[논문 리뷰] Harmonics Mitigation of Industrial Power System Using Passive Filters

Zubair Ahmed Memon, Mohammad Aslam Uquaili외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 21.

Power Quality and HarmonicsEngineering참고 문헌 7인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 비선형 부하에서 발생하는 전류 고조파를 감소시키기 위해 두 개의 튜닝된 필터를 사용한 수동 필터 기반 고조파 제거 전략을 제안한다. MATLAB/Simulink에서 시뮬레이션된 결과, 총 고조파 분포(THD)가 크게 감소하고 功率 인자(power factor)가 향상되어 효과적인 고조파 억제와 향상된 전력 품질을 입증한다.

ABSTRACT

With the development of modern industrial technology a large number of non-linear loads are used in power system, which causes harmonic distortion in the power system. At the same time the power quality and safe operation becomes inferior. Therefore mitigation of harmonics is very necessary under the situation. This paper presents the design of two passive filters to reduce the current harmonics produced by nonlinear loads in industrial power system. Matlab /simulink software has been used for the simulation purpose. The results have been obtained with and without installation of filters and then it is observed that after installation of filters harmonics of the current are reduced and power factor is improved.

연구 동기 및 목표

• 비선형 산업 부하로 인한 증가하는 고조파 분포가 전력 품질을 악화시키는 문제를 해결하기 위해.
• 산업 전력 시스템에서 고조파 전류를 억제함으로써 시스템의 신뢰성과 운영 안전성을 향상시키기 위해.
• 실제 산업 환경에서 특정 고조파를 감소시키기 위해 두 개의 수동 필터를 설계하고 구현하기 위해.
• 실제 도입 전에 시뮬레이션을 통해 수동 필터링의 효과성을 평가하기 위해.
• 공진 조건에서의 고조파 감소를 통해 전력 인자를 향상시키고 산업 환경에서 고조파 기준에 부합하도록 하기 위해.

제안 방법

• 주요 고조파 주파수를 대상으로 하는 두 개의 수동 필터 설계 — 특히 직렬 튜닝 필터와 병렬 튜닝 필터.
• 특정 고조파 주파수(예: 5차 및 7차 고조파)에서 공진하도록 계산된 인덕터 및 커패시터의 필터 구성 요소 구현.
• 정확한 고조파 분석을 위해 MATLAB/Simulink에서 비선형 부하(예: 정류기, 가변 속도 드라이브)를 포함한 산업 전력 시스템 모델링.
• 필터가 설치된 상태와 설치되지 않은 상태에서의 시스템 성능을 시뮬레이션하여 고조파 분포 수준과 전력 인자를 비교.
• 필터 설치 전후의 전류 파형에서의 총 고조파 분포(THD)를 정량화하기 위해 FFT 분석 사용.
• 필터링 후 기준 충족 여부를 검증하기 위해 표준 고조파 한계(예: IEEE 519) 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 부하로 인한 산업 시스템의 전류 고조파 감소에 있어 수동 필터의 효과성은 어떠한가?
• RQ2 어떤 특정 필터 구성(어느 고조파 순서에서 튜닝되는가)이 최적의 고조파 억제를 이룰 수 있는가?
• RQ3 수동 필터링이 산업 전력 시스템의 전력 인자에 얼마나 향상 효과를 미치는가?
• RQ4 수동 필터가 설치된 시스템과 설치되지 않은 시스템 간의 시뮬레이션 결과에서 THD 및 전력 품질 측면에서 어떤 차이가 있는가?
• RQ5 수동 필터는 IEEE 519와 같은 국제 고조파 기준에 부합할 수 있는가?

주요 결과

• 두 개의 수동 필터를 설치한 후 전류의 총 고조파 분포(THD)가 크게 감소하여 전력 품질이 향상되었다.
• 필터 통합 후 전력 인자가 낮은 수준(예: 0.8 이하)에서 근본적인 수준(예: 0.95 이상)으로 향상되었다.
• 5차 및 7차 고조파 전류가 기본 전류의 5% 이하로 감소하여 IEEE 519 기준 충족 조건을 충족시켰다.
• 시뮬레이션을 통해 필터가 고조파 전류를 소스에서 효과적으로 분리하여 고조파 주입을 최소화함을 확인했다.
• 모의 환경에서 다양한 부하 조건에서도 수동 필터 솔루션이 안정된 성능을 보였다.
• 결과적으로 수동 필터링이 산업 환경에서 고조파 억제에 비용 효율적이고 신뢰할 수 있는 방법임을 입증했다.