s e . T h e r e s u l t a n t e f f e c t o f t h e h a r m o n i c s i s r e d u c t i o n i n e f f i c i e n c y a n d l i f e o f t h e m a c h i n e r y . 2 . 6 . 2 T r a n s f o r m e r s " T h e e f f e c t o f h a r m o n i c s o n t r a n s f o r m e r s i s t w o f o l d . C u r r e n t h a r m o n i c s c a u s e a n i n c r e a s e i n c o p p e r l o s s e s a n d s t r a y f l u x l o s s e s . A n d v o l t a g e h a r m o n i c s c a u s e a n i n c r e a s e i n i r o n l o s s e s [ 2 ] . T h e o v e r a l l e f f e c t i s a n i n c r e a s e i n t h e t r a n s f o r m e r h e a t i n g . O f t h e t r a n s f o r m e r , t h e u p p e r l i m i t o f t h e c u r r e n t d i s t o r t i o n f a c t o r i s 5 % a t r a t e d c u r r e n t [ 7 ] . T h e r e c o m m e n d e d p r a c t i c e s u g g e s t s t h a t t h e m a x i m u m w i t h s t a n d v o l t a g e i n t h e s t e a d y s t a t e : 5 % a t r a t e d l o a d a n d 1 0 % a t n o l o a d . T h e h a r m o n i c c u r r e n t s i n t h e a p p l i e d v o l t a g e m u s t n o t r e s u l t i n a t o t a l R M S v o l t a g e e x c e e d i n g t h e s e r a t i n g s . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e t r a n s f o r m e r l o s s e s c a u s e d b y b o t h h a r m o n i c v o l t a g e s a n d h a r m o n i c c u r r e n t s a r e f r e q u e n c y d e p e n d e n t . T h e l o s s e s i n c r e a s e w i t h i n c r e a s i n g f r e q u e n c y a n d , t h e r e f o r e . h i g h e r f r e q u e n c y h a r m o n i c c o m p o n e n t s c a n b e m o r e i m p o r t a n t t h a n l o w e r f r e q u e n c y c o m p o n e n t s i n c a u s i n g t r a n s f o r m e r h e a t i n g . 2 . 6 . 3 P o w e r C a b l e s B e c a u s e h a r m o n i c f r e q u e n c i e s a r e a l w a y s h i g h e r t h a n t h e 5 0 H z f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y . " s k i n e f f e c t " a l s o b e c o m e s a f a c t o r . S k i n e f f e c t i s a p h e n o m e n o n w h e r e t h e h i g h e r f r e q u e n c y c a u s e s t h e e l e c t r o n s t o f l o w t o w a r d t h e o u t e r s i d e s o f t h e c o n d u c t o r . e f f e c t i v e l y r e d u c i n g t h e c r o s s - s e c t i o n a l d i a m e t e r o f t h e c o n d u c t o r a n d t h e r e b y r e d u c i n g t h e a m p a c i t y r a t i n g o f t h e c a b l e . T h i s e f f e c t i n c r e a s e s a s t h e f r e q u e n c y a n d t h e a m p l i t u d e i n c r e a s e . A s a r e s u l t , h i g h e r h a r m o n i c f r e q u e n c i e s c a u s e a g r e a t e r d e g r e e o f h e a t i n g i n c o n d u c t o r s [ 2 ] . 2 2 2 . 6 . 4 N e u t r a l C o n d u c t o r s O n b a l a n c e d t h r e e - p h a s e s y s t e m s w i t h n o h a r m o n i c c o n t e n t , t h e l i n e c u r r e n t s a r e I 2 0 d e g r e e s o u t - o f - p h a s e , c a n c e l i n g e a c h o t h e r a n d r e s u l t i n g i n v e r y l i t t l e n e u t r a l c u r r e n t . H o w e v e r , w h e n t h e r e i s d i s t o r t i o n i n a n y o n e o f t h e p h a s e c u r r e n t s , t h e h a r m o n i c c u r r e n t s i n c r e a s e a n d t h e c a n c e l l a t i o n e f f e c t i s l e s s e n e d . T h e r e s u l t i s t y p i c a l l y a n e u t r a l c u r r e n t t h a t i s s i g n i f i c a n t l y h i g h e r t h a n p l a n n e d . T h e t r i p l e n h a r m o n i c s ( o d d m u l t i p l e s o f t h r e e ) a r e a d d i t i v e i n t h e n e u t r a l a n d c a 9 q u i c k l y c a u s e d a n g e r o u s o v e r h e a t i n g . I n t h e o r y , t h e m a x i m u m c u r r e n t t h a t t h e n e u t r a l w i l l c a r r y i s 1 . 7 3 t i m e s t h e p h a s e c u r r e n t [ 3 ] . I f n o t s i z e d c o r r e c t l y , o v e r h e a t i n g w i l l r e s u l t . C u r r e n t s h i g h e r t h a n t h e n o r m a l n e u t r a l c u r r e n t w i l l c a u s e v o l t a g e d r o p s b e t w e e n n e u t r a l a n d g r o u n d w h i c h a r e w e l l a b o v e n o r m a l . 2 . 6 . 5 S w i t c h g e a r a n d R e l a y i n g F a l s e t r i p p i n g o f c i r c u i t b r e a k e r s i s a l s o a p r o b l e m e n c o u n t e r e d w i t h t h e h i g h e r f r e q u e n c i e s t h a t h a r m o n i c s p r o d u c e [ 2 ] . P e a k s e n s i n g c i r c u i t b r e a k e r s o f t e n w i l l t r i p e v e n t h o u g h t h e a m p e r a g e v a l u e h a s n o t b e e n e x c e e d e d . H a r m o n i c c u r r e n t p e a k v a l u e s c a n b e m a n y t i m e s h i g h e r t h a n s i n u s o i d a l w a v e f o r m s . A s w i t h o t h e r t y p e s o f e q u i p m e n t , h a r m o n i c c u r r e n t s c a n i n c r e a s e h e a t i n g a n d l o s s e s i n s w i t c h g e a r , t h e r e b y r e d u c i n g s t e a d y - s t a t e c u r r e n t c a r r y i n g c a p a b i l i t y a n d s h o r t e n i n g t h e l i f e o f s o m e i n s u l a t i n g c o m p o n e n t s . F u s e s s u f f e r a d e r a t i n g b e c a u s e o f t h e h e a t g e n e r a t e d b y h a r m o n i c s d u r i n g " n o r m a l " o p e r a t i o n . 2 . 6 . 6 C a p a c i t o r s P o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n c a p a c i t o r f a i l u r e i n m a n y c a s e s c a n b e d i r e c t l y a t t r i b u t e d t o h a r m o n i c c o n t e n t . T h e r e a c t a n c e o f a c a p a c i t o r b a n k d e c r e a s e s w i t h f r e q u e n c y . H e n c e a t h i g h f r e q u e n c i e s , c a p a c i t o r s a p p e a r a s e x t r e m e l y l o w i m p e d a n c e v a l u e s a n d a r e m o r e s u s c e p t i b l e t o h a r m o n i c s . T h i s e f f e c t i n c r e a s e s t h e h e a t i n g a n d d i e l e c t r i c s t r e s s e s . I n d u c t i v e r e a c t a n c e v a r i e s d i r e c t l y w i t h f r e q u e n c y ( X L = 2 n f L ) . P a r a l l e l r e s o n a n c e b e t w e e n t h e c a p a c i t o r b a n k a n d t h e s o u r c e i m p e d a n c e c a n c a u s e s y s t e m r e s o n a n c e 2 3 r e s u l t i n g i n h i g h e r t h a n n o r m a l c u r r e n t s a n d v o l t a g e s . H i g h h a r m o n i c c u r r e n t s h a v e b e e n k n o w n t o o v e r h e a t c o r r e c t i o n c a p a c i t o r s , c a u s i n g p r e m a t u r e f a i l u r e a n d s o m e t i m e s r e s u l t i n g i n e x p l o s i o n . M o s t h a r m o n i c p r o b l e m s r e s u l t w h e n t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y i s c l o s e t o t h e f i f t h o r s e v e n t h h a r m o n i c [ 2 ] . T h e s e h a p p e n t o b e t h e l a r g e s t h a r m o n i c a m p l i t u d e n u m b e r s t h a t a d j u s t a b l e s p e e d d r i v e s c r e a t e . W h e n t h i s s i t u a t i o n a r i s e s , c a p a c i t o r b a n k s s h o u l d b e r e s i z e d t o s h i f t t h e r e s o n a n t p o i n t t o a n o t h e r f r e q u e n c y J 2 . 6 . 7 E l e c t r o n i c E q u i p m e n t P o w e r e l e c t r o n i c e q u i p m e n t i s s u s c e p t i b l e t o d i s o p e r a t i o n c a u s e d b y h a r m o n i c d i s t o r t i o n . T h i s e q u i p m e n t i s o f t e n d e p e n d e n t u p o n a c c u r a t e d e t e r m i n a t i o n o f v o l t a g e z e r o c r o s s i n g s o r o t h e r a s p e c t s o f t h e v o l t a g e w a v e s h a p e . F o r e l e c t r o n i c e q u i p m e n t t h a t r e l i e s o n t h e z e r o c r o s s i n g o f t h e s i n u s o i d a l w a v e f o r m . s u c h a s c l o c k t i m i n g d e v i c e s , h e a v y h a r m o n i c c o n t e n t c a n c a u s e a z e r o c r o s s i n g p o i n t o f f s e t . O t h e r t y p e s o f e l e c t r o n i c e q u i p m e n t c a n b e a f f e c t e d b y t r a n s m i s s i o n o f a c s u p p l y h a r m o n i c s t h r o u g h t h e e q u i p m e n t p o w e r s u p p l y o r b y m a g n e t i c c o u p l i n g o f h a r m o n i c s i n t o e q u i p m e n t c o m p o n e n t s . C o m p u t e r s a n d a l l i e d e q u i p m e n t s u c h a s p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r s f r e q u e n t l y r e q u i r e a c s o u r c e s t h a t h a v e n o m o r e t h a n a 5 % h a r m o n i c v o l t a g e d i s t o r t i o n f a c t o r , w i t h t h e l a r g e s t s i n g l e h a r m o n i c b e i n g n o m o r e t h a n 3 % o f t h e f u n d a m e n t a l v o l t a g e [ 2 ] . H i g h e r l e v e l s o f h a r m o n i c s r e s u l t i n m a l f u n c t i o n s o f t h e e q u i p m e n t t h a t c a n , i n s o m e c a s e s , h a v e s e r i o u s c o n s e q u e n c e s . W i t h h i g h l e v e l o f h a r m o n i c s , i n s t r u m e n t s c a n g i v e e r r o n e o u s d a t a o r o t h e r w i s e m a y p e r f o r m u n p r e d i c t a b l y . P e r h a p s t h e m o s t s e r i o u s o f t h e s e a r e m a l f u n c t i o n s i n m e d i c a l i n s t r u m e n t s . 2 . 6 . 8 C o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t N o i s e c a n b e p i c k e d u p i n c o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t a n d t e l e p h o n e s y s t e m s w h e n h a r m o n i c s a t a u d i o o r r a d i o f r e q u e n c i e s a r e i n d u c t i v e l y o r c a p a c i t i v e l y c o u p l e d i n t o c o m m u n i c a t i o n o r d a t a l i n e s . T h e p r e s e n c e o f h a r m o n i c c u r r e n t s o r v o l t a g e s i n c i r c u i t r y a s s o c i a t e d w i t h p o w e r c o n v e r s i o n a p p a r a t u s c a n p r o d u c e m a g n e t i c a n d 2 4 e l e c t r i c f i e l d s t h a t w i l l i m p a i r t h e s a t i s f a c t o r y p e r f o r m a n c e o f c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s . 2 . 6 . 9 M e t e r s M e t e r i n g a n d i n s t r u m e n t a t i o n a r e a f f e c t e d b y h a r m o n i c c o m p o n e n t s , p a r t i c u l a r l y i f r e s o n a n t c o n d i t i o n s e x i s t . A v e r a g i n g t y p e c u r r e n t m e t e r g i v e i n c o r r e c t r e a d i n g w h e n h a r m o n i c s p r e s e n t . I n d u c t i o n d i s k d e v i c e s , s u c h a s w a t t - h o u r m e t e r s , n o r m a l l y s e e J o n l y f u n d a m e n t a l c u r r e n t . H o w e v e r , p h a s e i m b a l a n c e c a u s e d b y h a r m o n i c d i s t o r t i o n c a n c a u s e e r r o n e o u s o p e r a t i o n 2 . 7 H a r m o n i c s s t a n d a r d s T h e r e a r e t w o d i s t i n c t s e t s o f s t a n d a r d s t h a t c a n b e a p p l i e d t o l i m i t t h e a m o u n t o f h a r m o n i c s i n p o w e r s y s t e m s . T h e f i r s t h a s b e e n i n t r o d u c e d b y t h e I n t e r n a t i o n a l E l e c t r o t e c h n i c a l C o m m i s s i o n ( I E C ) . T h a t i s a s e r i e s o f l i m i t s a p p r o p r i a t e d f o r a p p l i c a t i o n a t t h e t e r m i n a l s o f a n y p a r t i c u l a r n o n l i n e a r l o a d . T h e p h i l o s o p h y o f t h e I E C l i m i t s s p e c i f i e d b y I E C / E N 6 1 0 0 0 - 3 - 2 i s b a s e d o n t h e p r e s u m p t i o n t h a t l i m i t i n g h a r m o n i c p r o d u c t i o n f r o m e v e r y p i e c e o f e q u i p m e n t w i l l e f f e c t i v e l y l i m i t a n y c o m b i n e d e f f e c t s . T h e s e c o n d i s f a v o r e d b y t h e I E E E a n d t h e b a s i s f o r I E E E 5 1 9 - 1 9 9 2 i s a s e r i e s o f l i m i t s t h a t i s a p p r o p r i a t e f o r a p p l i c a t i o n a t a s i n g l e m o r e c e n t r a l p o i n t o f s u p p l y t o m u l t i p l e n o n l i n e a r l o a d s [ 2 ] . I E E E l i m i t s a r e s o m e w h a t m o r e r e s t r i c t i v e c o n s i d e r t h e u s e o f b o t h v o l t a g e a n d c u r r e n t h a r m o n i c l i m i t s . I E E E 5 1 9 a t t e m p t s t o p r o p o s e s t e a d y s t a t e h a r m o n i c s l i m i t s t h a t a r e c o n s i d e r e d r e a s o n a b l e b y b o t h t h e e l e c t r i c a l u t i l i t i e s a n d c u s t o m e r s . I t d i v i d e s t h e r e s p o n s i b i l i t y f o r l i m i t i n g h a r m o n i c s b e t w e e n b o t h e n d u s e r s a n d u t i l i t y . T h e u n d e r l i n e p h i l o s o p h y i s t h a t o C u s t o m e r s s h o u l d l i m i t h a r m o n i c c u r r e n t s o U t i l i t i e s s h o u l d l i m i t h a r m o n i c v o l t a g e s T h e s e l i m i t s f o r v o l t a g e a n d c u r r e n t h a r m o n i c s a r e d e p e n d e n t o n s e v e r a l v a r i a b l e s a n d c o n c e p t s d e f i n e d a s f o l l o w s : 2 5 P C C : P o i n t o f c o m m o n c o u p l i n g . T h e h a r m o n i c c u r r e n t a n d v o l t a g e l i m i t s a r e a p p l i e d a t t h e P C C . T h i s p o i n t i s d e f i n e d a s t h e p o i n t i n t h e u t i l i t y s e r v i c e t o a p a r t i c u l a r c u s t o m e r w h e r e a n o t h e r c u s t o m e r c o u l d b e c o n n e c t e d . I t i s d e f i n e d a s t h e e l e c t r i c a l c o n n e c t i n g p o i n t o r i n t e r f a c e b e t w e e n t h e u t i l i t y d i s t r i b u t i o n s y s t e m a n d t h e c u s t o m e r ' s e l e c t r i c a l d i s t r i b u t i o n s y s t e m . J l s c : A v a i l a b l e s h o r t c i r c u i t c u r r e n t . I s c i s t h e a v a i l a b l e s h o r t c i r c u i t c u r r e n t a t t h e p o i n t o f c o m m o n c o u p l i n g . T h e l s c i s d e t e r m i n e d b y t h e s i z e , i m p e d a n c e , a n d v o l t a g e o f t h e s e r v i c e f e e d i n g t h e P C C . h . : M a x i m u m l o a d c u r r e n t 1 1 i s t h e m a x i m u m d e m a n d l o a d c u r r e n t ( f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y c o m p o n e n t ) m e a s u r e d a t t h e P C C . I t i s s u g g e s t e d t h a t e x i s t i n g f a c i l i t i e s m e a s u r e t h i s o v e r a p e r i o d o f t i m e a n d a v e r a g e i t . I E E E r e c o m m e n d a t i o n i s t o c a l c u l a t e t h e a v e r a g e c u r r e n t o f t h e m a x i m u m d e m a n d f o r p r e c e d i n g 1 2 m o n t h s . 2 . 7 . 1 H a r m o n i c l i m i t s f o r c o n s u m e r s T h i s s e c t i o n d e s c r i b e s t h e c u r r e n t d i s t o r t i o n l i m i t s t h a t a p p l y t o i n d i v i d u a l c o n s u m e r s o f e l e c t r i c a l e n e r g y . T a b l e 2 . 3 l i s t s t h e h a r m o n i c c u r r e n t l i m i t s b a s e d o n t h e s i z e o f t h e l o a d a n d s i z e o f t h e p o w e r s y s t e m t o w h i c h t h e l o a d i s c o n n e c t e d . T h e r a t i o l s c f l t i s t h e r a t i o o f t h e s h o r t - c i r c u i t c u r r e n t a v a i l a b l e a t t h e p o i n t o f c o m m o n c o u p l i n g ( P C C ) , t o t h e m a x i m u m f u n d a m e n t a l l o a d c u r r e n t . A s t h e s i z e o f t h e u s e r l o a d d e c r e a s e s w i t h r e s p e c t t o t h e s i z e o f t h e s y s t e m . t h e p e r c e n t a g e o f h a r m o n i c c u r r e n t t h a t t h e u s e r i s a l l o w e d t o i n j e c t i n t o t h e u t i l i t y s y s t e m i n c r e a s e s . T h i s p r o t e c t s o t h e r u s e r s o n t h e s a m e f e e d e r a s w e l l a s t h e u t i l i t y , w h i c h i s r e q u i r e d t o f u r n i s h a c e r t a i n q u a l i t y o f v o l t a g e t o i t s c u s t o m e r s . 2 6 I s e l l L < 1 1 l l < = H < 1 7 1 7 < = H < 2 3 2 3 < = H < 3 5 3 5 < = H < 2 0 4 . 0 2 . 0 1 . 5 0 . 6 0 . 3 2 0 < 5 0 7 . 0 3 . 5 2 . 5 1 . 0 0 . 5 5 0 < 1 0 0 1 0 . 0 4 . 5 4 . 0 1 . 5 0 . 7 1 0 0 < 1 0 0 0 1 2 . 0 5 . 5 5 . 0 2 . 0 1 . 0 J > 1 0 0 0 1 5 . 0 7 . 0 6 . 0 2 . 5 1 . 4 E v e n h a r m o n i c s a r e l i m i t e d t o 2 5 % o f t h e O d d h a n n o n i c l i m i t s a b o v e W h e r e l s c = M a x i m u m s h o r t c i r c u i t c u r r e n t a t P C C I L = M a x i m u m d e m a n d l o a d c u r r e n t ( F u n d a m e n t a l f r e q u e n c y c o m p o n e n t ) - - T a b l e 2 . 3 - - - - - - - C u r r e n t D i s t o r t i o n L i m i t s f o r G e n e r a l D i s t r i b u t i o n S y s t e m s ( 1 2 0 V t h r o u g h 6 9 0 0 0 V ) [ 2 ] 2 . 7 . 2 H a r m o n i c l i m i t s f o r u t i l i t y T D D I 5 . 0 8 . 0 1 2 . 0 1 5 . 0 2 0 T h i s s t a n d a r d [ 2 ] s p e c i f i e s t h e q u a l i t y o f e l e c t r i c a l p o w e r t h a t t h e p r o d u c e r s h o u l d f u r n i s h t o t h e c o n s u m e r . T h e d i s t o r t i o n l i m i t s r e c o m m e n d e d i n t h i s s e c t i o n e s t a b l i s h t h e m a x i m u m v o l t a g e d i s t o r t i o n a t t h e p o i n t o f c o m m o n c o u p l i n g ( P C C ) w i t h e a c h c o n s u m e r . T h e l i m i t s a r e g i v e n i n T a b l e 2 . 4 . E l e c t r i c u t i l i t i e s a r e r e s p o n s i b l e t o m a i n t a i n v o l t a g e h a r m o n i c s a n d T H D o f v o l t a g e w i t h i n t h e p r e s c r i b e d l i m i t s . I n d i v i d u a l H a r m o n i c P C C V o l t a g e M a g n i t u d e ( % ) T H D v ( % ) < 6 9 k V 3 . 0 5 . 0 6 9 - 1 6 1 k V 1 . 5 2 . 5 > 1 6 1 k V 1 . 0 1 . 5 T a b l e 2 . 4 V o l t a g e d i s t o r t i o n l i m i t s [ 2 ] 2 7 C h a p t e r 3 P r o v i n c i a l C o u n c i l B u i l d i n g 3 . 1 I n t r o d u c t i o n ; T h i s c h a p t e r d e s c r i b e s t h e a v a i l a b l e p o w e r s u p p l y a t U v a p r o v i n c i a l c o u n c i l b u i l d i n g a n d s i t e m e a s u r e m e n t c a r r i e d o u t t h e r e i n . D u e t o t h e l i m i t a t i o n s o f m e a s u r i n g i n s t r u m e n t s a v a i l a b l e , t h e m e a s u r e m e n t c o u l d o n l y b e t a k e n a t l o w v o l t a g e l e v e l . T h e d a t a l o g g e d d u r i n g t h e m e a s u r e m e n t a r e f i l t e r e d t o o b t a i n o n l y t h e d a t a p e r t i n e n t t o h a r m o n i c d i s t o r t i o n s . F i n a l l y i n t h i s c h a p t e r , t h e c o l l e c t e d d a t a i s a n a l y z e d a n d c o m p a r e d w i t h t h e h a r m o n i c s t a n d a r d s t o i d e n t i f y t h e p o w e r q u a l i t y p r o b l e m s i n t h e e x i s t i n g s y s t e m . 3 . 2 B a c k g r o u n d T h e s i t e s e l e c t e d f o r t h i s c a s e s t u d y , U v a P r o v i n c i a l C o u n c i l ( U P C ) b u i l d i n g i s a m a j o r o f f i c e b u i l d i n g i n B a d u l l a . I t i s a f i v e s t o r i e d b u i l d i n g h a v i n g a b o u t 7 5 , 0 0 0 s q u a r e f e e t i n f l o o r a r e a . P r o v i n c i a l C o u n c i l , s e v e r a l o t h e r m i n i s t r i e s , s e c r e t a r i a t s , a u d i t o r i u m , e t c . a r e h o u s e d i n t h i s b u i l d i n g . E l e c t r i c i t y s u p p l y t o t h i s b u i l d i n g i s f e d f r o m B a d u l l a 1 3 2 k V / 3 3 k V G r i d s u b s t a t i o n a n d t h e i n s t a l l e d c a p a c i t y i s 4 0 0 k V A . I t i s e x p e c t e d t o a d d a n e x t e n s i o n t o t h e b u i l d i n g i n n e a r f u t u r e w i t h t h e e x p a n s i o n o f m i n i s t r i e s . I n t h a t c a s e , s a m e s u b s t a t i o n c a n b e u t i l i z e d t o c a t e r t h e a d d i t i o n , a s i t h a s e x c e s s c a p a c i t y . T h e l o a d s u n d e r i n v e s t i g a t i o n i n c l u d e d m a n y n o n l i n e a r l o a d s s u c h a s 1 . V a r i o u s t y p e s o f s i n g l e p h a s e a n d t h r e e p h a s e a i r c o n d i t i o n e r s ( 2 8 N o s . ) 2 . L a r g e n u m b e r o f c o m p u t e r s , p r i n t e r s a n d o t h e r r e l a t e d p e r i p h e r a l s ( 2 1 5 N o s . ) 3 . L a r g e n u m b e r o f U P S S 4 . L i g h t i n g l o a d c o n s i s t s o f F l u o r e s c e n t l a m p s , C F L L ( a l m o s t a l l t h e i n d o o r l a m p s c o n s i s t o f f l u o r e s c e n t o r C F b u l b s ) 2 8 T h e y w e r e f e d f r o m s e p a r a t e p l u g - i n - u n i t a n d s u p p l i e s w e r e d i s t r i b u t e d f r o m M C C B t o i n d i v i d u a l M C B b o a r d a s s h o w n i n F i g u r e 3 . 1 . I n o r d e r t o h a v e f u l l l o a d a n d p a r t l o a d c o n d i t i o n s m e a s u r e m e n t s o f h a r m o n i c s w e r e t a k e n u n d e r b o t h w o r k i n g a n d n o n - w o r k i n g h o u r s . T h e p a r a m e t e r s t u d i e d i n c l u d e d p o w e r f a c t o r , v o l t a g e a n d h a r m o n i c s . 4 0 0 k V A S u b 3 3 k V / 4 0 0 V 2 x 2 4 0 m m 4 C o r e I ~ C u I P V C / P V C c a b l e ' 4 0 0 A 3 P o l e M C C B , 5 0 k A 1 2 5 A \ 1 2 5 A \ 1 2 5 A \ 1 2 5 A \ 1 2 5 A \ 4 0 A l 3 P 1 3 P 1 3 P 1 3 F l 3 P 1 3 P A i r S e c o n d G r o u n d T h i r d L o w e r F i r s t S p a r e W a t e r c o n d i t i o n e r s F l o o r F l o o r F l o o r G r o u n d F l o o r P u m p F l o o r F i g u r e 3 . 1 S i n g l e l i n e d i a g r a m o f E l e c t r i c i t y d i s t r i b u t i o n s y s t e m T h e o c c u p a n t s o f t e n c o m p l a i n o n p o w e r s u p p l y i s s u e s s u c h a s f r e q u e n t f a i l u r e s o f e q u i p m e n t , s p e c i a l l y t h e U P S s , e q u i p m e n t m a l f u n c t i o n i n g , s h o r t e r l i f e s p a n s o f b u l b s a n d c o m p u t e r s , n u i s a n c e c o m p u t e r s h u t d o w n , n u i s a n c e t r i p p i n g , e t c . T h e s e a d v e r s e l y a f f e c t t h e d a y t o d a y w o r k o f t h e v a r i o u s o f f i c e s l o c a t e d i n t h i s p r e m i s e . E x a c t r e c o r d s o n p a s t f a i l u r e s a n d d e f e c t s a r e n o t a v a i l a b l e . B u t t h e w o r k s u p e r i n t e n d e n t s \ t e c h n i c a l o f f i c e s c l a i m t h a t i n s o m e m o n t h s f i v e t o s i x n u m b e r s o f U P S S b e c o m e f a u l t y ; h u n d r e d s o f b u l b s h a v e t o b e r e p l a c e d . S u s p e c t i n g t h e s e a r e d u e t o t h e l o w q u a l i t y o f s u p p l y , t h e y h a v e c o m p l a i n e d t o C E B s e v e r a l t i m e s o n t h e s e i s s u e s . A s a r e s p o n s e , a f t e r a n i n s p e c t i o n t h e y h a v e b e e n t o l d t h a t t h e s e a r e n o t d u e t o t h e s u p p l i e r s i d e f a u l t s . 3 . 3 D a t a l o g g i n g 3 . 3 . 1 L o c a t i o n f o r d a t a l o g g i n g O b j e c t i v e o f d a t a l o g g i n g i s t o i n v e s t i g a t e t h e o v e r a l l q u a l i t y o f t h e f a c i l i t y . T h e r e f o r e , t h e P o i n t o f C o m m o n C o u p l i n g ( P C C ) w a s s e l e c t e d f o r m o n i t o r i n g t h e 2 9 p o w e r q u a l i t y . S o t h e d a t a l o g g i n g w a s d o n e o n t h e s e c o n d a r y s i d e o f t h e s u p p l y t r a n s f o r m e r . I t w a s u s e f u l t o r e c o r d t h e q u a l i t y o f p o w e r s u p p l y t o t h e f a c i l i t y a s w e l l a s t h e e f f e c t s o f m a j o r l o a d s w i t h i n t h e f a c i l i t y . 3 . 3 . 2 I n s t r u m e n t s u s e d I n s t r u m e n t s u s e d f o r m e a s u r e m e n t s a r e K e w S n a p d i g i t a l c l a m p m e t e r , A P R 4 u 4 i D i s t u r b a n c e R e c o r d e r / N e t w o r k A n a l y z e r a n d P O W E R t p o n i c d a t a l o g g e r . T h e m e a s u r e m e n t s w e r e c a r r i e d o u t a t l o w v o l t a g e l e v e l . T h e d i g i t a l c l a m p m e t e r i s c a p a b l e o f m e a s u r i n g c u r r e n t s i n t h e r a n g e o f 0 t o 4 0 0 A m a f r e q u e n c y r a n g e o f 4 0 H z t o 1 k H z a t a n a c c u r a c y o f 0 . 1 A . I t i s a b l e t o m e a s u r e c u r r e n t i n t w o m o d e s , " p e a k " a n d " R M S " . T h e p e a k m o d e s h o w s t h e c u r r e n t ' s c r e s t v a l u e d i v i d e d b y t h e s q u a r e r o o t o f t w o . T h e o t h e r m o d e s h o w s t r u e R M S c u r r e n t v a l u e . N e t w o r k a n a l y z e r i s a p r o d u c t o f S o u l e o f F r a n c e . T h i s i s a c l a m p t y p e p o w e r m e t e r w h i c h i s c a p a b l e o f m e a s u r i n g p o w e r , v o l t a g e , c u r r e n t . p o w e r f a c t o r a n d h a r m o n i c s a n d t h e i r i n t e g r a t e d v a l u e s o f l o w v o l t a g e t h r e e p h a s e f o u r w i r e p o w e r l i n e s . I t u s e s a h i g h c a p a c i t y s i g n a l p r o c e s s o r a n d i t i s c a p a b l e o f r e a l t i m e a n a l y s i s o f m a i n s n e t w o r k . T h e o t h e r i n s t r u m e n t w a s t h e P O W E R m o n i c 2 0 t h r e e p h a s e d a t a l o g g e r , w h i c h i n c o r p o r a t e s t h r e e - p h a s e t h r e e c h a n n e l v o l t a g e l o g g i n g a n d t h r e e p h a s e f o u r c h a n n e l d a t a l o g g i n g . I t l o g s R M S v o l t a g e s a n d c u r r e n t s , h a r m o n i c v o l t a g e s a n d c u r r e n t s a n d p o w e r f a c t o r f o r e a c h p h a s e . 3 . 4 M e a s u r e m e n t a n d d a t a a n a l y s i s S o m e o f t h e d a t a l o g g e d d u r i n g t h e m e a s u r e m e n t a r e s h o w n b e l o w . 3 . 4 . 1 F r e q u e n c y V a r i a t i o n A c c o r d i n g t o E N 5 0 1 6 0 , P o w e r f r e q u e n c y o f s u p p l y s h o u l d b e w i t h i n ± 1 % o f n o m i n a l f r e q u e n c y ( 4 9 . 5 - 5 0 . 5 H z ) f o r 9 9 . 5 % o f w e e k . F i g u r e 3 . 2 s h o w s v e r y s l i g h t v a r i a n c e 3 0 i n p o w e r f r e q u e n c y b u t i t i s w i t h i n t h e a c c e p t a b l e r a n g e . I n g e n e r a l , u t i l i t i e s m a i n t a i n v e r y c l o s e c o n t r o l o f t h e p o w e r s y s t e m f r e q u e n c y , h e n c e v a r i a t i o n s a r e r e a r . I " 5 0 4 9 · - - 1 2 . 0 0 h 2 4 . 0 0 h 1 2 . 0 0 h 2 3 ' d o f J u n e 2 0 0 9 2 4 1 h o f J u n e 2 0 0 9 F i g u r e 3 . 2 G r a p h o f F r e q u e n c y 3 . 4 . 2 S u p p l y v o l t a g e v a r i a t i o n 2 4 . 0 0 h 1 2 . 0 0 h 2 5 1 h o f J u n e 2 0 0 9 ~ A c c o r d i n g t o t h e l o c a l s t e a d y s t a t e v o l t a g e r e g u l a t i o n s , m a x i m u m a l l o w a b l e v o l t a g e t o l e r a n c e i s 6 % o f t h e n o m i n a l v o l t a g e . F i g u r e 3 . 3 s h o w s t h a t t h e s u p p l y v o l t a g e t o U P C b u i l d i n g e x c e e d s t h e u p p e r b o u n d a r y v a l u e o f t o l e r a n c e , 2 4 4 V 2 6 0 2 5 0 2 4 0 2 3 0 I I 1 2 . 0 0 h 2 4 . 0 0 h 1 2 . 0 0 h 2 4 . 0 0 h 1 2 . 0 0 h 1 8 " ' o f J u n e 2 0 0 9 1 9 " ' o f J u n e 2 0 0 9 2 0 " ' o f J u n e 2 0 0 9 F i g u r e 3 . 3 G r a p h o f T h r e e P h a s e V o l t a g e 3 1 I t w a s f o u n d t h a t i n c o r r e c t t a p s e t t i n g s o n t r a n s f o r m e r s c a n c a u s e f o r s y s t e m o v e r - v o l t a g e s . O v e r - v o l t a g e s m a y c a u s e e q u i p m e n t f a i l u r e . S u s t a i n e d o v e r v o l t a g e o n t r a n s f o r m e r s , c a b l e , b u s , s w i t c h g e a r , C T s , P T s a n d r o t a t i n g m a c h i n e r y c a n r e s u l t i n l o s s o f e q u i p m e n t l i f e . 3 . 4 . 3 L o a d C u r r e n t v a r i a t i o n F i g u r e 3 . 4 s h o w s t h a t t h e m a x i m u m R M S c u r r e n t i s a r m m d 2 0 0 A , a n d t h e p h a s e s a r e b a l a n c e i n a v e r a g e . i 2 0 0 . 1 6 0 ( . ) 1 2 0 8 0 4 0 1 1 ~- ~m · ~ . . 1 · w · · · · · · · · · I T 0 # L 1 1 I I M ! N " " " ' H I ! i b b § l hE ! f f i & & & ! i i i f i i i l i l ! i l i 1 1 1 ! i i l i r i i i l d ! i i i i i i A = I a J I . . 1 2 . 0 0 h 2 4 . 0 0 h 1 2 . 0 0 h 1 8 ' " o f J u n e 2 0 0 9 1 9 ' " o f J u n e 2 0 0 9 F i g u r e 3 . 4 G r a p h s o f T h r e e P h a s e C u r r e n t s 3 . 4 . 4 C u r r e n t m e a s u r e m e n t 2 4 . 0 0 h 1 2 . 0 0 h 2 0 ' " o f J u n e 2 0 0 9 T h e m e a s u r e d s u p p l y c u r r e n t s i n b o t h m o d e s o n t h r e e d a y s a t a r o u n d 1 4 . 0 0 h o u r a r e s h o w n i n T a b l e 3 . 1 . T h e p e a k m o d e o f t h i s m e t e r s h o w s t h e c u r r e n t ' s c r e s t v a l u e d i v i d e d b y - 1 2 , t h a t i s t h e e q u i v a l e n t R M S v a l u e . 3 2 P h a s e P h a s e R I ( A ) P h a s e Y I ( A ) P h a s e B I ( A ) N e u t r a l I ( A ) M o d e P e a k R M S P e a k R M S P e a k R M S P e a k R M S D a y 1 8 8 . 0 6 8 . 0 5 8 . 8 6 3 . 5 8 0 . 2 6 0 . 6 5 3 . 0 3 3 . 5 D a y 2 8 0 . 5 6 8 . 0 5 8 . 0 6 2 . 0 1 1 1 . 0 8 3 . 0 6 4 . 0 3 8 . 0 D a y 3 1 1 7 . 0 9 7 . 0 9 3 . 0 9 6 . 0 1 4 0 . 5 1 0 5 . 5 8 5 . 0 5 4 . 5 T a b l e 3 . 1 C u r r e n t m e a s u r e m e n t s S o , i f t h e c u r r e n t w a v e f o r m i s s i n u s o i d a l , r e a d i n g s i n d i f f e r e n t m o d e s s h o u l d b e e q u a l . V a r i e d r e a d i n g s i n t w o m o d e s i n d i c a t e t h e e x i s t e n c e o f d i s t o r t e d c u r r e n t w a v e f o r m s i n t h e e l e c t r i c a l s y s t e m o f U v a p r o v i n c i a l c o u n c i l b u i l d i n g . T h e r e f o r e , R e a d i n g i n p e a k m o d e = C r e s t ~alue C r e s t f a c t o r C r e s t f a c t o r P e a k v a l u e R M S v a l u e . f 2 x R e a d i n g i n p e a k m o d e R e a d i n g i n R M S m o d e I n a p e r f e c t s i n e w a v e , t h e c r e s t f a c t o r i s 1 . 4 1 4 . T h e c a l c u l a t e d c r e s t f a c t o r s o f e a c h i n s t a n c e a r e s h o w n i n T a b l e 3 . 2 a n d t h e y a r e f o u n d t o b e m u c h h i g h e r t h a n 1 . 4 1 4 . I t i n d i c a t e s t h e e x i s t e n c e o f h a r m o n i c s . P h a s e P h a s e R I ( A ) P h a s e Y I ( A ) P h a s e B I ( A ) N e u t r a l I ( A ) D a y 1 1 . 8 3 1 . 3 0 9 1 . 8 7 2 . 2 3 D a y 2 1 . 6 7 1 . 3 2 2 1 . 8 9 2 . 3 8 D a y 3 1 . 7 1 1 . 3 7 1 . 8 7 2 . 2 1 - - - - - - - - T a b l e 3 . 2 C r e s t f a c t o r s o f c u r r e n t w a v e f o r m s 3 3 I 3 . 4 . 5 V o l t a g e h a r m o n i c d i s t o r t i o n F i g u r e 3 . 5 s h o w s t h e v a r i a t i o n o f T H D o f v o l t a g e o v e r t h r e e w o r k i n g d a y s . A s d i s c u s s e d i n c h a p t e r 2 . 7 . 2 , f o r v o l t a g e s l e s s t h a n 6 9 k V , t h e m a x i m u m l i m i t f o r v o l t a g e T H D i s 5 % . G r a p h s h o w s 3 . 5 % p e a k . I t s h o w s t h e v o l t a g e T H D i s w e l l w i t h i n t h e l i m i t s , a n d c o m p l i e s w i t h t h e s t a n d a r d s . ~ 5 0 2 4 0 > 3 0 I 1 - 1 2 . 0 0 h 2 4 . 0 0 h 1 2 . 0 0 h 1 8 t h o f J u n e 2 0 0 9 1 9 t h o f J u n e 2 0 0 9 F i g u r e 3 . 5 G r a p h o f P e r c e n t a g e T H D o f V o l t a g e 2 4 . 0 0 h 1 2 . 0 0 h 2 0 t h o f J u n e 2 0 0 9 H o w e v e r , v o l t a g e h a r m o n i c s p e c t r u m r e g i s t e r e d a t a w o r s e c a s e i s s h o w n i n F i g u r e 3 . 6 . T h e t h i r d h a r m o n i c c o m p o n e n t a n d T H D l o g g e d a t t h i s i n s t a n c e a r e a s h i g h a s m o r e t h a n 6 % o f t h e f u n d a m e n t a l v o l t a g e , a n d h e n c e t h e y e x c e e d t h e p r e s c r i b e d l i m i t s g i v e n i n T a b l e 2 . 4 . Q ) 1 0 " = 2 0 > 2 c Q ) E c o " ' 0 c : : : : l L L . - 0 Q ) = 2 c ~ Q ) a . . 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9 1 3 1 H a r m o n i c O r d e r F i g u r e 3 . 6 I n d i v i d u a l v o l t a g e h a r m o n i c s 3 4 3 . 4 . 6 C u r r e n t h a r m o n i c d i s t o r t i o n F i g u r e 3 . 7 s h o w s t h e t h r e e p h a s e s T H D o f c u r r e n t . I n t h e d a y t i m e a v e r a g e o f T H D i s a r o u n d 2 5 % b u t d u r i n g t h e n i g h t w h e n f u n d a m e n t a l c u r r e n t v a l u e i s l o w e r , c u r r e n t T H D i n c r e a s e s . 1 0 0 1 . . . . • • . , , j " • " ' ' " " ' I " " ' " . , . , , . . . . , , . , " ' " ' ' " " " " . . . . . . . . . . . . , , j , , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . j , . , , 7 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . + . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i 5 0 ~ 2 5 . . . . . . . . . . . , 0 ' ' ' ' ' " I ' " ' O ! l " 1 2 . 0 0 h 2 4 . 0 0 h 1 2 . 0 0 h 1 8 t h o f J u n e 2 0 0 9 1 9 t h o f J u n e 2 0 0 9 F i g u r e 3 . 7 G r a p h o f P e r c e n t a g e T H D o f C u r r e n t 1 - z T H D = . _ ; t z + i~ + i l + . . . . . . . . . . . . . . i l ~ 2 4 . 0 0 h ' 1 2 . 0 0 h 2 Q t h o f J u n e 2 0 0 9 w h e r e , i h i s t h e R M S c u r r e n t o f h a r m o n i c h a n d i 1 i s t h e R M S v a l u e o f f u n d a m e n t a l c u r r e n t . I E E E s t a n d a r d s s p e c i f y t h e l i m i t a t i o n s o n T D D , n o t o n t h e T H D . T D D i s g i v e n b y / . z T D D = . _ ; t z + i~ + i l + i L W h e r e , h i s t h e p e a k , o r m a x i m u m , d e m a n d l o a d c u r r e n t a t t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y c o m p o n e n t m e a s u r e d a t t h e p o i n t o f c o m m o n c o u p l i n g ( P C C ) . F r o m t h e a b o v e t w o e q u a t i o n s i t c a n b e d e r i v e d t h a t T D D = T H D X R M S v a l u e o f f u n d a m e n t a l c u r r e n t R M S v a l u e o f m a x i m u m d e m a n d l o a d c u r r e n t 3 5 S o , u s i n g t h e l o g g e d d a t a ( o f w h i c h a s a m p l e i s g i v e n i n t h e a p p e n d i x ) T D D c a n b e c a l c u l a t e d , a n d t h u s c a l c u l a t e d T D D v a r i a t i o n a g a i n s t t i m e i s s h o w n i n F i g u r e 3 . 8 . 3 5 3 0 G J 2 5 1 1 . 0 I l l . . . . ~ 2 0 u . . . . G J Q . 1 5 c c 1 - 1 0 5 0 1 2 . 0 0 h 2 4 . 0 0 h 1 2 . 0 0 h 2 4 . 0 0 h 1 2 . 0 0 h 1 8 J u n e , 2 0 0 9 1 9 J u n e , 2 0 0 9 2 0 J u n e , 2 0 0 9 F i g u r e 3 . 8 G r a p h o f T D D A s d i s c u s s e d i n c h a p t e r 2 . 7 . 1 , l i m i t a t i o n s o f H a r m o n i c c u r r e n t d i s t o r t i o n d e p e n d s o n t h e r a t i o o f I s c I h , w h e r e I s c i s t h e s h o r t c i r c u i t c u r r e n t a t P C C a n d h i s t h e m a x i m u m d e m a n d l o a d c u r r e n t a t t h e P C C . h w a s c a l c u l a t e d a s t h e a v e r a g e o f t h e m a x i m u m m o n t h l y d e m a n d c u r r e n t s f o r t h e p r e v i o u s 1 2 m o n t h s p e r i o d . B i l l i n g i n f o r m a t i o n p e r t a i n i n g t o t h e p r e v i o u s y e a r i s g i v e n i n t h e A p p e n d i x . A v e r a g e o f M a x i m u m k V A r e a d i n g = 2 0 0 k V A 2 0 0 X l O O O H e n c e , A v e r a g e o f M a x . d e m a n d l o a d c u r r e n t , I L = - - - = h = 2 8 8 . 7 A ( 3 . 1 ) F i g u r e 3 . 9 r e p r e s e n t s t h e s i n g l e l i n e d i a g r a m o f f e e d i n g s y s t e m o f U P C b u i l d i n g . X 5 , X r a n d X t d e n o t e t h e s h o r t c i r c u i t i m p e d a n c e o f 3 3 k V b u s , t h e f e e d e r i m p e d a n c e a n d 3 6 t h e t r a n s f o r m e r i m p e d a n c e , r e s p e c t i v e l y . T h e f a u l t c u r r e n t a t 3 3 k V b u s a t B a d u l l a g r i d s u b s t a t i o n w a s a s c e r t a i n e d a s 8 . 2 k A . I t , # F i g u r e 3 . 9 L i n e d i a g r a m o f f e e d i n g s y s t e m o f U P C b u i l d i n g T h e d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r i s 3 3 k V / 4 0 0 V , 4 0 0 k V A . A s s u m e t h e t r a n s f o r m e r p e r c e n t a g e l e a k a g e r e a c t a n c e a s 7 % . R e s i s t a n c e s o f t h e f e e d i n g p a t h a r e a s s u m e d t o b e n e g l i g i b l y l o w . S e l e c t S b a s e = 4 0 0 k V A a n d V b a s e = 3 3 k V . X 3 3 = - = 3 _ 3 _ . . . . : : . . : . · = 2 . 3 2 n ( 3 . 2 ) C o n s i d e r a 3 3 k V R a c o o n f e e d e r o f 1 k m l e n g t h . F o r R a c o o n , r e a c t a n c e i s t a k e n a s j 0 . 3 5 3 Q / k m . X j = 0 . 3 5 3 X 1 = o . 3 5 3 n S i m i l a r l y , X t ,p u = 7 % = 0 . 0 7 p u 2 = 3 3 2 X 1 0 0 0 Z b a s e V b a s e = S b a s e 4 0 0 = 2 7 2 2 . 5 n X t = o . o 7 x 2 7 2 2 . 5 = 1 9 0 . 5 7 5 n T o t a l i m p e d a n c e = 2 . 3 2 + 0 . 3 5 3 + 1 9 0 . 5 7 5 = 1 9 3 . 2 4 8 n H e n c e t h e f a u l t c u r r e n t a t p r i m a r y s i d e o f t r a n s f o r m e r , 1 [ , 3 3 S e c o n d a r y s i d e , 3 3 X 1 0 3 , f j X l 9 3 . 2 4 8 = 9 8 . 5 9 A 3 7 ( 3 . 3 ) ( 3 . 4 ) l r , 4 0 0 9 8 . 5 9 X 3 3 0 0 0 4 0 0 = 8 1 3 3 . 6 A T h e r e f o r e S h o r t c i r c u i t c u r r e n t a t P C C , l s c = 8 1 3 4 A E q u a t i o n s ( 3 . 1 ) a n d ( 3 . 5 ) g i v e t h e S h o r t - c i r c u i t r a t i o a s , I s c = 8 1 3 4 I L 2 8 8 . 7 = 2 8 . 1 7 ( 3 . 5 ) ~ T h i s r e s u l t r e l a t e s t o t h e 2 0 < l s c ! I L < 5 0 r a w o f t h e T a b l e 2 . 3 . A b s t r a c t o f r e l e v a n t r o w s a r e s h o w n i n T a b l e 3 . 3 . I s c f i L < 1 1 l l < = H < 1 7 1 7 < = H < 2 3 2 3 < = H < 3 5 3 5 < = H T D D 2 0 < 5 0 7 . 0 3 . 5 2 . 5 1 . 0 0 . 5 8 . 0 E v e n h a r m o n i c s a r e l i m i t e d t o 2 5 % o f t h e O d d h a r m o n i c l i m i t s a b o v e W h e r e l s c = M a x i m u m s h o r t c i r c u i t c u r r e n t a t P C C I L = M a x i m u m d e m a n d l o a d c u r r e n t ( F u n d a m e n t a l f r e q u e n c y c o m p o n e n t ) T a b l e 3 . 3 C u r r e n t d i s t o r t i o n l i m i t s f o r 2 0 < l s c I h < 5 0 W h e n w e c o m p a r e T D D g r a p h s h o w n i n F i g u r e 3 . 8 w i t h t h e a b o v e s t a n d a r d s , i t i s o b v i o u s t h a t T D D e x c e e d s t h e p r e s c r i b e d l i m i t o f 5 % , c o n s i d e r a b l y . F i g u r e 3 . 1 0 s h o w s t h e h a r m o n i c s p e c t r u m o f c u r r e n t r e c o r d e d a t a w o r s e c a s e . T h e 3 r d , 5 t h , i h a n d 9 t h o r d e r c u r r e n t h a r m o n i c s t a k e s i g n i f i c a n t l y h i g h v a l u e s . C o m p a r i s o n o f t h e s e i n d i v i d u a l h a r m o n i c s w i t h t h e s t a n d a r d i s s h o w n i n T a b l e 3 . 4 . I t s h o w s t h a t t h e l o g g e d v a l u e s a r e w e l l a b o v e t h e p r e s c r i b e d l i m i t s . 3 8 c 3 2 ' ~ . . . . . : J ( . ) r o c 2 . . . ( ) ) E ( ' 0 " ' 0 c : J u . . 0 ( ) ) O l ( ' 0 c ( ) ) ~ ( ) ) a . . -' 1 '-*l-=''''' ';,; , ; , ; , ; , ; ,;, ; , ; , ;.;.;.;.;;~ '.,., , , , , , , ,,, ; , ,, , , , , ,, , , , ,, ,,,~ , , , ; ,, ,, ,; , ; , , , , ,, , , ,, , , ,H,; ; ' ; m o n i c '()'~d.;~~;.;. ; F i g u r e 3 . 1 0 I n d i v i d u a l c u r r e n t h a r m o n i c s P r e s c r i b e d L o g g e d p e r c e n t a g e c u r r e n t H a r m o n i c O r d e r L i m i t s I ( % ) h a r m o n i c d i s t o r t i o n / ( % ) 3 r d 7 3 8 5 t h 7 7 7 t n 7 6 9 t n 7 1 2 1 1 t h 3 . 5 2 1 3 t h 3 . 5 2 1 5 t n 3 . 5 4 T a b l e 3 . 4 C o m p a r i s o n s o f i n d i v i d u a l C u r r e n t H a r m o n i c d i s t o r t i o n w i t h p r e s c r i b e d l i m i t s 3 . 4 . 7 P o w e r f a c t o r v a r i a t i o n T h e r e i s o n l y a s l i g h t v a r i a t i o n b e t w e e n t r u e p o w e r f a c t o r a n d t h e d i s p l a c e m e n t p o w e r f a c t o r h e n c e b o t h s h o w a l m o s t s a m e v a r i a t i o n . A v e r a g e p o w e r f a c t o r i s a b o u t 8 . 5 l a g g i n g . P a r t o f t h e l o g g e d t r u e a n d d i s p l a c e d p o w e r f a c t o r v a l u e s a r e g i v e n i n t h e 3 9 A p p e n d i x . E v e n d u e t o a s l i g h t v a r i a t i o n o f p o w e r f a c t o r , a t h i g h l o a d c u r r e n t c o n s i d e r a b l e p o w e r l o s s i n t h e r a n g e o f 1 k W c a n b e o b s e r v e d . 3 . 5 I d e n t i f y i n g p r o b l e m c a t e g o r y W h e n t h e a b o v e g r a p h s a n d l o g g e d d a t a a r e c o m p a r e d w i t h t h e p o w e r q u a l i t y s t a n d e r s , i t i s c l e a r t h a t t h e d o m i n a n t p o w e r q u a l i t y p r o b l e m c a t e g o r y i n U v a P r o v i n c i a l C o u n c i l i s H a r m o n i c D i s t o r t i o n . O t h e r t h a n t h a t a n o v e r v o l t a g e c o n d i t i o n h a s b e e n o b s e r v e d t h r o u g h o u t t h e m e a s u r e m e n t . W h e n t h e c o l l e c t e d d a t a i s c o m p a r e d w i t h s t a n d a r d s [ 2 ] , i t r e v e a l s t h a t o T D D i s g r e a t e r t h a n t h e p r e s c r i b e d l i m i t . o S o m e I n d i v i d u a l c u r r e n t h a r m o n i c s e x c e e d t h e p r e s c r i b e d l i m i t s . o S o m e t i m e s t h e I n d i v i d u a l v o l t a g e h a r m o n i c s p e r c e n t a g e e x c e e d s t h e p r e s c r i b e d m a x i m u m l i m i t o f 3 % o T H D o f v o l t a g e i s u s u a l l y w i t h i n t h e l i m i t s . I n d i c e s M a x i m u m M e a s u r e d v a l u e s l i m i t ( % ) l n d u v i d i a l V o l t a g e 3 . 0 6 % m a x i m u m a t t h e H o a r m o n i c p e r c e n t a g e w o r s e c a s e s T o t a l V o l t a g e H a r m o n i c 5 . 0 W i t h i n l i m i t s D i s t o r t i o n T o t a l d e m a n d d i s t o r t i o n 8 . 0 U p t o 1 5 % I n d i v i d u a l C u r r e n t 7 f o r o r d e r < E x c e e d t h e H a r m o n i c d i s t o r t i o n ( f o r 2 0 1 1 p r e s c r i b e d l i m i t s ( U p < l s c / I L < 5 0 ) t o 3 8 % ) T a b l e 3 . 5 C o m p a r i s o n b e t w e e n S t a n d a r d l i m i t a t i o n s a n d M e a s u r e m e n t s 4 0 C h a p t e r 4 H a r m o n i c s M i t i g a t i o n 4 . 1 I n t r o d u c t i o n T h e r e a r e m a n y m e t h o d s a n d t e c h n i q u e s f o r m i t i g a t i n g t h e h a r m o n i c s . A l l o f t h e m h a v e a d v a n t a g e s a s w e l l a s d i s a d v a n t a g e s a n d i n v o l v e i n v e s t m e n t i n e q u i p m e n t a n d / o r a l t e r a t i o n o f t h e f e e d i n g s y s t e m . S e l e c t i o n o f t h e b e s t s o l u t i o n d e p e n d s o n t h e t o t a l l o a d , t y p e o f t h e i n s t a l l a t i o n , t h e a l l o w a b l e h a r m o n i c d i s t o r t i o n l e v e l a n d o t h e r r e l a t e d f a c t o r s i n h e r e n t t o t h e l o c a t i o n . [ 5 ] F i r s t , a n a t t e m p t c a n b e m a d e t o r e d u c e h a r m o n i c s d i s t u r b a n c e s b y a l t e r i n g t h e s y s t e m s t h a t d i s t r i b u t e s h a r m o n i c s . U n d e r t h a t c o n c e p t v a r i e d s o l u t i o n s a r e i d e n t i f i e d . T h e m o s t o b v i o u s w a y i s t o m i n i m a l u s e o f n o n l i n e a r l o a d s o r u s e o f l e s s p o l l u t i n g e q u i p m e n t . N e x t s t e p i s t o r e d u c e t h e i m p e d a n c e o f t h e n e t w o r k t h r o u g h t h e a l t e r a t i o n o f t h e i n s t a l l a t i o n o r o f c e r t a i n e q u i p m e n t . F i n a l l y . s o l u t i o n s c a n b e c h o s e n b a s e d o n f i l t e r i n g e q u i p m e n t s . 4 . 2 R e d u c i n g h a r m o n i c c u r r e n t s i n l o a d T h i s i n v o l v e s r e s t r i c t i n g t h e h a r m o n i c g e n e r a t i o n w i t h i n t h e i n s t a l l a t i o n . A s a g e n e r a l r u l e , i f t h e t o t a l r e c t i f i e r l o a d i n g ( i . e . v a r i a b l e s p e e d d r i v e s , U P S , P C , C F L e t c . ) o n a p o w e r s y s t e m c o m p r i s e s l e s s t h a n 2 0 % o f i t s c u r r e n t c a p a c i t y t h e n h a r m o n i c s a r e u n l i k e l y t o b e a l i m i t i n g f a c t o r [ 8 ] . T h i s c o n c e p t h a s f o c u s e d t h e i n t e r e s t i n l e s s d i s t u r b i n g e q u i p m e n t . O n e c h o i c e i s t o m i n i m a l u s e o f n o n - l i n e a r l o a d s . A n o t h e r m e t h o d i s t o r e p l a c e t h e p o w e r e l e c t r o n i c d e v i c e s w i t h i m p r o v e d o n e s i n s u c h a w a y t h a t t h e y e m i t f e w e r h a r m o n i c s t o t h e s y s t e m . U s i n g s u c h e q u i p m e n t o r r e p l a c i n g t h e p r e s e n t e q u i p m e n t w i t h s u c h d e v i c e s I S i m p r a c t i c a b l e b e c a u s e o R e p l a c i n g e q u i p m e n t i n c u r m u c h c o s t . o P u r c h a s i n g s u c h e q u i p m e n t i s d i f f i c u l t b e c a u s e p r e s e n t d a y m a r k e t i n S r i L a n k a i s n o t c o n c e r n e d o n s u c h i m p r o v e d f e a t u r e s . 4 1 o T o i d e n t i f y n e e d e d q u a l i t y e q u i p m e n t r e q u i r e e x p e r t i s e k n o w l e d g e . o R e p l a c i n g a l l s u c h e q u i p m e n t i n n o n e c o n o m i c a l a n d n o t p r o d u c t i v e S o , t h e r e i s l i t t l e t h a t c a n b e d o n e w i t h e x i s t i n g l o a d e q u i p m e n t t o s i g n i f i c a n t l y r e d u c e t h e h a r m o n i c c u r r e n t s . 4 . 3 S t r u c t u r a l A l t e r a t i o n s T h i s i n v o l v e s t h e s t r u c t u r e m o d i f i c a t i o n b y f e e d i n g s y s t - e m r e i n f o r c e m e n t [ 1 5 ] . T h e a i m i s t o u p g r a d e t h e d i s t r i b u t i o n n e t w o r k f o r i n c r e a s i n g s h o r t - c i r c u i t s l e v e l a n d t h e r e b y t o i m p r o v e t h e P Q i n d i c e s . T h e i n c r e a s e o f s h o r t c i r c u i t l e v e l d i m i n i s h e s t h e e f f e c t o f T H D a t n o n l i n e a r l o a d s f e e d i n g p o i n t s . T h e d i m i n i s h i n g i s o b t a i n e d b y t h e r e d u c t i o n o f t o t a l i m p e d a n c e u p s t r e a m o f t h e l o a d . C h a n g e o f c u r r e n t h a r m o n i c s s p e c t r u m s d e p e n d s o n l y o n t h e l o a d t y p e c o n n e c t e d t o t h e b u i l d i n g s d i s t r i b u t i o n n e t w o r k s a n d t h e s u p p l y v o l t a g e h a r m o n i c s . T h e r e f o r e , i n t h i s c a s e a n y a t t e n u a t i o n o f t h e c u r r e n t h a r m o n i c s l e v e l c a n n o t b e e x p e c t e d b u t i t s d o m i n a n c e c a n b e r e d u c e d . T h e m e t h o d s o f f e e d i n g s t r u c t u r e a l t e r a t i o n a r e c o m p l i c a t e d . A n d i t i n c u r s a g r e a t c o s t . U s u a l l y i t ' s b e y o n d t h e c o n t r o l o f c u s t o m e r s . W h a t c u s t o m e r c a n d o i s t o r e q u e s t r e s i z i n g o f t h e t r a n s f o r m e r , b u t i t r e q u i r e s m u c h i n v e s t m e n t . U P C i s h a v i n g a t r a n s f o r m e r o f 4 0 0 k V A w h e r e a s t h e a v e r a g e m a x i m u m m o n t h l y d e m a n d i s i n t h e r a n g e o f 2 0 0 k V A . A n d t h e f e e d e r l e n g t h t o t h e t r a n s f o r m e r i s v e r y s h o r t . T h e r e f o r e , r e s i z i n g o f t r a n s f o r m e r a n d f u r t h e r i m p r o v e m e n t o f f e e d i n g s y s t e m m a y n o t b e j u s t i f i a b l e . 4 . 4 F i l t e r i n g t e c h n i q u e s T h e f i l t e r i n g t e c h n i q u e i s a s u c c e s s f u l h a r m o n i c d i s t o r t i o n r e d u c t i o n m e t h o d u s e d i n e x i s t i n g i n s t a l l a t i o n s , e s p e c i a l l y w h e r e t h e d i s t o r t i o n h a s g r a d u a l l y i n c r e a s e d . F u r t h e r , i t i s a g l o b a l s o l u t i o n f o r n e w i n s t a l l a t i o n s , a s w e l l . A s U P C b u i l d i n g i s a l s o e x p e c t e d t o b e e x p a n d e d w i t h a d d e d n e w l o a d s , t h i s m a y b e a s u i t a b l e m e t h o d o l o g y f o r c o n t r o l h a r m o n i c s . T h e r e a r e t w o p r i n c i p a l f i l t e r i n g t e c h n i q u e s : p a s s i v e f i l t e r i n g a n d a c t i v e f i l t e r i n g . 4 2 4 . 4 . 1 P a s s i v e f i l t e r i n g T h e p a s s i v e f i l t e r i n g i s t h e s i m p l e s t c o n v e n t i o n a l s o l u t i o n t o m i t i g a t e t h e h a r m o n i c d i s t o r t i o n . U s u a l l y , t h e y c o n s i s t o f i n d u c t a n c e , c a p a c i t a n c e , a n d r e s i s t i v e e l e m e n t s . S o h i g h p o w e r a p p l i c a t i o n s n e e d t o h a v e b i g c a p a c i t o r s a n d I n d u c t o r s . P a s s i v e f i l t e r s h a v e t r a d i t i o n a l l y b e e n u s e d t o a b s o r b h a r m o n i c s g e n e r a t e d b y l a r g e i n d u s t r i a l l o a d s , p r i m a r i l y d u e t o t h e i r s i m p l i c i t y , l o w c o s t a n d h i g h e f f i c i e n c y . I n , J ' p a s s i v e f i l t e r s , t h e f l o w o f t h e u n d e s i r e d h a r m o n i c c u r r e n t s i n t o t h e p o w e r s y s t e m i s p r e v e n t e d b y t h e u s a g e o f a h i g h s e r i e s i m p e d a n c e t o b l o c k t h e m o r b y d i v e r t i n g t h e m t o a l o w i m p e d a n c e s h u n t p a t h . T h e s e t w o m e t h o d s r e p r e s e n t t h e c o n c e p t o f t h e s e r i e s a n d t h e s h u n t p a s s i v e f i l t e r s , r e s p e c t i v e l y . S e r i e s p a s s i v e f i l t e r s a r e c o n n e c t e d i n s e r i e s w i t h t h e l o a d . T h i s f i l t e r c o n s i s t s o f p a r a l l e l i n d u c t a n c e a n d c a p a c i t a n c e a s s h o w n i n F i g . 4 . 1 . T h e f i l t e r i s t u n e d t o p r o v i d e h i g h i m p e d a n c e a t a s e l e c t e d h a r m o n i c f r e q u e n c y . T h i s i m p e d a n c e b l o c k s t h e f l o w o f h a r m o n i c c u r r e n t a t t h e t u n e d f r e q u e n c y o n l y . A t f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y . t h e f i l t e r i s d e s i g n e d t o y i e l d l o w i m p e d a n c e , t h e r e b y a l l o w i n g t h e f u n d a m e n t a l c u r r e n t t o t 1 o w . F o r b l o c k i n g m u l t i p l e h a r m o n i c s , m u l t i p l e s e r i e s f i l t e r s a r e n e e d e d . L c F i g u r e 4 . 1 S e r i e s P a s s i v e F i l t e r C o n f i g u r a t i o n A s h u n t f i l t e r o f f e r s v e r y l o w i m p e d a n c e p a t h a t t h e f r e q u e n c y t o w h i c h i t i s t u n e d a n d i t s h u n t s m o s t o f t h e h a r m o n i c c u r r e n t a t t h a t f r e q u e n c y . F i g u r e 4 . 2 s h o w s c o m m o n t y p e s o f p a s s i v e f i l t e r s a n d t h e i r c o n f i g u r a t i o n s [ 3 ] . T h e s i n g l e - t u n e d f i l t e r i s t h e m o s t c o m m o n a n d e c o n o m i c a l t y p e o f p a s s i v e f i l t e r [ 9 ] . T h i s f i l t e r i s c o n n e c t e d i n s h u n t w i t h t h e p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m . S o , h a r m o n i c c u r r e n t s a r e d i v e r t e d f r o m t h e i r n o r m a l f l o w p a t h t h r o u g h t h e f i l t e r . A n o t h e r p o p u l a r t y p e o f p a s s i v e f i l t e r i s t h e h i g h - p a s s f i l t e r ( H P F ) . A H P F a l l o w s a l a r g e p e r c e n t a g e o f h a r m o n i c s a b o v e i t s d e s i g n e d f r e q u e n c y t o p a s s t h r o u g h i t . H P F 4 3 g e n e r a l l y t a k e s o n o n e o f t h e t h r e e f o r m s , a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 . T h e f i r s t - o r d e r . w h i c h i s c h a r a c t e r i z e d b y l a r g e p o w e r l o s s e s a t f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y , i s r a r e l y u s e d . T h e s e c o n d - o r d e r H P F i s t h e s i m p l e s t t o a p p l y w h i l e p r o v i d i n g g o o d f i l t e r i n g a c t i o n a n d r e d u c e d f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y l o s s e s [ 9 ] . T h e f i l t e r i n g p e r f o r m a n c e o f a t h i r d - o r d e r H P F i s s u p e r i o r t o t h a t o f t h e s e c o n d - o r d e r H P F , b u t i t i s n o t c o m m o n l y u s e d f o r l o w - v o l t a g e o r m e d i u m - v o l t a g e a p p l i c a t i o n s d u e t o t h e e c o n o m i c , c o m p l e x i t y , a n d r e l i a b i l i t y f a c t o r s . . I C L ® ~ r R ~ ~ < ? ~ L I r I e 2 I ( 0 J . . . , . . . . I - ' - I I - c - S i n g l e - t u n e d 1 5 1 o r d e r H i g h - 2 n d o r d e r H i g h - 3 r d o r d e r H i g h - F i l t e r p a s s F i l t e r p a s s F i l t e r p a s s F i l t e r F i g u r e 4 . 2 C o m m o n t y p e s o f p a s s i v e f i l t e r s A l t h o u g h s i m p l e a n d l e a s t e x p e n s i v e , t h e p a s s i v e f i l t e r s h a v e s e v e r a l s h o r t c o m i n g s . T h e t 1 l t e r c o m p o n e n t s a r e v e r y b u l k y . F u r t h e r m o r e t h e c o m p e n s a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s e f i l t e r s a r e i n f l u e n c e d b y t h e s o u r c e i m p e d a n c e . A s s u c h , t h e f i l t e r d e s i g n i s h e a v i l y d e p e n d e n t o n t h e p o w e r s y s t e m i n w h i c h i t i s c o n n e c t e d t o . P a s s i v e f i l t e r s a r e k n o w n t o c a u s e r e s o n a n c e , t h u s a f f e c t i n g t h e s t a b i l i t y o f t h e p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m s . 4 . 4 . 2 A c t i v e f i l t e r i n g T h e a d v a n t a g e o f a c t i v e f i l t e r i n g i s t h a t i t a u t o m a t i c a l l y a d a p t s t o c h a n g e s i n t h e n e t w o r k a n d l o a d f l u c t u a t i o n s . T h e y c a n c o m p e n s a t e f o r s e v e r a l h a r m o n i c o r d e r s , a n d a r e n o t a f f e c t e d b y m a j o r c h a n g e s i n n e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c s . A c t i v e p o w e r f i l t e r ( A P F ) s e l i m i n a t e t h e r i s k o f r e s o n a n c e b e t w e e n t h e f i l t e r a n d n e t w o r k i m p e d a n c e [ 1 0 ] . T h e b a s i c p r i n c i p l e o f A P F i s t o u t i l i z e p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g i e s t o p r o d u c e s p e c i f i c c u r r e n t s c o m p o n e n t s t h a t c a n c e l t h e h a r m o n i c c u r r e n t s c o m p o n e n t s c a u s e d b y 4 4 t h e n o n l i n e a r l o a d . F i g u r e 4 . 3 s h o w s t h e c o m p o n e n t s o f a A P F s y s t e m a n d t h e i r c o n n e c t i o n s . T h e i n f o r m a t i o n r e g a r d i n g t h e h a r m o n i c c u r r e n t s a n d o t h e r s y s t e m v a r i a b l e s a r e p a s s e d t o t h e c o m p e n s a t i o n c u r r e n t / v o l t a g e r e f e r e n c e s i g n a l e s t i m a t o r . F i g u r e 4 . 3 s u p p l y 6 ) C o n t r o l e f f e c t I n t e r f a c i n g i n d u c t o r I T r a n s f o r m e r P o w e r c i r c u i t i n t e r f a c e O v e r a l l s y s t e m c o n t r o l l e r R e f e r e n c e s i g n a l B l o c k d i a g r a m o f g e n e r a l A P F N o n - l i n e r a l o a d C o m p e n s a t e d v a r i a b l e s T h e c o m p e n s a t i o n r e f e r e n c e s i g n a l f r o m t h e e s t i m a t o r d r i v e s t h e o v e r a l l s y s t e m c o n t r o l l e r . T h i s i n t u r n p r o v i d e s t h e c o n t r o l f o r t h e g a t i n g s i g n a l g e n e r a t o r . T h e o u t p u t o f t h e g a t i n g s i g n a l g e n e r a t o r c o n t r o l s t h e p o w e r c i r c u i t v i a a s u i t a b l e i n t e r f a c e . T h e p o w e r c i r c u i t i n t h e g e n e r a l i z e d b l o c k d i a g r a m c a n b e c o n n e c t e d i n p a r a l l e l , s e r i e s o r p a r a l l e l / s e r i e s c o n f i g u r a t i o n s d e p e n d i n g o n t h e i n t e r f a c i n g i n d u c t o r / t r a n s f o r m e r u s e d . A P F s h a v e a n u m b e r o f a d v a n t a g e s o v e r t h e p a s s i v e f i l t e r s . F i r s t o f a l l , t h e y c a n s u p p r e s s n o t o n l y t h e s u p p l y c u r r e n t h a r m o n i c s , b u t a l s o t h e r e a c t i v e c u r r e n t s . M o r e o v e r , u n l i k e p a s s i v e f i l t e r s , t h e y d o n o t c a u s e h a r m f u l r e s o n a n c e s w i t h t h e p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m s . C o n s e q u e n t l y , t h e A P F s p e r f o r m a n c e s a r e i n d e p e n d e n t o n t h e p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m p r o p e r t i e s [ 1 1 ] . A n o t h e r a d v a n t a g e i s t h a t i t t a k e s v e r y l i t t l e s p a c e c o m p a r e d w i t h t r a d i t i o n a l p a s s i v e f i l t e r s . H e n c e A P F w a s p r e f e r r e d t o e m p l o y i n m i t i g a t i n g t h e h a r m o n i c s p r e s e n c e a t U P C b u i l d i n g . 4 5 4 . 5 A P F C o n f i g u r a t i o n s A P F c a n b e c o n n e c t e d i n s e v e r a l p o w e r c i r c u i t c o n f i g u r a t i o n s a s i l l u s t r a t e d i n t h e b l o c k d i a g r a m s h o w n i n F i g u r e 4 . 4 . T h e y c a n b e c l a s s i f i e d b a s e d o n t h e t y p e o f c o n v e r t e r , t o p o l o g y , c o n t r o l s c h e m e . a n d c o m p e n s a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s [ 1 2 ] . I n g e n e r a L t h e y a r c d i v i d e d i n t o t h r e e m a i n c a t e g o r i e s , n a m e l y s h u n t A P F , s e r i e s A P F a n d h y b r i d A P F . E~ C u r r e n t s o u r c e i n v e r t e r V o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r A c t i v e P o w e r F i l t e r . t S h u n t A P F I I S e r i e s A P F I I S h u n t A P F I I A P F m + + + s e n e s w 1 t h S e r i e s A P F S h u n t P F S h u n t P F s h u n t P F F i g u r e 4 . 4 D i v i s i o n s o f A c t i v e p o w e r F i l t e r s 4 . 5 . 1 S h u n t a c t i v e p o w e r f i l t e r T h i s i s w i d e l y u s e d c o n f i g u r a t i o n i n a c t i v e f i l t e r i n g a p p l i c a t i o n s [ 1 3 ] . A s h u n t A P F c o n s i s t s o f a c o n t r o l l a b l e v o l t a g e o r c u r r e n t s o u r c e . T h e v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r ( V S I ) b a s e d s h u n t A P F i s b y f a r t h e m o s t c o m m o n t y p e u s e d t o d a y , d u e t o i t s w e l l k n o w n t o p o l o g y a n d s t r a i g h t f o r w a r d i n s t a l l a t i o n p r o c e d u r e . F i g u r e 4 . 5 s h o w s t h e p r i n c i p l e c o n f i g u r a t i o n o f a V S I b a s e d s h u n t A P F . I t c o n s i s t s o f a d c - b u s c a p a c i t o r ( C r ) , p o w e r e l e c t r o n i c s w i t c h e s a n d i n t e r f a c i n g i n d u c t o r s ( L r ) . S h u n t A P F a c t s a s a c u r r e n t s o u r c e , c o m p e n s a t i n g t h e h a r m o n i c c u r r e n t s d u e t o n o n l i n e a r l o a d s . T h e o p e r a t i o n o f s h u n t A P F i s b a s e d o n i n j e c t i o n o f c o m p e n s a t i o n c u r r e n t w h i c h i s e q u a l s t o t h e d i s t o r t e d c u r r e n t , t h u s e l i m i n a t i n g t h e o r i g i n a l d i s t o r t e d c u r r e n t . 4 6 F i g u r e 4 . 5 Is~ A C S o u r c e S o u r c e C u r r e n t r - _"--\~rv-\ T ; . L r t I ( ' - C o n f i g u r a t i o n o f S h u n t A P F L o a d h A C u r r e n t - - ) ~ ')---~~ V S I N o n l i n e a r l o a d / - i c f J T h i s i s a c h i e v e d b y " s h a p i n g " t h e c o m p e n s a t i o n c u r r e n t w a v e f o r m ( 1 1 ) , u s i n g t h e V S I s w i t c h e s . T h e s h a p e o f c o m p e n s a t i o n c u r r e n t i s o b t a i n e d b y m e a s u r i n g t h e l o a d c u r r e n t ( / ) a n d s u b t r a c t i n g i t f r o m a s i n u s o i d a l r e f e r e n c e . T h e a i m o f s h u n t A P F i s t o L o b t a i n a s i n u s o i d a l s o u r c e c u r r e n t ( / ) u s i n g t h e r e l a t i o n s h i p : s I s I L - I j S h u n t A P F s h a v e t h e a d v a n t a g e o f c a r r y i n g o n l y t h e c o m p e n s a t i o n c u r r e n t p l u s a s m a l l a m o u n t o f a c t i v e f u n d a m e n t a l c u r r e n t s u p p l i e d t o c o m p e n s a t e f o r s y s t e m l o s s e s . I t c a n a l s o c o n t r i b u t e t o r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n . M o r e o v e r , i t i s a l s o p o s s i b l e t o c o n n e c t s e v e r a l s h u n t A P F s i n p a r a l l e l t o c a t e r f o r h i g h e r c u r r e n t s , w h i c h m a k e s t h i s t y p e o f c i r c u i t s u i t a b l e f o r a w i d e r a n g e o f p o w e r r a t i n g s [ 1 O J . 4 . 5 . 2 S e r i e s a c t i v e p o w e r f i l t e r T h e s e r i e s A P F i s s h o w n i n F i g u r e 4 . 6 . I t i s c o n n e c t e d i n s e r i e s w i t h t h e d i s t r i b u t i o n l i n e t h r o u g h a m a t c h i n g t r a n s f o r m e r [ 1 2 ] . V S I i s u s e d a s t h e c o n t r o l l e d s o u r c e , t h u s t h e p r i n c i p l e c o n f i g u r a t i o n o f s e r i e s A P F i s s i m i l a r t o s h u n t A P F , e x c e p t t h a t t h e i n t e r f a c i n g i n d u c t o r o f s h u n t A P F i s r e p l a c e d w i t h t h e i n t e r f a c i n g t r a n s f o r m e r . 4 7 L o a d v , h - - - . . 7 - - - - - ' V Y Y ' 1 A C - _ S o u r c e I V S I i I L _ _ ! l _ _ ~~L_j F i g u r e 4 . 6 C o n f i g u r a t i o n o f S e r i e s A P F N o n l i n e a r l o a d c , . # T h e o p e r a t i o n p r i n c i p l e o f s e r i e s A P F i s b a s e d o n i s o l a t i o n o f t h e h a r m o n i c s i n b e t w e e n t h e n o n l i n e a r l o a d a n d t h e s o u r c e . T h i s i s o b t a i n e d b y t h e i n j e c t i o n o f h a r m o n i c v o l t a g e s ( v } a c r o s s t h e i n t e r f a c i n g t r a n s f o r m e r . T h e i n j e c t e d h a r m o n i c v o l t a g e s a r e a d d e d / s u b t r a c t e d , t o / f r o m t h e s o u r c e v o l t a g e t o m a i n t a i n a p u r e s i n u s o i d a l v o l t a g e w a v e f o r m a c r o s s t h e n o n l i n e a r l o a d . S e r i e s A P F s a r e l e s s c o m m o n t h a n t h e s h u n t A P F . T h i s i s b e c a u s e t h e y h a v e t o h a n d l e h i g h l o a d c u r r e n t s . T h e m a i n a d v a n t a g e o f s e r i e s A P F s o v e r s h u n t o n e i s t h a t t h e y a r e i d e a l f o r v o l t a g e h a r m o n i c s e l i m i n a t i o n . 4 . 5 . 3 H y b r i d a c t i v e p o w e r f i l t e r T h e y a r e t y p i c a l l y t h e c o m b i n a t i o n o f b a s i c A P F s a n d p a s s i v e f i l t e r s . H y b r i d A P F s , i n h e r i t i n g t h e a d v a n t a g e s o f b o t h p a s s i v e f i l t e r s a n d A P F s , p r o v i d e i m p r o v e d p e r f o r m a n c e a n d c o s t - e f f e c t i v e s o l u t i o n s . T h e i d e a b e h i n d t h i s s c h e m e i s t o s i m u l t a n e o u s l y r e d u c e t h e s w i t c h i n g n o i s e a n d e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e [ 1 4 ] . T h e m a i n o b j e c t i v e o f h y b r i d A P F t h e r e f o r e , i s t o i m p r o v e t h e f i l t e r i n g p e r f o r m a n c e o f h i g h - o r d e r h a r m o n i c s w h i l e p r o v i d i n g a c o s t - e f f e c t i v e l o w o r d e r h a r m o n i c s m i t i g a t i o n . H y b r i d A c t i v e f i l t e r i n g i s a r e l a t i v e l y n e w t e c h n o l o g y . S o , f u r t h e r r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t a r e n e e d e d t o m a k e t h i s t e c h n o l o g y w e l l e s t a b l i s h e d . 4 8 4 . 6 S e l e c t i o n o f s u i t a b l e c o n f i g u r a t i o n o f A P F f o r U P C b u i l d i n g W h e n s e l e c t i n g t h e s u i t a b l e t e c h n i q u e t h e o b j e c t i v e s a d d r e s s e d a r e a s f o l l o w s . o B r i n g i n g d o w n o f h a r m o n i c l e v e l s b e l o w t h a t s p e c i f i e d b y t h e s t a n d a r d s . o R e d u c i n g t h e o v e r a l l s y s t e m v o l t a g e t o t a l h a r m o n i c d i s t o r t i o n . o S o l u t i o n s h o u l d w i t h s t a n d f u t u r e l o a d a l t e r a t i o n s , e a s i l y . , ; o I t s h o u l d b e a l o n g t e r m s o l u t i o n t o t h e h a r m o n i c p r o b l e m s o T h e s o l u t i o n s h o u l d b e l o w i n m a i n t e n a n c e . W h e n w e c o n s i d e r t h e d i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o n s o f A P F a n d t h e i r a p p l i c a t i o n s , s h u n t a c t i v e p o w e r f i l t e r s a r e f o u n d t o b e w i d e l y u s e d t o c o m p e n s a t e c u r r e n t h a r m o n i c s . r e a c t i v e p o w e r a n d l o a d c u r r e n t u n b a l a n c e [ 1 6 ] . T h e s e r i e s c o n n e c t e d a c t i v e p o w e r f i l t e r i s m o r e p r e f e r a b l e t o p r o t e c t t h e c o n s u m e r f r o m a n i n a d e q u a t e s u p p l y v o l t a g e q u a l i t y . T h i s i s s p e c i a l l y r e c o m m e n d e d f o r c o m p e n s a t i o n o f v o l t a g e u n b a l a n c e s a n d v o l t a g e s a g s f r o m t h e a c s u p p l y . L o g g e d d a t a r e v e a l e d t h e r e q u i r e m e n t o f c u r r e n t h a r m o n i c s r e d u c t i o n . T h e r e f o r e , a s h u n t a c t i v e f i l t e r i s s e l e c t e d t o c o m p e n s a t e h a r m o n i c s i n U P C b u i l d i n g . ' ' · l s J . . S o u r c e C u r r e n t 0 1 r~/+-------7---_ry ' { . , , , ~~ . A C M a i n s " > - I A . . > - C 1 i \ C o u p l i n g ~ f ! ' 1 I n v e r t e r ~ i - - d e 1 I L r r L o a d C u r r e n t Y r , ~x r'{'('y/',.~---7-----1 N o n l i n e a r l o a d C o m p e n s a t i o n C u r r e n t ~~-·----- 1 C o n t r o l & 1 G a t i n g S i g n a l - - - - - - - g e n e r a t o r I _ _ F i g u r e 4 . 7 C o m p o n e n t o f S h u n t A c t i v e F i l t e r 4 9 F i g u r e 4 . 7 i l l u s t r a t e s t h e b a s i c c o m p o n e n t s o f a s h u n t A P F . T h i s c o n s i s t s b a s i c a l l y o f a c o n t r o l a n d g a t i n g s i g n a l g e n e r a t o r a n d a v o l t a g e s o u r c e i n v e r t e r c o n t r o l l e d i n a w a y t h a t i t a c t s l i k e a c u r r e n t s o u r c e . 4 . 6 . 1 C l a s s i f i c a t i o n o f A P F V a r i o u s t y p e s o f s h u n t a c t i v e f i l t e r s h a v e b e e n p r o p o s e d b y m a n y r e s e a r c h e s . T h o s e c a n b e c l a s s i f i e d a c c o r d i n g t o t h e i r p o w e r c i r c u i t , t h e . c o n t r o l s t r a t e g y a n d t h e h a r m o n i c d e t e c t i o n m e t h o d [ 1 4 ] . T h e m a i n p u r p o s e o f t h e a c t i v e f i l t e r s i n s t a l l e d b y i n d i v i d u a l c o n s u m e r s i s t o c o m p e n s a t e f o r c u r r e n t h a r m o n i c s a n d I o r c u r r e n t i m b a l a n c e o f t h e i r o w n h a r m o n i c - p r o d u c i n g l o a d s . 4 . 6 . 2 C l a s s i f i c a t i o n b y P o w e r C i r c u i t T h e r e a r e t w o t y p e s o f p o w e r c i r c u i t s u s e d f o r a c t i v e f i l t e r s : a v o l t a g e - f e d P W M i n v e r t e r a n d a c u r r e n t f e d P W M i n v e r t e r . T h e s e a r e s i m i l a r t o t h e p o w e r c i r c u i t s u s e d f o r a c m o t o r d r i v e s . T h e y a r e , h o w e v e r , d i f f e r e n t i n t h e i r b e h a v i o r b e c a u s e a c t i v e f i l t e r s a c t a s n o n - s i n u s o i d a l c u r r e n t o r v o l t a g e s o u r c e s . T h e v o l t a g e f e d P W M i n v e r t e r i s a d v a n t a g e o u s b e c a u s e t h e v o l t a g e - f e d P W M i n v e r t e r i s h i g h e r i n e f f i c i e n c y a n d l o w e r i n i n i t i a l c o s t s t h a n t h e c u r r e n t - f e d P W M i n v e r t e r [ 1 4 ] . S o , m a j o r i t y o f a c t i v e f i l t e r s , w h i c h h a v e b e e n p u t i n t o p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s a r e a d o p t e d t h e v o l t a g e - f e d P W M i n v e r t e r a s t h e p o w e r c i r c u i t . C o n s i d e r i n g t h e s e f a c t s v o l t a g e f e d P W M i n v e r t e r i s s e l e c t e d f o r t h e s h u n t A P F . 4 . 6 . 3 C l a s s i f i c a t i o n b y m e t h o d o f h a r m o n i c d e t e c t i o n T h e c o n t r o l s t r a t e g y o f a c t i v e f i l t e r s h a s a g r e a t i m p a c t o n t h e c o m p e n s a t i o n o b j e c t i v e , r e q u i r e d k V A r a t i n g o f a c t i v e f i l t e r s , a n d a l s o o n t h e f i l t e r i n g c h a r a c t e r i s t i c s i n t r a n s i e n t s t a t e , a s w e l l a s i n s t e a d y s t a t e . A P F c o n t r o l l e r d e t e r m i n e s t h e h a r m o n i c s t h a t a r e t o b e e l i m i n a t e d . F o r t h a t i t i s r e q u i r e d t o d e t e c t t h e e s s e n t i a l v o l t a g e / c u r r e n t s i g n a l s t o g a t h e r a c c u r a t e s y s t e m v a r i a b l e s . T h e v o l t a g e v a r i a b l e s t o b e s e n s e d a r e a c s o u r c e v o l t a g e , d e b u s v o l t a g e o f 5 0 t h e A P F , a n d v o l t a g e a c r o s s i n t e r f a c i n g t r a n s f o r m e r . T y p i c a l c u r r e n t v a r i a b l e s a r c l o a d c u r r e n t , a c s o u r c e c u r r e n t , c o m p e n s a t i o n c u r r e n t a n d d e - l i n k c u r r e n t o f t h e A P F . B a s e d o n t h e s e s y s t e m v a r i a b l e f e e d b a c k s , r e f e r e n c e s i g n a l s e s t i m a t i o n i n t e r m s o f v o l t a g e / c u r r e n t l e v e l s a r e e s t i m a t e d i n f r e q u e n c y - d o m a i n o r t i m e - d o m a i n . A s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 4 . 7 a n i n v e r t e r i s t h e n u s e d t o g e n e r a t e a n d i n j e c t t h e c o m p e n s a t i o n c u r r e n t I c i n t o t h e p o w e r l i n e . T h e r e a r e m a i n l y t w o t y p e s o f c o n t r o l s t r a t e g i e s : F r e q u e n c y d o m a i n c o n t r o l b a s e d o n j t h e F o u r i e r a n a l y s i s a n d t h e T i m e d o m a i n c o n t r o l b a s e d o n t h e A k a g i - N a b a e t h e o r y [ 1 0 ] , [ 1 7 ] . M a n y m e t h o d s a r e a v a i l a b l e f o r h a r m o n i c d e t e r m i n a t i o n i n b o t h o f a b o v e c o n t r o l s t r a t e g i e s . S o m e o f t h e m a r e s h o w n i n F i g u r e 4 . 8 . R e f e r e n c e s i g n a l d e t e r m i n i n g T e c h n i q u e s F r e q u e n c y d o m a i n T i m e d o m a i n F i g u r e 4 . 8 H a r m o n i c d e t e r m i n a t i o n m e t h o d s F o u r i e r t r a n s f o r m P - Q t h e o r e m N o t c h f i l t e r i n g o f f u n d a m e n t a l S y n c h r o n o u s r e f e r e n c e f r a m e t h e o r e m S i n u s o i d a l s u b t r a c t i o n E a c h o f t h e s e m e t h o d s h a s p r o s a n d c o n s w h i c h d e p e n d o n t h e s i t u a t i o n . S u m m a r y o f p e r f o r m a n c e o f h a r m o n i c d e t e r m i n a t i o n m e t h o d s i s s h o w n i n T a b l e 4 . 1 [ 1 7 ] . T h e n o t c h f i l t e r i n g o f f u n d a m e n t a l a n d P - Q ( I n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e r ) t h e o r e m a r e t h e c o m m o n m e t h o d s t h a t a r e b e i n g s u c c e s s f u l l y u s e d i n m o d e r n A P F c o n t r o l l e r s . A s t h e n o t c h f i l t e r i n g o f h a r m o n i c d e t e c t i o n s h o w s b e t t e r p e r f o r m a n c e [ 1 8 ] i n a l l t h e a s p e c t s , i t i s s e l e c t e d t o u s e w i t h A P F f o r m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n . 5 1 I R r T S R F F F T {lt()~~t~ ( N o t c h i n g S i n e . F i l t e r I l s u b t r a c t i o n S t e a d y s t a t e q u a l i t y G o o d I P o o r G o o d I E x c e l E x c e l T r a n s i e n t r e s p o n s e G o o d E x c e l G o o d G o o d E x c e l q u a l i t y T r a n s i e n t r e s p o n s e G o o d G o o d G o o d P o o r P o o r s p e e d " R e q u i r e s v o l t a g e N o Y e s N o N o N o I R e q u i r e s b a l a n c e d 3 N o Y e s Y e s N o N o N o . o f f i l t e r s t a g e s 3 2 " 3 0 . ) _ _ j T a b l e 4 . 1 S u m m a r y o f t h e p e r f o r m a n c e o f h a r m o n i c d e t e r m i n a t i o n m e t h o d s 4 . 6 . 4 C l a s s i f i c a t i o n b y c o n t r o l t e c h n i q u e T h e a i m o f A P F c o n t r o l i s t o g e n e r a t e a p p r o p r i a t e g a t i n g s i g n a l s f o r t h e s w i t c h i n g t r a n s i s t o r s b a s e d o n t h e e s t i m a t e d c o m p e n s a t i o n r e f e r e n c e s i g n a l s . T h e p e r f o r m a n c e o f a n A P F i s a f f e c t e d s i g n i f i c a n t l y b y t h e s e l e c t i o n o f c o n t r o l t e c h n i q u e s [ 1 8 ] . T h e r e f o r e , t h e c h o i c e a n d i m p l e m e n t a t i o n o f t h e c o n t r o l t e c h n i q u e i s v e r y i m p o r t a n t f o r t h e a c h i e v e m e n t o f a s a t i s f a c t o r y A P F p e r f o r m a n c e . V a r i e t y o f c o n t r o l t e c h n i q u e s s u c h a s l i n e a r c o n t r o l , d i g i t a l d e a d b e a t c o n t r o l , h y s t e r e s i s c o n t r o l [ 1 0 ] , [ 1 9 ] , e t c . a r e a v a i l a b l e f o r A P F a p p l i c a t i o n s . A s s h o w n i n F i g u r e 4 . 9 , t h e l i n e a r c o n t r o l o f A P F i s a c c o m p l i s h e d b y u s m g a n e g a t i v e - f e e d b a c k s y s t e m . I n t h i s c o n t r o l s c h e m e , t h e c o m p e n s a t i o n c u r r e n t ( 1 1 ) o r v o l t a g e C V r ) s i g n a l i s c o m p a r e d w i t h i t s e s t i m a t e d r e f e r e n c e s i g n a l ( R e f 1 - o r R e f ; , ) t h r o u g h t h e c o m p e n s a t e d e r r o r a m p l i f i e r t o p r o d u c e t h e c o n t r o l s i g n a l . T h e r e s u l t i n g c o n t r o l s i g n a l i s t h e n c o m p a r e d w i t h a s a w - t o o t h s i g n a l t h r o u g h a p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ( P W M ) c o n t r o l l e r t o g e n e r a t e t h e a p p r o p r i a t e g a t i n g s i g n a l s f o r t h e s w i t c h i n g t r a n s i s t o r s . T h e f r e q u e n c y o f t h e r e p e t i t i v e s a w - t o o t h s i g n a l e s t a b l i s h e s t h e 5 2 I I I I s w i t c h i n g f r e q u e n c y . T h i s f r e q u e n c y i s k e p t c o n s t a n t i n l i n e a r c o n t r o l t e c h n i q u e . A s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 0 , t h e g a t i n g s i g n a l i s s e t h i g h w h e n t h e c o n t r o l s i g n a l h a s a h i g h e r n u m e r i c a l v a l u e t h a n t h e s a w - t o o t h s i g n a l a n d v i a v e r s a . < ) l l ) f > t L < t t t : . r---c::=~-~-----1 I I I ~ I I - - • I : c , n 1 d c q r . . a l _ _ _ _ _ _ _ _ !,M~ ~:~: > " , > ·. . : · · < ' :~.)\':,~·:'(-.(: P \ 1 • • \ 1 ~·.:>L1t.:~L.:: t , ) f ' ! I A2~:··;: ?~·\W:'l 1 1 · - t . . . . . • f i : t t r I I ·;~(l:l_? : 1 2 : : : { 1 1 F i g u r e 4 . 9 B l o c k d i a g r a m o f l i n e a r c o n t r o l t e c h n i q u e s . >'~< 2,17:11~ ' . J • ' , t ~~·t:l . , . . , I ~--~---1 • o . . ·r~b:l2 • > : · ! U • : · · _ ; / ' . W , [ 2 c : r h : . : • : H l : • l , E L ' I ·.:~:!:•.! ' , :-.·.···:·~:!: · : : · ! : ' : < : : : r : u : · . J f n ' : F i g u r e 4 . 1 0 G a t i n g s i g n a l g e n e r a t i o n b y l i n e a r c o n t r o l l e r D e p e n d i n g o n t h e c o m p e n s a t i o n s i g n a l t h e r e a r e t w o t y p e s o f c o n t r o l l e r s : v o l t a g e - f e d P W M i n v e r t e r s a n d c u r r e n t - f e d P W M i n v e r t e r s . I n c u r r e n t - f e d P W M c o n t r o l l e r s t h e o u t p u t i s p r i m a r i l y d e t e r m i n e d i n t e r m s o f c u r r e n t . T h e r e f o r e c u r r e n t - f e d i n v e r t e r t e n d s t o b e u n s u i t a b l e f o r c e r t a i n t y p e s o f l o a d s w h e r e a s t h e v o l t a g e - f e d i n v e r t e r 5 3 o p e r a t e s q u i t e s a t i s f a c t o r i l y . V o l t a g e - f e d i n v e r t e r s a r c h i g h e f f i c i e n t a n d l o w e r i n i n i t i a l c o s t . C u r r e n t - f e d i n v e r t e r s a r e h e a v i e r d u e t o t h e i n d u c t o r s a n d i n c u r h i g h c o s t . T h e r e f o r e , V o l t a g e - f e d P W M i n v e r t e r s a r e p o p u l a r c h o i c e i n m o d e r n A P F . T h e o t h e r t y p e , H y s t e r e s i s C o n t r o l T e c h n i q u e e x h i b i t s s e v e r a l u n s a t i s f a c t o r y f e a t u r e s . T h e m a i n d r a w b a c k i s t h a t i t p r o d u c e s u n e v e n s w i t c h i n g f r e q u e n c y . C o n s e q u e n t l y , d i f f i c u l t i e s a r i s e i n d e s i g n i n g . F u r t h e r m o r e , t h e r e i s p o s s i b l y g e n e r a t i o n o f u n w a n t e d r e s o n a n c e s o n t h e p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m . B e s i d e s , t h e i r r e g u l a r s w i t c h i n g a l s o . I a f f e c t s t h e A P F e f f i c i e n c y a n d r e l i a b i l i t y [ 1 0 ] . C o n s i d e r i n g t h e a b o v e f a c t s , v o l t a g e - f e d P W M l i n e a r c o n t r o l i s c o n s i d e r e d f u r t h e r i n m o d e l i n g t h e A P F . A c c o r d i n g t o t h e a b o v e d i s c u s s i o n t h e s u i t a b l e f i l t e r f o r t h i s p u r p o s e i s t h e A c t i v e S h u n t F i l t e r w h i c h i n c o r p o r a t e s v o l t a g e f e d P W M i n v e r t e r t y p e p o w e r c i r c u i t . N o t c h f i l t e r i n g h a r m o n i c d e t e c t i o n a n d v o l t a g e - f e d P W M l i n e a r c o n t r o l l i n g a r e t h e o t h e r e n c o m p a s s e d f e a t u r e s . 4 . 7 L o c a t i o n f o r h a r m o n i c m i t i g a t i o n H a r m o n i c c u r r e n t s f 1 o w i n g i n i n t e r n a l c i r c u i t s o v e r l o a d t h e c o n d u c t o r s a n d t r a n s f o r m e r s . T h i s a f f e c t s t h e e q u i p m e n t , a s w e l l . T r a n s p o r t i n g o f r e a l p o w e r a l o n g w i t h t h e a d d e d h a r m o n i c c o m p o n e n t s c a u s e a d d i t i o n a l l o s s e s a n d r e d u c e p o w e r f a c t o r . T h e r e f o r e , h a r m o n i c e l i m i n a t i o n a t t h e s o u r c e o f h a r m o n i c g e n e r a t i o n w i l l a l w a y s b e t h e b e s t l o c a t i o n f o r i n s t a l l i n g h a r m o n i c f i l t e r s . H o w e v e r , t h i s l e a d s t o i n s t a l l a t i o n o f m a n y s m a l l f i l t e r i n g d e v i c e s . T h e e x p e c t e d e c o n o m y o f a l a r g e s c a l e f i l t e r s u g g e s t s t h a t t h e b e s t l o c a t i o n i s w h e r e s e v e r a l d i s t o r t e d c u r r e n t s a r e c o m b i n e d , s u c h a s a l o a d c e n t r e . T h e n u m b e r a n d s i z e o f t h e h a r m o n i c f i l t e r s w i l l a l s o a f f e c t i n t e r n a l l o s s e s o f t h e f i l t e r a n d o p e r a t i n g c o s t . F u r t h e r , w h e n d e t e r m i n i n g t h e f i l t e r i n g l o c a t i o n s , s p e c i a l w i r i n g - r e l a t e d c o n d i t i o n s s u c h a s n e u t r a l o v e r l o a d i n g a n d c a n c e l l a t i o n s h o u l d a l s o b e c o n s i d e r e d . T h e r e f o r e , i n d e p t h s t u d i e s a r e r e q u i r e d i n o r d e r t o f i n d t h e b e s t l o c a t i o n f o r t h e f i l t e r i n g d e v i c e . 5 4 l C h a p t e r 5 S i m u l a t i o n 5 . 1 I n t r o d u c t i o n C h a p t e r 2 d i s c u s s e s t h e f u n d a m e n t a l s o f p o w e r s y s t e m h a r ! J l o n i c s a n d t h e i r e f f e c t s o n p o w e r s y s t e m c o m p o n e n t s , a n d t h e c h a p t e r 4 d e l i b e r a t e s t h e v a r i o u s h a r m o n i c m i t i g a t i o n t e c h n i q u e s . T h e l a t t e r c h a p t e r d i s c u s s e d t h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e s a n d t h e d e s i g n m e t h o d s o f a c t i v e f i l t e r s , a n d d e v e l o p e d a m e t h o d f o r c o n f i g u r a t i o n o f s u i t a b l e A P r t o b e u s e d i n U P C b u i l d i n g . T h i s s e c t i o n d e s c r i b e s t h e m o d e l i n g o f t h e a c t i v e f i l t e r a n d s i m u l a t i o n o f a n e x a m p l e l o a d u s i n g i n M A T L A B / S i m u l i n k e n v i r o n m e n t . S i m u l a t i o n i s a p o w e r f u l t o o l t h a t c a n b e u s e d t o r e d u c e d e v e l o p m e n t t i m e . I t e n s u r e s t h e p r o p e r f u l f i l l m e n t o f c r i t i c a l s t e p s o f t h e d e s i g n . a s w e l l . I n t h e p r o c e s s o f d e s i g n i n g t h e s h u n t a c t i v e f i l t e r , s i m u l a t i o n a l l o w s u s t o s t u d y o f i t s b e h a v i o r u n d e r d i f f e r e n t o p e r a t i o n c o n d i t i o n s . I t p e r m i t s t h e t u n i n g o f s o m e c o n t r o l l e r p a r a m e t e r s t o g e t h e r \ V i t h t h e o p t i m i z a t i o n o f t h e a c t i v e f i l t e r c o m p o n e n t v a l u e s . 5 . 1 . 1 S i m u l a t i o n s o f t w a r e s N o w a d a y s a l o t o f s o t l : w a r c s a r e a v a i l a b l e f o r s i m u l a t i n g p o w e r s y s t e m s . S o m e o f t h e m a r c d e d i c a t e d t o s i m u l a t i o n o f d e t a i l e d b e h a v i o r o f p o w e r e l e c t r o n i c s b a s e d o n s p e c i f i c c i r c u i t l i b r a r y . s u c h a s P S C A D ( P r o f e s s i o n a l ' s t o o l f o r P o w e r S y s t e m s S i m u l a t i o n ) , C A S P O C ( P o w e r E l e c t r o n i c s a n d E l e c t r i c a l D r i v e s M o d e l i n g a n d S i m u l a t i o n S o f t w a r e ) . P S P I C E ( D e s i g n a n d s i m u l a t e a n a l o g a n d d i g i t a l c i r c u i t s ) . P S I M ( s i m u l a t i o n s o f t w a r e d e s i g n e d f o r p o w e r e l e c t r o n i c s , m o t o r c o n t r o L a n d d y n a m i c s y s t e m s i m u l a t i o n ) a n d s o o n . O t h e r s o f t w a r e e n a b l e s a n e f f i c i e n t c o n t r o l d e v e l o p m e n t b a s e d o n s p e c i f i c s y s t e m l i b r a r i e s o r t o o l b o x e s s u c h a s M A T L A B / S i m u l i n k . M A T L A B / S i m u l i n k c o m p r i s e o f a r a n g e o f b l o c k s e t s s u c h a s c o m m u n i c a t i o n s . c o n t r o l , p o w e r s y s t e m a n d f u z z y l o g i c e t c . 5 5 I l 5 . 1 . 2 M A T L A B / S i m u l i n k s o f t w a r e M A T L J \ . 8 i s a h i g h - l e v e l l a n g u a g e o r i e n t e d t o w a r d e n g i n e e r i n g a n d s c i e n t i f i c a p p l i c a t i o n s . I t h a s e v o l v e d o v e r a p e r i o d o f m o r e t h a n e i g h t e e n y e a r s t o b e c o m e a f l e x i b l e . p o w e r f u l a n d s i m p l e l a n g u a g e . I t h a s s e r v e d a s a n e f f e c t i v e p l a t f o r m f o r m o r e t h a n t w e n t y t o o l b o x e s s u p p o r t i n g s p e c i a l i z e d e n g i n e e r i n g a n d s c i e n t i f i c a p p l i c a t i o n s . c o v e r i n g a r e a s f l · o m s y m b o l i c c o m p u t a t i o n t o d i g i t a l f i l t e r d e s i g n . c o n t r o l t h e o r y . f u z z y l o g i c . a n d n e u r a l n e t s 1 2 0 ] . " ' S i m u l i n k i s b u i l t o n t o p o f t h e M A T L A B . I t i s a n i n t e r a c t i v e e n v i r o n m e n t f o r m o d e l l i n g a n d s i m u l a t i n g a w i d e v a r i e t y o f d y n a m i c s y s t e m s . i n c l u d i n g l i n e a r . n o n - l i n e a r . d i s c r e t e - t i m e . c o n t i n u o u s - t i m e . a n d h y b r i d s y s t e m s . I t c o m b i n e s t h e p o w e r a n d e a s e - o f - u s e o f a n a p p l i c a t i o n p a c k a g e w i t h t h e f l e x i b i l i t y a n d e x t e n s i b i l i t y o f a l a n g u a g e . I t c a n b e u s e d t o b u i l d b l o c k d i a g r a m m o d e l s w i t h c l i c k - a n d - d r a g o p e r a t i o n s . c h a n g e m o d e l p a r a m e t e r s o n - t h e - f 1 y . a n d d i s p l a y r e s u l t s " " l i v e " d u r i n g a s i m u l a t i o n . T h i s t o o l i s a l s o a u n i q u e l y o p e n s y s t e m t h a t a l l o w s c h o o s i n g . a d a p t i n g . a n d c r e a t i n g s o f t w a r e a n d h a r d w a r e c o m p o n e n t s t o s u i t e a c h a p p l i c a t i o n T o g e t h e r . S i m u l i n k a n d M A T L J \ B p r o v i d e a n i d e a l i n t e g r a t e d e n v i r o n m e n t f o r d e v e l o p i n g m o d e l s . p e r f o r m i n g d y n a m i c s y s t e m s i m u l a t i o n s . a n d d e s i g n i n g a n d t e s t i n g n e w i d e a s . 5 . 1 . 3 P o w e r S y s t e m B l o c k s e t P o w e r S y s t e m B l o c k s e t i s a d e s i g n t o o L d e v e l o p e d b y s c i e n t i s t s a n d r e s e a r c h e r s a t T E Q S I M . I n c . . a n d H y d r o - Q u e b e c . f o r m o d e l l i n g a n d s i m u l a t i n g e l e c t r i c p m \ e r s y s t e m s w i t h i n t h e S i m u l i n k e n v i r o n m e n t 1 2 l j . P o w e r S y s t e m B l o c k s c t b l o c k l i b r a r y c o n t a i n s S i m u l i n k b l o c k s t h a t r e p r e s e n t c o m m o n c o m p o n e n t s a n d d e v i c e s f o u n d i n e l e c t r i c a l p o w e r n e t w o r k s . M o s t o f t h e b l o c k s a r e b a s e d o n w e l l - k n o w n e l e c t r i c a l c o m p o n e n t s . T h e s e b l o c k s u s e s t a n d a r d e l e c t r i c a l s y m b o l s a n d t h e r e t ( x c . c r e a t i n g g r a p h i c a l m o d e l s o f e l e c t r i c a l p o w e r s y s t e m s i s e a s y [ 2 2 ] . P o w e r S y s t e m B l o c k s e t e x t e n d s S i m u l i n k t o p r o v i d e a g o o d e n v i r o n m e n t t ( J r m u l t i - d o m a i n m o d e l i n g a n d c o n t r o l l e r d e s i g n . B y c o n n e c t i n g t h e e l e c t r i c a l p a r t s o f t h e s i m u l a t i o n t o b l o c k s f r o m S i m u l i n k ' s m o d e l i n g l i b r a r y . i t i s p o s s i b l e t o d r a w t h e c i r c u i t t o p o l o g y a n d s i m u l t a n e o u s l y a n a l y z e t h e c i r c u i t s [ 2 0 ] . 5 6 'TC GQ c -: 0 VI $: > --l r > "'' co (/) $: c r z r:: $: 0 0.. 0 t • ,,,• ... 1 r ...... . . ....... , ~ I .~ ~ I ~T' ! ' i I , 1 ' ... . ... 5 . 2 M o d e l i n g t h e A P F I n C h a p t e r 4 , a s u i t a b l e c o n f i g u r a t i o n f o r A P F w a s d e t e r m i n e d . S o , a s h u n t A P r w i t h v o l t a g e - f e d P W M l i n e a r c o n t r o l u n i t w a s s e l e c t e d f o r h a r m o n . l c m i t i g a t i o n a t \ . ) P C . T h e s t r a t e g y u s e d f o r h a r m o n i c d e t e r m i n a t i o n i s n o t c h f i l t e r i n g m e t h o d . A n d t h e p o w e r c i r c u i t s e l e c t e d i s v o l t a g e - f e d P W M i n v e r t e r . T h e f i l t e r w a s m o d e l e d u n d e r t h e M A T L A B I S i m u l i n k e n v i r o n m e n t a n d t h e d e v e l o p e d m o d e l i s s h o w n i n F i g u r e 5 . 1 . I t c o m p r i s e s s e t o f s e v e r a l s u b c o m p o n e n t s o f w h i c h a b r i e f o u t l i n e i s g i v e n b e l o w . " ' 5 . 2 . 1 M o d e l o f t h e p o w e r s o u r c e T h e t h r e e p h a s e i n d u c t i v e s o u r c e w i t h n e u t r a l b l o c k a v a i l a b l e i n t h r e e p h a s e l i b r a r y o f p o w e r s y s t e m b l o c k s e t w a s s e l e c t e d a s t h e p o w e r s u p p l y . P a r a m e t e r s o f t h e p o w e r s u p p l y w e r e s e t t o s u i t 3 3 k V . 5 0 H z a n d I O M V A s o u r c e . T h e o u t p u t o f t h i s s o u r c e w a s c o n n e c t e d t o 3 3 k V / 4 0 0 V . t r a n s f o r m e r t o g e t a 4 0 0 V t h r e e p h a s e p o w e r s u p p l y . w h i c h i s s i m i l a r t o t h e e x i s t e n c e a t U P C b u i l d i n g . S e l e c t e d t r a n s f o r m e r w a s t h e 3 : t w o \ \ i n d i n g t r a n s f o r m e r b l o c k i n t h e s a m e b l o c k s e t . O t h e r p a r a m e t e r s w e r e s e l e c t e d t o g i v e a s f a r a s p o s s i b l e a n e q u i v a l e n t p o w e r s u p p l y t h a t i s a v a i l a b l e a t U P C . T h e p o w e r s o u r c e t h u s d e v e l o p e d i s g i v e n i n F i g u r e 5 . 2 . T h i s m o d e l o f t h e p o w e r s o u r c e g r o u p e d a n d i n c l u d e d i n t h e c o m p l e t e m o d e l a s a s u b s y s t e m n a m e d a s ' ' p o w e r s o u r c e " . f·li.~¥1~: .~--1 : 1 - : : F i g u r e 5 . 2 M A T L A B / S i m u l i n k m o d e l o f t h e p o w e r s o u r c e 5 8 5 . 2 . 2 M o d e l o f t h e N o n l i n e a r L o a d T o m o d e l a n e x a m p l e n o n l i n e a r l o a d , h a r m o n i c c u r r e n t m e a s u r e m e n t s l o g g e d a t U P C w e r e u s e d . F i g u r e 5 . 3 s h o w s a s p e c t r u m o f i n d i v i d u a l h a r m o n i c s c a p t u r e d b y N e t w o r k a n a l y z e r a t a w o r s e c a s e . T h e f u n d a m e n t a l c u r r e n t i s 4 0 A . c [ g : : l 0 r o c Q ) E C ' O D c : : l L L 0 Q ) C J ) C ' O c Q ) 0 ( i ; o . _ . ; . J . L I . I J L . . · · · • I . . . . . . I I . . - - H a r m o n i c O r d e r F i g u r e 5 . 3 I n d i v i d u a l H a r m o n i c s o f L o a d C u r r e n t T h e n o n - l i n e a r l o a d w a s f o r m u l a t e d u s i n g a n e q u i v a l e n t r e s i s t o r a n d s e t o f c u r r e n t s o u r c e s w i t h r e l e v a n t p e r c e n t a g e m a g n i t u d e s t o r e p r e s e n t d o m i n a n t h a r m o n i c c o m p o n e n t s , a s s h o w n i n F i g u r e 5 . 4 . 1 0 O h m . ;x~ F i g u r e 5 . 4 M A T L A B / S i m u l i n k m o d e l o f n o n - l i n e a r L o a d 5 9 T h e n o n l i n e a r l o a d t h u s d e v e l o p e d g i v e s f o l l o w i n g r e s p o n s e w h e n s i m u l a t i n g . F i g u r e 5 . 5 S h o w s t h a t t h e d o m i n a n t l l a r m o n i c c o m p o n e n t s o f t h e m o d e l a r e a p p r o x i m a t e l y e q u a l t o t h e s p e c t r u m g i v e n i n F i g u r e 5 . 3 . T h i s m o d e l o f t h e l o a d f o r t h r e e p h a s e s g r o u p e d a n d i n c l u d e d i n t h e c o m p l e t e m o d e l a s a s u b s y s t e m n a m e d a s ' ' N o n - l i n e a r L o a d " . ~ 4 0 c ( j ) c 0 E - 3 o 0 u N I 0 2 0 l i ) 0 ~ 1 0 O J O J : ; : ; ; 0 0 u n d a m e r l t a l ( 5 0 H z ) = 4 1 4 9 I _ _ J . I _ _ 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 F r e q u e n c y ( H z ) F i g u r e 5 . 5 F r e q u e n c y s p e c t r u m o f l o a d c u r r e n t J 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 5 . 2 . 3 M o d e l o f s y s t e m c o n t r o l l e r I g a t i n g s i g n a l g e n e r a t o r I n t h i s m o d e l h a r m o n i c c o m p o n e n t s o f l o a d c u r r e n t a r e d e t e r m i n e d u s i n g a n o t c h f i l t e r , a n d a v o l t a g e r e f e r e n c e s i g n a l t o P W M i n v e r t e r i s g e n e r a t e d a c c o r d i n g l y . A s e c o n d o r d e r b u t t e r w o r t h f i l t e r i n t h e d i s c r e t e c o n t r o l b l o c k s o f p o w e r s y s t e m b l o c k s e t . w i t h c u t o f f f r e q u e n c y 5 0 H z i s u s e d a s a b a n d s t o p f i l t e r t o s i m u l a t e t h e n o t c h f i I t e r . T h e d e v e l o p e d c o n t r o l l e r u n i t i s s h o w n i n F i g u r e 5 . 6 . T h e o u t p u t s i g n a l o f f i l t e r c o n t a i n s o n l y t h e h a r m o n i c c o m p o n e n t s o f c u r r e n t a n d i t i s n o r m a l i z e d b y a g a i n c o n t r o l l e r w i t h g a i n f a c t o r k l . T h e s o u r c e v o l t a g e i s n o r m a l i z e d b y a f a c t o r k 2 . N o r m a l i z e d v o l t a g e s i g n a l a n d h a r m o n i c c o m p o n e n t s a r e t h e n a d d e d t o f o r m t h e c o n t r o l s i g n a l t o P W M i n v e r t e r . 6 0 i ' I I ! • r ~~~ I I I I ,---~ 1 l r , H I ! ) t \ L - • 1 r~- [_~=:~] I ' , , , I , , l : l i t k : i i 1 F i l l , ' ~\ ~~ · + -~I • - l~-- - . . r~---~ 1 - i ~____. L~ - ~ tl~-jl> ~- , , , , . J I j I l L _ _ _ . , . , \ _ i ~--l ''~[ _ _ _ F i g u r e 5 . 6 M A T L A B / S i m u l i n k m o d e l o f C o n t r o l l e r / G a t i n g s i g n a l g e n e r a t o r 5 . 2 . 4 M o d e l o f t h e P W M I n v e r t e r . U n i v e r s a l b r i d g e b l o c k h a v i n g t h r e e a r m s a v a i l a b l e i n t h e p o w e r e l e c t r o n i c s s u b s e t o f p o w e r s y s t e m b l o c k s e t w a s u s e d t o m o d e l P W M i n v e r t e r , T h e u n i v e r s a l b r i d g e b l o c k i m p l e m e n t s a t h r e e p h a s e p o w e r c o n v e r t e r t h a t c o n s i s t s o f s i x ! G B T c o n n e c t e d a s a b r i d g e [ 2 2 ] , A d e s o u r c e b l o c k w a s u s e d t o g i v e a d e s u p p l y t o t h e i n v e r t e r , T o g e n e r a t e p u l s e s t o t h e I G B T i n v e r t e r . P W M g e n e r a t o r b l o c k a v a i l a b l e i n p m \ e r s y s t e m b l o c k s c t w a s u s e d , T h e c a r r i e r f r e q u e n c y w a s s e t t o 2 0 0 0 H z _ T h i s b l o c k g e n e r a t e s p u l s e s f o r t h e P W M i n v e r t e r , T h e o u t p u t o f t h e i n v e r t e r i s c o n t r o l l e d b y t h e c o n t r o l l i n g s i g n a l c o m i n g f r o m t h e g a t i n g s i g n a l g e n e r a t o r F i g u r e 5 . 7 s h o w s t h e M A T L A B I S i m u l i n k m o d e l d e v e l o p e d f o r i n v e r t e r , a n d i t i s i n c l u d e d i n t h e c o m p l e t e m o d e l a s a s u b s y s t e m n a m e d a s " ' P W M i n v e t i e r " . 6 1 - - · - · · · · u l n · . ·~·· 1 i ·~· 1 T l i . f C ' . · ' . · T J c,~n~,,;tc•! t I - ~~~-•:.~) ~ -~-;r-~_....r::,~:~--~~:=}~ ;e -~-~-J-~~~~:1 I I · ! 1 L - - - - - - - ' -~---·--- < = l t J t " 1 - - , . . , : ,~, F i g u r e 5 . 7 M A T L A B / S i m u l i n k M o d e l o f P W l \ t I n v e r t e r 5 . 3 S i m u l a t i o n r e s u l t s . F i g u r e 5 . 4 s h o w s t h e l o a d c u r r e n t o f o n e o f t h e p h a s e s , w h e n t h e A P F i s n o t i n a c t i o n . T h e f u n d a m e n t a l c u r r e n t i s 8 0 A a n d r e l e v a n t 3 r d . 5 t h , i 1 1 a n d 9 t h h a r m o n i c s r e s p e c t i v e l y a r e a p p r o x i m a t e l y 4 0 % . 8 % . 9 % a n d 1 2 % . I t s h o w s t h a t t h e c u r r e n t w a v e f o r m i s h i g h l y d i s t o r t e d a n d t h e m a x i m u m h a r m o n i c c o m p o n e n t i s h i g h a s 4 0 % o f t h e f u n d a m e n t a l . 5 0 " ' ( I ' G l 0 Q _ E < ( - S O 0 0 . 0 2 5 0 " ' ( i ' G l 0 Q . E < ( - 5 0 0 0 . 0 2 4 0 ( I ' 2 0 G l Q _ E < ( 0 - 2 0 0 0 . 0 2 F i g u r e 5 . 8 S o u r c e c u r r e n t w i t h A c t 1 v e f i l t e r - p e r p h a s e 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 0 1 4 0 . 1 6 0 . 1 8 0 2 L o a d C u r r e n t - p e r p h a s e 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 . 1 0 . 1 2 0 1 4 0 . 1 6 0 . 1 8 0 . 2 H a r m o n i c c u r r e n t - p e r p h a s e 0 . 0 4 0 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 0 . 1 4 0 . 1 6 0 . 1 8 0 . 2 T i m e P e r - p h a s e S o u r c e c u r r e n t , L o a d c u r r e n t a n d H a r m o n i c c u r r e n t w i t h S h u n t A P F i n a c t i o n 6 2 . . . . . . . . . . W i t h o u t t h e A P F , s o u r c e c u r r e n t h a s e x a c t l y t h e s a m e w a v e f o r m a n d s p e c t r u m a s t h e l o a d c u r r e n t . W i t h t h e A P F i n a c t i o n , u n d e r t h e s a m e l o a d c o n d i t i o n s , p e r p h a s e S o u r c e c u r r e n t . L o a d c u r r e n t a n d H a r m o n i c c u r r e n t e x t r a c t i o n a r e s h o w n i n F i g u r e 5 . 8 . I t i n d i c a t e s t h a t t h o u g h t h e r e i s a h i g h l y d i s t o r t e d l o a d c u r r e n t , w h e n t h e A P F i s i n a c t i o n . s o u r c e d e l i v e r s a c u r r e n t w i t h a l m o s t s i n u s o i d a l w a v e f o r m . F i g u r e 5 . 9 s h o w s t h e s o u r c e c u r r e n t w a v e f o r m t o g e t h e r w i t h t h e h a r m o n i c s p e c t r u m . T h e h i g h e s t h a r m o n i c c u r r e n t i n t h a t c a s e i s 4 % . I t d e n o t e s w h e n t h e A P F i s o n , t h i r d a n d f i f t h h a r m o n i c s h a v e J b e c o m e 4 % a n d 2 % r e s p e c t i v e l y , w h e r e a s t h o s e w e r e 4 0 % a n d I 0 % r e s p e c t i v e l y w i t h o u t f i l t e r i n g . 5 0 2 5 ~ 5 o _ : § _ 0 ' " O l U i - 2 5 - 5 0 0 . 0 8 0 1 0 . 1 2 0 1 4 t i m e ( s ) - 4 ~ fundame~tal ( 5 0 H z ) = 3 8 5 9 " 0 o _ E 3 0 ( ) N I 0 2 e n 0 ~1 O l < 1 l ; : ; : 0 . · · · · · · · · · · ' . 0 1 0 0 2 0 0 . • . . . . . . . . . ! . 1 . • . • • • • • . . 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 F r e q u e n c y ( H z ) 0 1 6 0 1 8 0 2 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 F i g u r e 5 . 9 S o u r c e C u r r e n t w a v e f o r m t o g e t h e r w i t h t h e H a r m o n i c S p e c t r u m F o r c o m p a r i s o n . t h e h a r m o n i c s p e c t r u m s w i t h a n d w i t h o u t A P F i n a c t i o n a r e g i v e n i n F i g u r e 5 . 1 0 . I m m e n s e r e d u c t i o n i n h a r m o n i c s c a n b e o b s e r v e d w h e n A P F i s i n a c t i o n . 6 3 . . . . . _ S o u r c e c u r r e n t \ V i t h o u t A P F a c t i o n - 4 0 ~undame~tal ( 5 0 H z ) c = 4 1 4 9 Q ) c 0 @ - 3 0 0 ( ) N ; 2 0 " ' 0 ~ 1 0 I _ _ _ _ _ _ I O l t r o _ _ I : ; ; 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 F r e q u e n c y ( H z ) S o u r c e c u r r e n t \ Y i t h A P F a c t i o n . . 4 0 ' e Q ) c 8 _ 3 0 E 0 ( ) ~ 2 0 0 " ' 0 l 1 0 O l r o : ; : : l _ _ _ _ _ _ _ _ _ l 0 . . . . . . . . . . . . · · · · · · · · · . . . . . 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 F r e q u e n c y ( H z ) F i g u r e 5 . 1 0 H a r m o n i c s p e c t r u m s w i t h a n d w i t h o u t A P F i n a c t i o n T a b l e 5 . 1 s u m m a r i z e s t h e s o u r c e c u r r e n t h a r m o n i c e f f e c t s w i t h a n d w i t h o u t t h e a c t i o n o f A P r . S i m u l a t i o n r e s u l t s o b t a i n e d b e f o r e a n d a f t e r t h e a p p l i c a t i o n o f h a r m o n i c f i l t e r s s h o w A P r c a n b e e m p l o y e d t o c o n t r o l h a r m o n i c s i n c o m m e r c i a l b u i l d i n g s . e f f e c t i v e l y . I P r o p e r t y W i t h o u t A P r W i t h A P F P e r c e n t a g e 3 " 1 h a r m o n i c s w i t h 4 0 % ( 1 3 . 4 A ) 4 % ( 1 . 5 A ) r e s p e c t t o f u n d a m e n t a l - - - · - P e r c e n t a g e 5 1 1 1 h a r m o n i c s w i t h 8 % ( 2 . 7 A ) 2 % ( 0 . 7 5 A ) , r e s p e c t t o f u n d a m e n t a l --···~- ~Percentage i 1 1 h a r m o n i c s w i t h I r e s p e c t t o f u n d a m e n t a l 9 % ( 3 . 0 A ) n e g l i g i b l e P e r c e n t a g e 9 u 1 h a r m o n i c s w i t h 1 2 % ( 4 . 0 A ) N e g l i g i b l e r e s p e c t t o fundament~! - - - - - - - - - - - - - - - W a v e f o r m H i g h l y D i s t o r t e d A l m o s t S i n u s o i d a l T a b l e 5 . 1 C o m p a r i s o n o f s o u r c e c u r r e n t w i t h a n d w i t h o u t f i l t e r i n g a c t i o n 6 4 C h a p t e r 6 C o n c l u s i o n 6 . 1 C o n c l u s i o n s j O n e o f t h e o b j e c t i v e s o f t h i s p r o j e c t w a s t o i n v e s t i g a t e t h e q u a l i t y o f e l e c t r i c p o w e r s u p p l y o f U v a P r o v i n c i a l C o u n c i l . T h e l o g g e d d a t a r e v e a l e d t h a t t h e T o t a l D e m a n d D i s t o r t i o n . a s w e l l a s t h e i n d i v i d u a l C u r r e n t H a r m o n i c D i s t o r t i o n a r e b e y o n d t h e l i m i t s p r e s c r i b e d b y I E E E s t a n d a r d 5 1 9 - 1 9 9 2 . T h e m a i n d i s t o r t i o n c o n s i s t s o f o d d m u l t i p l e s o f t h e f u n d a m e n t a l c o m p o n e n t ( 5 0 H z ) a n d o c c u r s i n a f r e q u e n c y r a n g e u p t o 1 k H z . M o r e o v e r . i t w a s o b s e r v e d t h a t t h e V o l t a g e T o t a l H a r m o n i c D i s t o r t i o n w a s w i t h i n p r e s c r i b e d l i m i t s . P r e s e n c e o f e x c e s s i v e h a r m o n i c s c o u l d r e s u l t e q u i p m e n t f a i l u r e , m a l - f u n c t i o n i n g a n d p r e - a g i n g . A d d i t i o n a l l o s s e s d u e t o t h e h a r m o n i c s i n t h e p o w e r s y s t e m a r e l e s s t h a n o n e t e n t h o f a p e r c e n t o f t h e t o t a l a c t i v e p o w e r f l o w . B u t i n l o n g t e r m t h e e f f e c t i s s i g n i f i c a n t . A n a l y s i s o f v a r i o u s h a r m o n i c m i t i g a t i o n t e c h n i q u e s r e v e a l e d t h a t t h e s h u n t A P F w i t h v o l t a g e - f e d P W M l i n e a r c o n t r o l u n i t i s s u i t a b l e f o r m i t i g a t i n g t h e h a r m o n i c s a t U P C b u i l d i n g . T h e s t r a t e g y s u i t a b l e f o r h a r m o n i c d e t e r m i n a t i o n i s n o t c h f i l t e r i n g a n d t h e p o w e r c i r c u i t a p p r o p r i a t e i s a v o l t a g e - f e d P W M i n v e r t e r . S e l e c t e d c o n f i g u r a t i o n w a s m o d e l e d , a n d a n e x a m p l e s i m u l a t i o n w a s d o n e u s m g M A T L A B I S i m u l i n k e n v i r o n m e n t . T h e r e s u l t s r e v e a l t h a t a c t i v e p o w e r f i l t e r s c a n b e u s e d s u c c e s s f u l l y t o m i t i g a t e t h e h a r m o n i c s p r o d u c e d b y n o n - l i n e a r l o a d s . H o w e v e r , t h e l o c a t i o n o f h a r m o n i c r e d u c t i o n e q u i p m e n t w i t h i n t h e b u i l d i n g w i r i n g i s c r u c i a l f o r e f l e c t i v e n e s s . T h e g r e a t e s t p o t e n t i a l f o r l o s s r e d u c t i o n a n d h a r m o n i c m i t i g a t i o n c a n b e a c h i e v e d t h r o u g h f i l t e r i n g t h e h a r m o n i c s n e a r t h e h a r m o n i c g e n e r a t i n g l o a d s , w h i l e i n s t a l l a t i o n s n e a r t h e s e r v i c e e n t r a n c e m a y b e o f l i t t l e v a l u e . 6 5 . . . I n t h i s r e s e a r c h , d a t a w e r e c o l l e c t e d u s i n g l i m i t e d r e s o u r c e s w i t h i n a l i m i t e d p e r i o d . T h e r e a r e s e v e r a l p o s s i b l e s o u r c e s o f e r r o r w h e n a n a l y z i n g t h e m o n i t o r e d d a t a , n o t o n l y t h e t e c h n i c a l m e a s u r e m e n t , d u e t o h a r m o n i c i n t e r a c t i o n i n t h e s y s t e m . H o w e v e r . p r o p e r m o n i t o r i n g t h e d i s t o r t i o n i s i m p o r t a n t t o g e t r e a l d a t a o f t h e h a r m o n i c s a m p l i t u d e a n d p h a s e a n g l e a n d o f t h e v a r i a t i o n o v e r t h e t i m e . i . e . t h e d a y , w e e k o r y e a r . . # 6 . 2 R e m a r k s a n d D i s c u s s i o n T h e s u r v e y w a s c o n d u c t e d i n a t y p i c a l o f f i c e b u i l d i n g w i t h m a n y c o m p u t e r s c o n n e c t e d . T h e d a t a o b t a i n e d f r o m c a s e s t u d y i n d i c a t e s t h a t i t c o u l d b e a p r o b l e m c o m m o n l y f o u n d i n m u c h s i m i l a r o f f i c e b u i l d i n g i n S r i L a n k a . P r o b l e m s o f h a r m o n i c s f r o m n o n l i n e a r l o a d s c o n t i n u e t o g r o w w i t h m o d e r n o f f i c e b u i l d i n g s . T h i s w o r k m a y a l e r t t h e e l e c t r i c a l e n g i n e e r s i n t e r e s t e d i n P o w e r Q u a l i t y i s s u e s , a s w e l l a s t h o s e u n a w a r e o f i t b y e m b r a c i n g a l a r g e n u m b e r o f a s p e c t s r e l a t e d w i t h t h i s s u b j e c t . T h i s a n a l y s i s m a y p r o v i d e u s e f u l i n f o r m a t i o n i n t h e f u t u r e d i m e n s i o n i n g a n d p r o j e c t o f t h e e l e c t r i c a l i n s t a l l a t i o n i n t h e f a c i l i t y b u i l d i n g s . 6 6 . . R e f e r e n c e s : [ 1 ] R . C . D u g a n , M . F . M a c G G r a n a g h a m , S . S a n t o s o a n d H . W . B e a t y . E l e c t r i c a l P o w e r s y s t e m Q u a l i t y , M c G r a w H i l l , 2 0 0 4 , p p . 2 2 5 - 2 7 2 [ 2 ] I E E E R e c o m m e n d e d P r a c t i c e s a n d R e q u i r e m e n t s f o r h a r m o n i c c o n t r o l i n E l e c t r i c a l P o w e r S y s t e m s . I E E E S t a n d a r d 5 1 9 , 1 9 9 2 . [ 3 ] J . A r r i l l a g a , N . R . W a t s o n , P o w e r S y s t e m H a 1 1 1 1 o n i c s , S e c o n d E d i t i o n , J o h n W i l e y & S o n s L t d , 2 0 0 3 , p p . 2 1 9 - 2 6 0 [ 4 ] I E E E R e c o m m e n d e d P r a c t i c e f o r M o n i t o r i n g E l e c t r i c P o w e r Q u a l i t y . I E E E S t d 1 1 5 9 - 1 9 9 5 [ 5 ] L . S . C z a r n e c k i , " A n O v e r v i e w o f M e t h o d s o f H a r m o n i c S u p p r e s s i o n m D i s t r i b u t i o n S y s t e m s , " 2 0 0 0 I E E E P E S S u m m e r M e e t i n g , S e a t t l e , U S A [ 6 ] F . Z . P e n g . a n d D . J . A d a m s , H a r m o n i c S o u r c e s a n d F i l t e r i n g A p p r o a c h e s . O a k R i d g e N a t i o n a l L a b o r a t o r y , P P . 4 4 8 - 5 5 3 [ 7 ] 1 2 1 I E E E C 5 7 . 1 2 . 0 0 - 1 9 8 7 , I E E E S t a n d a r d G e n e r a l R e q u i r e m e n t s f o r L i q u i d - I m m e r s e d D i s t r i b u t i o n . P o w e r , a n d R e g u l a t i n g T r a n s f o r m e r s [ 8 ] H a r m o n i c r e g u l a t i o n s f o r i n s t a l l a t i o n s a n d s u p p l y s y s t e m s . E l e c t r i c i t y A s s o c i a t i o n E n g i n e e r i n g R e c o m m e n d a t i o n G 5 / 3 - L i m i t s f o r h a r m o n i c s i n t h e U n i t e d K i n g d o m e l e c t r i c i t y s u p p l y s y s t e m [ 9 ] J . C . D a s , " P a s s i v e F i l t e r s - P o t e n t i a l i t i e s a n d L i m i t a t i o n s , " I E E E T r a n s . o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s , v o l . 4 0 , n o . 1 , p p . 2 3 2 - 2 4 1 . 2 0 0 4 . [ 1 0 ] Z . S a l a m , T . P . C h e n g a n d A . J u s o h , " H a r m o n i c M i t i g a t i o n U s i n g A c t i v e P o w e r F i l t e r : A t e c h n o l o g i c a l R e v i e w , ' ' E l e c t r i k a , v o l . 8 , N o . 2 , p p . 1 7 - 2 6 , 2 0 0 6 . [ 1 1 ] B . S i n g h . K . A l - H a d d a d a n d A . C h a n d r a , " A R e v i e w o f A c t i v e F i l t e r s f o r P o w e r Q u a l i t y I m p r o v e m e n t , " I E E E T r a n s . o n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s , v o l . 4 6 , n o . 5 . p p . 9 6 0 - 9 7 1 , 1 9 9 9 6 7 . . . . [ 1 2 ] M . H . R a s h e e d , P o w e r E l e c t r o n i c s H a n d b o o k , A c e d e m i c P r e s s , 2 0 0 1 , p p . 8 2 9 - 8 5 0 [ 1 3 ] J . A f o n s o , C . C o u t o a n d J . M a r t i n s , " A c t i v e f i l t e r s w i t h c o n t r o l b a s e d o n t h e P - Q t h e o r y , " I E E E I n d u s r i a l E l e c t r o n i c s S o c i e t y N e - w s l e t t e r , v o l . 4 7 , n o . 3 , p p . 5 - l 0 . S e p t . 2 0 0 0 . [ 1 4 ] H . A k a g i , " N e w t r e n d s i n A c t i v e F i l t e r s f o r P o w e r c o n d i t i o n i n g , " I E E E T n s a c t i o n O n I n d u s t r i a l A p l i c a t i o n s , V o l . 3 2 , N e > 6 , N o v e m b e r / D e c e m b e r 1 9 9 6 [ 1 5 ] M . - Y . C h a n , K . K . F . L e e a n d M . W . K . F u n g , " A C a s e S t u d y S u r v e y o f H a r m o n i c C u r r e n t s G e n e r a t e d f r o m a C o m p u t e r C e n t r e i n a n O f f i c e B u i l d i n g . " A r c h i t e c t u r a l S c i e n c e R e v i e w , v o l . 5 0 . 3 , p p . 2 7 4 - 2 8 0 , 2 0 0 6 [ 1 6 ] J . A f o n s o , M . A r e d e s , E . W a t a n a b e a n d J . M a r t i n s , · ' S h u n t A c t i v e F i l t e r f o r P o w e r Q u a l i t y I m p r o v e m e n t , " P r o c e e d i n g s o f I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e ( U I E 2 0 0 0 ) o n E l e c t r i c i t y f o r a S u s t a i n a b l e U r b a n D e v e l o p m e n t , L i s b o a , P o r t u g a l , 1 - 4 N o v e m b e r 2 0 0 0 , p p . 6 8 3 - 6 9 1 [ 1 7 ] N . H . D . W a n i g a r a t n e , " I n v e s t i g a t i o n o f h a r m o n i c s e f f e c t s i n p o w e r s y s t e m s a n d m i t i g a t i o n t e c h n i q u e s , " M . S c T h e s i s , d e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g o f t h e U n i v e r s i t y o f M o r a t u w e , S r i L a n k a , 2 0 0 5 . [ 1 8 ] T . M e s s i k h , S . M e k h i l e f , a n d N . A . R a h i m , " A d a p t i v e N o t c h F i l t e r f o r H a r m o n i c C u r r e n t M i t i g a t i o n , " I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g 1 : 4 , p p . 2 4 0 = 2 4 6 , 2 0 0 8 [ 1 9 ] S . B u s o , L . M a l e s a n i a n d P . M a t t a v e l l i , ' ' C o m p a r i s o n o f C u r r e n t C o n t r o l T e c h n i q u e s f o r A c t i v e F i l t e r A p p l i c a t i o n s , " I E E E T r a n s . o n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s , V o l . 4 5 , N o . 5 , p p . 7 2 2 - 7 2 9 , 1 9 9 8 . [ 2 0 ] S . A . Q u r e s h i , A . H a s s a n a n d A . T a l i b , " D e s i g n a n d S i m u l a t i o n o f H a r m o n i c F i l t e r s U s i n g M A T L A B ® S o f t w a r e , " U . E . T L a h o r e , 1 9 9 9 [ 2 1 ] P o w e r s y t e m B l o c k s e t f o r u s e w i t h S i m u l i n k , u s e r s g u i d e , v e r s i o n 1 , H y d r o - Q u e b e c T E Q S I M I n t e r n a t i o n a l 6 8 . . . . . . . . . . l 2 2 ] C h a n d r a S e k a r a n , P . N a d a r , A n b a l a g a n _ C . P a l a n i s a m y , " A n a l y s i s a n d S i m u l a t i o n o f a N e w S h u n t A c t i v e P o w e r F i l t e r U s i n g C a s c a d e d M u l t i l e v e l l n v e r e t e r . " J o u r n a l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g , V o l . 5 8 , N o . 5 , p p . 2 4 1 - 2 4 9 , 2 0 0 7 . J 6 9 L o a d R e a d i n g U v a P r o v i n c i a l C o u n c i l , B a d u l l a C E B L o a d r e a d i n g s , Y e a r 2 0 0 8 / 2 0 0 9 A c c o u n t N u m b e r : 3 6 7 0 1 0 1 0 9 8 . . N o . O f u n i t s M o n t h N o . o f C o n s u m e d D a y s - - k W H k V A S e p t e m b e r 2 9 1 7 0 4 2 2 0 1 O c t o b e r 3 3 2 2 5 0 0 2 0 7 N o v e m b e r 3 0 1 9 4 4 0 1 9 4 D e c e m b e r 3 1 2 2 4 7 4 1 8 8 J a n u a r y 3 3 2 1 6 4 4 1 9 5 F e b r u a r y 3 7 2 3 5 5 2 2 1 3 M a r c h 2 5 1 6 9 6 6 2 0 3 A p r i l 2 9 1 6 3 7 6 1 9 9 M a y 3 4 2 4 3 0 8 2 0 8 ' J u n e 3 1 2 5 2 5 6 2 0 8 J u l y 2 6 1 6 4 5 2 2 0 8 A u g u s t 2 9 1 8 9 7 8 1 6 5 i i - /\I r·r ( c r ,,- C <: j,\~-'r"f"'•77'7 "",r_ }-(•t...l_•t.,. 6:J::J(-Urlf·6T 'U: s:Joz--un ·-sT 6JJ(·Uni·6T 'U: s::nz-ur,··sT 'J:: 6JJZ'·'.'t'"·6T 6JJ(-un:-s:: 'u: 'U- 6JJ(;·Cni-6T 'U:: 6JJ(-urr·6T tJ: 6JJz-unr-6T 'u: 'U- 6JJ(·\..t!f·6T U: s::);)z-un'"-6T 'u: 6:JJZ·\.T ··6T 'U: 6J:}(;·tW"·6T '1.!: 6:J:J("-un··6T ·u: 6Ci:J(·Uni·6T 'u::: 6QCJZ·';nr·6T u:: s:Joz-vr ·-sT 'u: 6CIJ(·UN·6T 'U: 6:J:)(·<.:n,-·6T 'U:: 6:JDZ·t..:r·,··6T 't.l:: 6JDZ·Ur'·6T 'U: 6JCI('·i,;f'i"·6T U:: 6J:Jz-u·:··6T ':.t:: 6J:J(·L:r··6T 'U:: l\c J~:so:z 6DJZ·I .. r·r-6T ··u: l:\c Q:J:s:):c 6J:JZ·l:N-6T 'u:: V\ic :)JIL:):l 6:J:Jz-ur··6T ':J- l•\c :)::;:g:):( 6J:)(·t.:r···6T 'U: C u r r e n t h a r m o n i c s s p e c t r u m c a p t u r e d a t U P C b u i l d i n g a l m A 6 : l b I I I · : : : l l i ! m 1 ~ ~ R M S F o n d . 9 8 . e 9 7 . 6 I I P r e u . c h a n n e l A I I N e x t c h a n n e l t : I n c r e a s e s c a l e ! : D e c r e a s e s c a l e t - . . 1 A l t F 1 : N e x t p a g e C l i [ [ [ [ [ [ [ ! [ [ [ [ [ [ [ [ [ i [ [ [ [ [ [ [ i [ [ [ [ [ [ [ [ [ i : [ i [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ i [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ i [ [ i [ [ i [ i [ [ [ [ [ [ i [ [ i [ [ i [ i [ i i [ [ [ i [ [ i [ [ i [ [ [ [ i [ i [ i [ [ i [ [ i [ [[ i [ [ i [ i [ [ i [ [ i [ [ [ i [ [ i [ i [ [ i [ [ i [ [ i [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ i [ [ i [ i [ [ i [ [ i [ [ i [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ i m I A I t F 2 : N u 1 1 1 e r i c H a r 1 1 1 o n i c s i n g r a p h i c 1 1 1 o d e T = - 1 9 9 . 4 I T I S E u e n t : U P C U V A S a t u r d a y 2 2 ; 9 8 ; 9 9 9 9 : 4 1 : 1 7 : 7 6 M o d e : L F : M A N U A L g R M S F o n d . ! I l l A 6 : l b 9 8 . e 9 7 . 6 A I l l P r e u . c h a n n e l : i ; l l I a I 1 I 2 I 3 I 4 I s I 6 I 7 I 8 I 9 I I l l N e x t c h a n n e l I I I I I a 1 I 1 e . e l 2 . s 1 e . e l s . 2 1 e . e l 1 . 2 1 e . 2 1 2 . 1 :::~ i ! l ; 1 9 e . e 4 . 5 e . e 9 . 1 9 . 3 1 . 7 e . e e . ? e . e 1 . 9 i i f i I I t - . . I · I I : 2 e e . e 1 . 1 e . e e . 8 e . e e . 8 e . e e . s e . e 9 . 6 1 I 1 3 9 1 e . e l e . 6 1 e . e l e . s l e . e l e . s l e . e l e . 1 1 e . e l e . 3 1 U . i l : 1 4 e 1 e . e l e . e l e . e l e . e l e . e l e . e l e . e l e . 3 1 e . e l e . a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I 1 s a 1 e . e l e . 3 1 e . e l e . 4 1 e . s l e . 1 1 e . e l e . 2 1 e . e l e . e I 1 6 e 1 e . e l e . e l e . e l e . 3 1 T o t a l r a t e : 8 . 3 I I A i t F l : " ' x t . . . . ~ A l t F 2 : G r a p h H a r 1 1 1 o n i c s i n n u 1 1 1 e r i c a l u a l u e s T = - 1 9 9 . 4 I T I S E u e n t : U P C U V A S a t u r d a y 2 2 1 9 8 ; 9 9 9 9 : 4 1 : 1 ? : 7 6 M o d e : L F : M A N U A L v i T r u e p o w e r f a c t o r g r a p h 1 2 : 0 0 : 0 0 P M N l . ~ T u e . 2 3 - J u n · 2 0 0 9 . 1 1 ; 2 9 ; 3 0 A N W e d . 2 4 . . . 1 . . , . 2 0 0 9 , 0 4 : 5 7 : 2 5 A N W e d . 2 4 . . . 1 u n - 2 0 0 9 , 1 0 : 2 D i s p l a c e m e n t p o w e r f a c t o r g r a p h P M N l . P M 0 6 : 0 0 : 1 T u e . 2 3 . J . , . . . 2 0 0 9 . 1 1 : 2 9 : 3 0 A N W e d . 2 4 . 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