Thevenin and Norton equivalent models of grid converters for harmonic modeling

No Thumbnail Available
Files
Jokinen_Joni_2024.pdf (1.75 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Date
2024-05-26
Department
Major/Subject
Elektroniikka ja sähkötekniikka
Mcode
ELEC3013
Degree programme
Sähkötekniikan kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
34
Series
Abstract
Harmonics are unwanted frequency components in electrical systems that can lead to various issues such as overheating. They have posed a significant problem in power distribution systems for decades, leading the development of numerous international and national standards. These standards specify the maximum amount of each harmonic component and total harmonic distortion at the point of common coupling (the connection point between customers and utilities). Each electrical device or customer can be connected to the simulation software using the corresponding Norton or Thevenin model. These models represent circuits with a single source and impedance, calculated separately for the fundamental frequency and each harmonic component. This thesis presents two different calculation methods to create Norton's model for a three-phase grid converter based on measured harmonic phase currents and voltages from hardware-in-loop simulating software and compares the results. The first method assumes the impedance to be the same as the LCL filter impedance of the converter, treating the inverter as an ideal voltage source. The second method involves a difference in the network impedance, resulting in two different sets of measurement results. By assuming the inverter as the same ideal Thevenin model in both measurement sets, it is possible to calculate the Thevenin voltage source and impedance for each frequency component separately. The harmonics generated by the models were compared with the measured harmonics from the hardware-in-loop (HIL) simulation. The results indicate that models from both methods generate a higher amount of harmonics compared to the measured ones. However, this can be acceptable as it represents a worst-case scenario.

Harmoniset yliaallot ovat ei-toivottuja taajuuskomponentteja sähköjärjestelmissä. Nämä vääristymät voivat aiheuttaa esimerkiksi laitteiden ylikuumentumista tai valojen vilkuntaa. Harmoniset yliaallot voidaan esittää siniaaltojen Fourier-sarjana, joiden taajuus on perustaajuuden kokonaislukukerrannainen. Perustaajuus Suomen sähkönverkossa on 50 Hz. Harmoniset yliaallot ovat olleet suuri ongelma sähköverkossa vuosikymmeniä, mikä on johtanut useiden kansainvälisten ja kansallisten standardien laatimiseen. Nämä standardit määrittävät muun muassa harmonisen kokonaissärön (total harmonic distortion, THD) liittämiskohdassa (point of common coupling, PCC). PCC on piste, jossa eri sähköverkon käyttäjät ja laitteet ovat kytkettynä toisiinsa, sekä sähköverkkoon. Standardeissa ollaan kiinnostuneita PCC pisteeseen syötettyyn tai siitä otettuun sähkön laatuun esimerkiksi harmonisiin yliaaltoihin. Sähköverkkoa ja siihen kytkettyjä laitteita mallinnetaan erilaisissa simulointiohjelmissa, joissa sähkön laatua ja harmonisia yliaaltoja voidaan tarkastella jokaisessa sähköverkon pisteessä erikseen. Simulointiohjelmiin voidaan liittää jokainen yksittäinen sähkölaite tai komponentti sitä vastaavalla Nortonin tai Thevenin mallilla. Näiden mallien avulla jokainen lineaarisista komponenteista koostuva piiri voidaan esittää yhden lähteen ja impedanssin avulla. Mallit luodaan laskemalla ekvivalentti impedanssi ja lähde perustaajuudelle, sekä jokaiselle harmoniselle komponentille erikseen. Moni verkkoon liitettävä tehoelektroniikkalaite sisältää kuitenkin epälineaarisia komponentteja, jolloin täytyy muodostaa lineaarinen piensignaalivastinpiiri tietylle toimintapisteelle. Tämän jälkeen voidaan muodostaa Thevenin ja Nortonin mallit analyyttisesti tai mittaamalla, joko oikeasta laitteesta tai simulointiympäristöstä. Suuntaajien epäideaalisuuksista, epälineaarisuuksista ja kompleksisuudesta johtuen mallit muodostetaan yleensä mittaamalla virrat sekä jännitteet. Tämä kandidaatintyö esittelee, käyttää ja vertailee kahta erilaista laskutapaa Thevenin ja Nortonin mallien muodostamiseen 3-vaiheiselle verkkosuuntaajalle. Ensimmäinen laskutapa perustuu oletukseen, että Thevenin impedanssi on sama kuin suuntaajan alipäästö suodattimen impedanssi suuntaajan ollessa ideaalinen jännitelähde. Tällä oletuksella pystytään laskemaan Thevenin jännitelähteen arvo ja muuntamaan se Nortonin ekvivalentiksi. Toinen laskutapa perustuu verkon impedanssin muuntamiseen, jolloin saadaan kaksi eri mittaustulosta. Olettamalla suuntaaja samaksi ideaaliseksi Thevenin malliksi molemmissa mittaustuloksissa, pystytään laskemaan Thevenin jännitelähde ja impedanssi jokaiselle taajuuskomponentille erikseen. Mallien tuottamia harmonisia vertailtiin toisiinsa ja todellisiin mitattuihin harmonisiin kytkemällä ne verkkoa esittävään kuormaan ja laskemalla näiden tuottamat harmoniset virrat ja jännitteet liityntäpisteeseen. Mallien tuottamat harmoniset olivat todella lähellä toisiaan, mutta kuitenkin suurempia kuin simulointiympäristössä laitteesta mitatut. Tuloksista voidaan päätellä, että mallit tarjoavat suuntaa antavia ja ”pahimman tilanteen” tuloksia, mikäli mittaustulokset valitaan tarkasti. Jatkotutkimuksena voisi olla muiden laskentamenetelmien kuten analyyttisen- tai injektointimenetelmän vertailu.
Description
Supervisor
Turunen, Markus
Thesis advisor
Hinkkanen, Marko
Keywords
converter, harmonics, inverter, Norton, point of common coupling, Thevenin
Other note
Citation