Effects of the voltage unbalance on power factors considering the fairness perspective for billing purposes
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| Data de Publicação: | 2023 |
| Tipo de documento: | Tese |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Institucional da UnB |
| Texto Completo: | http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/48389 |
Resumo: | Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2023. |
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Effects of the voltage unbalance on power factors considering the fairness perspective for billing purposesDistorções harmônicasFator de potênciaPolíticas de cobrançaTese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2023.O esperado crescimento de geradores fotovoltaicos distribuídos e veículos elétricos nos próximos anos traz desafios para a qualidade da energia em redes de distribuição, como o aumento potencial da distorção harmônica e desequilíbrio de tensão. Esses fenômenos têm vários efeitos indesejados nos equipamentos conectados à rede, especialmente motores de indução. No entanto, ainda não há um consenso sobre as definições corretas relacionadas à potência, como potência reativa e fator de potência (FP), bem como seus métodos de medição apropriados quando a tensão é desequilibrada ou não senoidal. Como resultado, medidores comerciais podem fornecer medidas diferentes para a mesma carga e condições de fornecimento, potencialmente levando a cobranças injustas de FP. Este trabalho avalia definições de FP existentes e seus métodos de medição, considerando a perspectiva de justiça para fins de faturamento em condições de tensão não senoidal e desequilibrada. Aqui, a noção de justiça é no sentido de que o medidor (construído com base em uma definição e método de medição específicos) sob um fornecimento não ideal deve levar a valores muito próximos aos obtidos caso estivesse submetido a tensões senoidais equilibradas ideais. Em outras palavras, uma definição justa de FP deve depender exclusivamente dos parâmetros da carga, não da qualidade do fornecimento. A investigação de justiça considerou simulações computacionais com a aplicação de diferentes condições de tensão no ponto de conexão de duas cargas de impedância constante, um motor de indução trifásico (MIT) e um conjunto desequilibrado de lâmpadas de diodo emissor de luz (LED). Em seguida, os resultados das simulações foram examinados experimentalmente usando uma fonte de tensão controlada, um motor de indução trifásico, uma carga mecânica (gerador DC e um resistor configurável), um computador e um sensor de velocidade. Por fim, uma investigação analítica foi realizada com uma carga de impedância constante. Os resultados das simulações e experimentos mostram que uma definição de FP que leva a uma cobrança justa para uma impedância constante equilibrada pode não proporcionar uma cobrança justa para um MIT ou um conjunto de lâmpadas LED quando alimentado com tensões de qualidade inferior. Além disso, este trabalho determinou as definições mais justas de FP e caracterizou a classe de seus algoritmos de medição correspondentes para medir o FP de uma impedância constante equilibrada e um MIT submetido a uma ampla gama de tensões desequilibradas não senoidais. Para as lâmpadas LED, nenhuma das definições existentes mostrou-se independente do fornecimento de tensão. Notavelmente, apesar de ser recomendado pelo IEEE Standard 1459-2010, o fator de potência efetivo não foi uma definição adequada para as condições de fornecimento investigadas aplicadas ao MIT. Os resultados da investigação analítica revelam que todas as definições investigadas são, na verdade, funções não lineares do fator de desequilíbrio de tensão (VUF) e das admitâncias da carga. Em outras palavras, utilizar essas cinco definições de FP na presença de desequilíbrios de tensão e carga pode levar a cenários de cobrança injusta tanto para a concessionária quanto para o cliente. Também são propostos novos fatores de admitância que podem ser utilizados para fins de faturamento, pois não dependem do desequilíbrio de tensão, mas apenas das características da carga.The expected growth of distributed photovoltaic generators and electric vehicles in the coming years brings challenges to power quality in distribution networks, such as potential increase of harmonic distortion and voltage unbalance. These phenomena have several undesired effects on the grid-connected equipment, especially induction motors. However, there is not yet a consensus regarding the correct power-related definitions, such as reactive power and power factor (PF), as well as their appropriate measurement methods when the voltage is unbalanced or nonsinusoidal. As a result, commercial meters can give different measurements for the same load and supply conditions, potentially leading to unfair PF charges. This work evaluates existing PF definitions and their measurement methods, considering the fairness perspective for billing purposes under unbalanced nonsinusoidal voltage conditions. Here, the fairness notion is in the sense that the meter (built based on a particular definition and measurement method) under a nonideal supply should lead to very close values as if it was submitted to ideal balanced sinusoidal voltages. In other words, a fair PF definition should depend exclusively on the load’s parameters, not supply quality. The fairness investigation considered computational simulations with the application of different voltage conditions at the point of connection of two constant impedance loads, a three-phase induction motor (TIM), and an unbalanced set of light-emitting diode (LED) lamps. In the sequel, the simulations’ findings were experimentally examined employing a controlled voltage source, a three-phase induction motor, a mechanical load (DC generator and a variable resistor), a computer, and a speed sensor. Lastly, an analytical investigation was performed with a constant impedance load. The simulations and experimental results show that a PF definition leading to a fair billing for a balanced constant impedance (the main load investigated in the literature) may not provide a fair billing for a TIM or a set of LED lamps when supplied with poor quality voltages. Additionally, this work has determined the fairest PF definitions and characterized the class of their corresponding measurement algorithms for metering the PF of a balanced constant impedance and a TIM submitted to a wide range of unbalanced nonsinusoidal voltages. For the LED lamps, none of the existing definitions were shown to be independent of the voltage supply. Notably, despite being recommended by IEEE Standard 1459-2010, the effective power factor was not an adequate definition for the investigated supply conditions applied to the TIM. The results of the analytical investigation reveals that all the investigated definitions are actually non-linear functions of the voltage unbalance factor (VUF) and the load’s admittances. In other words, utilizing these five PF definitions in the presence of voltage and load unbalances may lead to unfair billing scenarios for both the utility or the customer. It is also proposed new admittance factors that can be employed for billing purposes because they do not depend on the voltage unbalance but solely on the load’s characteristics.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Elétrica (FT ENE)Programa de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaIshihara, João YoshiyukiFerreira Filho, Anésio de LelesBrasil, Victor do Prado2024-06-24T19:10:31Z2024-06-24T19:10:31Z2024-06-242023-12-21info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfBRASIL, Victor do Prado. Effects of the voltage unbalance on power factors considering the fairness perspective for billing purposes. 2023. 134 f., il. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) — Universidade de Brasília, Brasília, 2023.http://repositorio2.unb.br/jspui/handle/10482/48389engA concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2024-06-24T19:10:31Zoai:repositorio.unb.br:10482/48389Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2024-06-24T19:10:31Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false |
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