Thesis Project: Power Quality Analysis at Murdoch University eng470: Engineering Honours Thesis


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Abdullah2018



Thesis Project: Power Quality Analysis at Murdoch University

ENG470: Engineering Honours Thesis


School of Engineering and Information Technology 
Murdoch University 
Written By: Abdullah Abdullah 
Academic Supervisor: Dr. Ali Arefi 
Unit Coordinators: 
1. Prof. Parisa Bahri 
2. Dr. Gareth Lee 
A thesis submitted to the School of Engineering and Information Technology, 
Murdoch University to fulfil the requirements for the degree of: 
H1264: Bachelor of Engineering Honours [BE(Hons)] 
1. Electrical Power Engineering 
2. Renewable Energy Engineering 
Date: 02/07/2018 



Author’s Declaration 
I, Abdullah Abdullah, do hereby declare that this thesis is an original work and in its entirety 
is a product of my own efforts and commitment to the research of power quality analysis at 
Murdoch University. This report signifies the final component of the mandatory requirements 
for the achievement of a Bachelor’s Degree in Engineering (Honours) majoring in Electrical 
Power and Renewable Energy Engineering. To the best of my ability, I have ensured that all 
relevant sources which have contributed to the ideas within this thesis be it directly or 
indirectly, have been credited and suitably acknowledged. 
Name: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Date: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Signature: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .




Power Quality Analysis at Murdoch University 
iii 
Abstract 
Introduction of new electronic technologies that are more sensitive to disturbances in the 
power network has made it necessary to monitor the quality of power supplied. This project 
presents a study of the power quality at Murdoch University, and aims at identifying the 
causes of poor power quality and provide the solutions to these power quality problems. The 
main objective of this project is to analyse the power quality of the electricity system of 
Murdoch University in order to identify the causes of poor power quality and provide 
solutions to improve the power quality. Furthermore, for all the specific goals that had been 
set before the commencement of this project have all been accomplished. The most common 
power quality issues in most electrical networks globally include voltage sags, voltage swells, 
voltage transients, and frequency harmonics. Other power quality issues that can be 
experienced include voltage flicker, voltage unbalance, inter-harmonics, brownouts, direct 
current, short-term and long-term power interruption. A discussion of all these issues has 
been conducted in this report with their impacts on equipment in the network identified to 
be wear and tear, overheating, tripping of circuit breakers, and improper functioning of 
equipment. The compensating devices that can be used for improving power quality such as 
Active and Passive filters, Distribution Static Compensator, Dynamic Voltage Restorer, and 
Unified Power Quality Conditioner have also been analysed in this report. The direct and 
indirect costs of power quality have been reviewed in this project with the finding that 50 % 
of the global turnover of the electricity sector equating to 500 billion Euros is lost annually 
due to poor power quality. IEEE 519, AS/NZS 61000.3.2.2003, ANSI C84.1, IEEE 1459, EN 
50160, and IEC 61000 are some of the power quality standards that have been discussed in 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
iv 
this project. Based on the data collected from Murdoch University, particularly from 1.330, in 
substation 12, South Street Building 330, chancellery. Subsequently, the power quality 
problems experienced at the institution include voltage unbalance of 0.295 or 0.3486 % based 
on NEMA and IEC formula respectively, a 42.26 % current unbalance, distortions in current 
angle, power factor, and harmonic distortion in the range of 1.8 to 2.8 %. 


Power Quality Analysis at Murdoch University 

Acknowledgements 
This report could not have been conceived without the wise guidance and caring support of 
those around me. It is here that I would like to express my deepest gratitude for their 
unwavering and much needed support throughout the course of my education at Murdoch 
University. 
First of all, I would like to thank my supervisor Dr. Ali Arefi for his help in this project, through 
his constant guidance and by sharing his expertise in Electrical Power Systems. Not only has 
it been a pleasure to work with Dr. Ali Arefi, but his experience in Electrical Engineering was 
invaluable to me as to improve as an Electrical Power Engineer. Moreover, his outstanding 
work ethic, remarkable integrity, and the care he showed to me as his student encouraged 
me to do my best in developing this project. It has been an honour Dr. Ali Arefi. 
Secondly, I would like to extend my gratitude and love to my family and friends, who have 
consistently pushed and supported me throughout my education. This would not have been 
possible without them. Furthermore, I would like to thank the Government of Kuwait and 
specifically the Ministry of Higher Education for believing in me and for sponsoring me with 
this scholarship. 
Last but certainly not least, I would like to thank all of the academic staff at Murdoch 
University. In particular Prof. Parisa Bahri, Dr. Gareth Lee, Dr. Martina Calais, A/Prof. Graeme 
Cole, Dr. David Parlevliet, Dr. Gregory Crebbin, Dr. Jonathan Whale, Dr. Farhad Shahnia, Dr. 
Xiangpeng Gao, Dr. Manickam Minakshi, Dr. Linh Vu, and Dr. GM Shafiullah.



Power Quality Analysis at Murdoch University 
vi 
Table of Contents 
Author’s Declaration ....................................................................................................................
Abstract ..................................................................................................................................... iii 
Acknowledgements .................................................................................................................... v 
List of Figures ............................................................................................................................. x 
List of Tables ............................................................................................................................ xii 
List of Abbreviations and Acronyms ....................................................................................... xiii 
Chapter 1: Introduction ............................................................................................................. 1 
1.1 
Background Information about Power Quality ........................................................... 1 
1.2 
Aims and Objectives .................................................................................................... 3 
1.3 
Significance of the Project ........................................................................................... 3 
1.3.1 Significance to Power Consumers ............................................................................. 3 
1.3.2 Significance to the Electric Utility ............................................................................. 4 
1.4 Thesis Project Outline ...................................................................................................... 5 
Chapter 2: Literature Review ..................................................................................................... 6 
2.1 Introduction into Power................................................................................................... 6 
2.2 Power Quality Problems ................................................................................................ 10 
2.2.1 Voltage Sags ............................................................................................................ 11 
2.2.2 Voltage Swells ......................................................................................................... 12 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
vii 
2.2.3 Voltage Flicker ......................................................................................................... 13 
2.2.4 Voltage Unbalance .................................................................................................. 15 
2.2.5 Voltage Transients .................................................................................................. 16 
2.2.6 Voltage Notching .................................................................................................... 17 
2.2.7 Brownouts ............................................................................................................... 19 
2.2.8 Short Interruptions of Power .................................................................................. 19 
2.2.9 Long Interruptions of Power ................................................................................... 19 
2.2.10 Direct Current ....................................................................................................... 20 
2.2.11 Electrical Noise ...................................................................................................... 21 
2.2.12 Harmonic Distortion.............................................................................................. 21 
2.2.13 Interharmonics ...................................................................................................... 23 
2.2.14 Electromagnetic Interference (EMI) ..................................................................... 24 
2.3 Power Quality Standards ............................................................................................... 25 
2.3.1 IEEE 519 Standard ................................................................................................... 25 
2.3.2 IEEE 1459 Standard ................................................................................................. 25 
2.3.3 ANSI C84.1 Standard ............................................................................................... 25 
2.3.4 EN 50160 Standard ................................................................................................. 26 
2.3.5 IEC 61000 Standard ................................................................................................. 26 
2.3.6 AS/NZS 61000.3.2:2003 Standard ........................................................................... 27 
2.4 Power Quality Monitoring ............................................................................................. 28 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
viii 
2.5 Using Compensating Devices to Improve Power Quality Disturbances ........................ 29 
2.5.1 Active and Passive Filters ........................................................................................ 29 
2.5.2 Distribution Static Compensator (D-STATCOM) ..................................................... 32 
2.5.3 Dynamic Voltage Restorer (DVR) ............................................................................ 33 
2.5.4 Unified Power Quality Conditioner (UPQC) ............................................................ 34 
2.6 Power Quality Case Studies ........................................................................................... 35 
2.7 Costs of Power Quality Problems .................................................................................. 38 
Chapter 3: Methodology .......................................................................................................... 40 
Chapter 4: Results and Discussion of Data Analysis ................................................................ 42 
4.1 Voltage Unbalance ......................................................................................................... 42 
4.2 Phase Distortion ............................................................................................................. 46 
4.3 Harmonic Distortion ....................................................................................................... 47 
4.4 Power Factor .................................................................................................................. 48 
Chapter 5: Conclusion and Future Work ................................................................................. 57 
5.1 Future Work Opportunities for the Power Quality Analysis at Murdoch University .... 59 
Reference List ........................................................................................................................... 61 
Appendix .................................................................................................................................. 68 
Appendix Part A: EM133 Meter Manual .............................................................................. 68 
Appendix Part B: Calculation of Apparent Power and Power Factor .................................. 70 
Appendix Part C: Calculation of Voltage Unbalance ............................................................ 71 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
ix 
Appendix Part D: Risk Assessment ....................................................................................... 72 


Power Quality Analysis at Murdoch University 

List of Figures 
Figure 1: Impedance Triangle [36] ............................................................................................. 7
 
Figure 2: Energy Consumption by Sectors in European Union Countries [12] .......................... 9
 
Figure 3: Most Common Power Quality Problems [16] ........................................................... 11
 
Figure 4: Waveform Illustrating Voltage Sags [19] .................................................................. 12
 
Figure 5: Waveform Showing Voltage Swells [19] ................................................................... 13
 
Figure 6: Waveform Indicating Voltage Flicker [23] ................................................................ 14
 
Figure 7: Voltage Unbalance between Three Phases [25] ....................................................... 15
 
Figure 8: Relationship between Voltage Unbalance and Increase in Temperature [24] ........ 16
 
Figure 9: Types of Transients [19] ............................................................................................ 17
 
Figure 10: Voltage Notching [27] ............................................................................................. 18
 
Figure 11: Direct Current Offset [29] ....................................................................................... 20
 
Figure 12: Electrical Noise [19] ................................................................................................ 21
 
Figure 13: Harmonic Distortion [34] ........................................................................................ 23
 
Figure 14: Passive Low Pass Filter [1] ...................................................................................... 30
 
Figure 15: High Pass Filter [1] .................................................................................................. 30
 
Figure 16: Ideal D-STATCOM [20] ............................................................................................ 33
 
Figure 17: Schematic of a DVR [20].......................................................................................... 33
 
Figure 18: UPQC Schematic [20] .............................................................................................. 35
 
Figure 19: System Operation Snapshot [1] .............................................................................. 37
 
Figure 20: Voltage versus Time for Three Voltage Lines ......................................................... 42
 
Figure 21: Voltage versus Time Including Average Voltage of the Three Phases ................... 43
 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
xi 
Figure 22: Percent Voltage Unbalance for all Three Phases against Time of the Day ............ 44
 
Figure 23: Current Magnitude versus Time ............................................................................. 45
 
Figure 24: Percent Current Unbalance for all Three Phases against Time of the Day ............ 45
 
Figure 25: Voltage Angles for the Three Phases Plotted against Time .................................... 46
 
Figure 26: Current Angles for Three Phases Plotted against Time .......................................... 47
 
Figure 27: THD for all the Phases ............................................................................................. 48
 
Figure 28: Power Factor for all Phases .................................................................................... 49
 
Figure 29: Real Power for all Phases ........................................................................................ 50
 
Figure 30: Reactive Power for all Phases ................................................................................. 50
 
Figure 31: Apparent Power for all Phases ............................................................................... 51
 
Figure 32: Current Demanded by the Load in each Phase ...................................................... 52
 
Figure 33: Phase to Phase and Phase to Neutral Voltages at Varying Power Factors............. 53
 
Figure 34: Unbalance Voltage Factor ....................................................................................... 55
 
Figure 35: EM133 Meter Manual [65] ..................................................................................... 69
 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
xii 
List of Tables 
Table 1: Power Quality Standards ............................................................................................ 27
 
Table 2: Comparison between Active and Passive filter [43] .................................................. 32
 
Table 3: Power Data for the Phase A at 12:00:30 am .............................................................. 70
 
Table 4: Voltage Unbalance Using IEC 61000 Standard........................................................... 71
 




Power Quality Analysis at Murdoch University 
xiii 
List of Abbreviations and Acronyms 

Ampere 

Delay Angle 
AC 
Alternating Current 
ANSI 
American National Standard Institute 
AS/NZS 
Australian/New Zealand Standard 
ASDs 
Adjustable Speed Drives 

Capacitor 
DC 
Direct Current 
D-STATCOM 
Distribution Static Compensator 
DVR 
Dynamic Voltage Restorer 
E
DC
Theoretical Direct Voltage 
EMI 
Electromagnetic Interference 
EN 
European Standard 
EPRI
Electrical Power Research Institute 
E
X
Direct Voltage Drop 
f
b
Fundamental Frequency of the System 
GPO 
General Purpose Outlet 
Hz 
Hertz 
I
DC
Direct Current in Per Unit on a Converter Base 
IEC 
Electromagnetic Compatibility 
IEEE 
Institute of Electrical and Electronic Engineers 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
xiv 
I
s
Current Source 
IZ 
Current and Impedance 
kHz 
Kilohertz 
kVA 
Kilo Volt Ampere 
kVA 
Kilovolt-Ampere 
kVAr 
Kilo Volt Ampere Reactive 
kW 
Kilowatt 

Inductor 
NEMA 
National Electrical Manufacturers Association 
NPL 
National Power Laboratory 

Real Power 
PCC 
Point of Common Coupling
PQ 
Power Quality 
PQM
Power Quality Monitoring 
PV 
Photovoltaic 

Reactive Power 

Resistor 
RFI 
Frequency Interference 
RMS
Root Mean Square 

Apparent Power 
THD 
Total Harmonic Distortion 

Commutation Angle 
UBF 
Unbalance Factor 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
xv 
UPQC 
Unified Power Quality Conditioner 
UPS 
Uninterruptible Power Supply 

Volt 
V
av
Average Voltage 
V
frms
RMS Voltage of Fundamental Frequency 
V
nrms
RMS Voltage of the nth Harmonic 
V
s
Voltage Source 
VSC 
Voltage Source Converter 
VSD 
Variable Speed Drive 
VSIs 
Voltage Source Inverters 
V
t
Terminal Voltage 
X
s
System Reactance in Per Unit on a Converter Base 
X
t
Converter Transformer Reactance in Per Unit on a Converter Base 


Power Quality Analysis at Murdoch University 
xvi 


Power Quality Analysis at Murdoch University 

Chapter 1: Introduction 
1.1 
Background Information about Power Quality
According to Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), power quality is defined as 
the idea of powering and grounding electronic equipment in such a way that it is fit for the 
functioning of that equipment and well matched with the wiring system of the premises and 
other connected equipment [1]. Grounding refers to a conducting connection through which 
electrical equipment have a connection to earth [2]. 
Power quality can also be defined as the ability of a grid or electrical network to supply clean 
stable power that is always available when required by a consumer. The cleanliness of the 
power is in terms of the wave shape, which should be pure sinusoidal, noise-free, and within 
the allowable tolerances for voltage and frequency [3]. 
The cost and reliability of any electrical system significantly depend on the supplied and 
consumed power quality of the system. The demand for clean and reliable power in the world 
has increased in the last several decades due to the introduction of new electronic 
technologies [4]. There has been tremendous growth in the use of power electronics in almost 
every type of electronic device making them more sensitive to the present disturbances in 
the network. In most cases, there has not been an improvement in the quality of designs for 
electronic devices to accompany its growth [5]. This has resulted in the distortion of the 
distribution network. Therefore, the electronic devices may malfunction during operation 
under the distorted distribution networks. For this reason, power quality monitoring and 
analysis need to be conducted to predict the occurrence of a disturbance, its causes, and to 


Power Quality Analysis at Murdoch University 

develop a strategy in order to minimize the disturbance with the aim of protecting the devices 
connected in the network. 
Power quality monitoring (PQM) involves the collection, analysis, and interpretation of raw 
power measured data into information that is useful. This process consists of measuring the 
currents and voltages of the supply over a specified period and studying their waveforms. 
Wiring, grounding, and equipment connections can be inspected throughout power quality 
monitoring [6]. PQM is vital to detect potential and present power quality disturbances, which 
may damage equipment or decrease their lifespans. Instruments that use monitoring power 
quality include:
1) Power quality metre and analyser used for measuring, recording and storing signal 
frequency, harmonics, real and apparent power, phase rotation, current, and voltage. 
2) Oscilloscope for measuring and displaying harmonics, current, and voltage.
3) Circuit monitor for measuring voltage sag, swell, flicker, and harmonics. 
4) Flicker meter for voltage flicker measurement. 
5) Disturbance analyser for voltage transients, power outages, and voltage sags 
measurement.
6) The in-plant power monitor used for monitoring voltage profile, voltage swells, sags, 
flicker, and harmonics in the power system [6]. 
This project has attempted to perform a power quality analysis at Murdoch University. The 
focus of this thesis is to identify the causes of poor power quality at the institution, to quantify 
its impacts on equipment and operations and to provide a solution for the improvement of 
the quality of power. An extensive study of various literature sources has been conducted to 
get background information about power quality, monitoring techniques, disturbances, 


Power Quality Analysis at Murdoch University 

impacts, and mitigation strategies. Data has then been collected from the university and 
analysed to determine the power quality issues affecting Murdoch University, and solutions 
are introduced based on the literature reviewed. Afterward, the data is further analysed to 
improve the power quality at the institution. 
1.2 Aims and Objectives 
The major objective of this project is to analyse the power quality of the electricity system of 
Murdoch University to identify the causes of poor quality and provide possible solutions in 
order to improve the power quality. This can be achieved through the following specific 
objectives: 
1. To identify power quality issues. 
2. To investigate causes, effects, and proper ways of improving poor power quality. 
3. To study the IEEE STD 519 standard and others power quality standards. 
4. To obtain power data from Murdoch University and using it afterward for quality 
analysis against the standards. 
5. To calculate the power quality parameters based on collected data. 
1.3 Significance of the Project 
Monitoring, analysis, and mitigation of (PQ) are factors vital to various sections of the 
economy as well as several industries. Subsequently, the significance of this project can be 
divided into two main parts: to consumers and the electric utility. 
1.3.1 Significance to Power Consumers 
Through the collection and analysis of power quality data that has been conducted in this 
research, the occurrence of recurrent power quality disturbances can be accurately predicted. 


Power Quality Analysis at Murdoch University 

This would be significant to consumers as accurate prediction and mitigation of the 
disturbances would result in decreased malfunction of electronic devices connected to the 
distribution network. 
This project is also substantial to consumers, as it would help to decrease the costs associated 
with repairs or replacement of malfunctioned electronic devices in the distribution network. 
By providing a solution to the power quality disturbances, the likelihood of occurrence of 
these disturbances and their impacts would be minimized significantly. Thus, there would be 
fewer malfunctioned consumer devices. 
The significance of this project to industrial consumers is in the form of experiencing lower 
interruptions during production due to power quality issues. The effect of this is increased 
production and reduced losses due to equipment damage. Moreover, this reduces the costs 
based on idle personnel during interruptions.
1.3.2 Significance to the Electric Utility 
Through this study, the primary power quality disturbance in a distribution network has been 
identified. The important source of the disturbance either generation, distribution, 
transmission, or consumer that can also be determined. These issues make this research 
essential to the electric utility operators, as it would help them understand their network 
better. 


Power Quality Analysis at Murdoch University 

1.4 Thesis Project Outline 
This dissertation is divided into five chapters which consist of: 
 Chapter 1 contains the background information on power quality, a brief description 
of the research problem and the research focus. Project objectives and significance of 
the research are also found in this chapter. 
 Chapter 2 provides the present literature, the various ideas as well as issues in power 
quality analysis. Specifically, it will consider the implementation of compensating 
devices to mitigate the effects of power quality disturbances. In addition, the financial 
repercussions of power quality problems, along with a multitude of power quality 
standards will be examined. Finally, this chapter explores some power quality case 
studies. 
 Chapter 3 describes the methodology of the project. Here the techniques employed in 
the research and execution of the project is presented and discussed. 
 Chapter 4 discusses the data analysis and calculations done to determine the numerous 
of power quality problems at the university. Then the results are presented and 
reviewed to validate that indeed the power quality problems have been identified 
correctly. 
 Chapter 5 will conclude the project and provide some future work opportunities for 
the power quality analysis at Murdoch University.


Power Quality Analysis at Murdoch University 

Chapter 2: Literature Review 
2.1 Introduction into Power 
An electric power system is made up of three main parts: a generation system, which is the 
source of power; a delivery system made up of the transmission and distribution networks 
and the load that can be transport (traction/railroad), residential, commercial, industrial, and 
governmental consumers [7]. 
Electric power defined as the rate of converting electric energy [8] can be generated using 
conventional methods such as hydroelectric power generation, thermal generating plants, 
synchronous machinery, and distributed machinery. Moreover, electric power can be 
generated using nonconventional methods such as photovoltaic (PV) modules, wind 
generation, tidal generation, and advanced technologies like fuel cells [9]. 
In direct current (DC) systems, power is given as the product of current and voltage [8] thus: 
Power (Watts) = Voltage (V) × Current (A) (1) 
P = V × I 
In alternating current (AC) systems, instantaneous power is given as the product of the 
instantaneous current, and instantaneous voltage expressed mathematically as [10]: 
p (t) = v(t)i(t) =
V
m
I
m
2
[cos ϕ + cos(2ωt − ϕ)] (2) 
Where: ϕ is the phase angle. 
The resistor, inductor, and capacitor define the total impedance of an AC circuit, which affects 
the current and voltage waveforms and hence their phase difference. In AC circuits, the 
impedance of the circuit is defined as the ratio of the current and voltage phasors created by 


Power Quality Analysis at Murdoch University 

a circuit component. Both reactance and resistance make up the total impedance (Z) that 
restricts the flow of current around the circuit. The following Figure 1 shows an impedance 
triangle, which is used to demonstrate the geometric relationship between reactance, 
resistance, and impedance [36] 
 
From the impedance triangle, it is clear that the algebraic sum of the reactive and resistive 
ohmic values is not equal to the impedance, as a 90
0
phase difference exists between a pure 
reactance and a pure resistance. As a result, the impedance is a vector sum of the reactance 
and the resistance and has both of phase angle (𝜃) and of magnitude (Z). When the frequency 
of the AC supply changes, the reactance (X) changes but the resistance remains constant, thus 
there will be a change in shape of the impedance triangle. The following relationships hold 
between resistance, reactance, and impedance [37]. 
Z
2
= R
2
+ jX
2
(3) 
cos θ =
R
Z
(4) 
In AC systems, the average power consumed in a circuit is referred to as real power (also 
referred to as active power or true power) and is dependent on the power factor (cosine of 
the phase angle). The power supplying stored energy in reactive elements is known as the 
Figure 1: Impedance Triangle [36] 


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reactive power. As opposed to active power and reactive power, which reduces the power in 
the circuit in order to create and reduce both the inductive magnetic fields and capacitive 
electrostatic fields thereby decreasing the supply of true power to the load. The power stored 
by a capacitors electrostatic field tries to control the voltage while the power stored in the 
inductors magnetic field tries to control the current. This result in the generation of reactive 
power by capacitors and consumption of the reactive power by inductors. Apparent power is 
defined as the product of RMS values of current and voltage across a circuit [10]. These 
mathematically are expressed as shown using the following equations 5-7 [11]: 
Real Power: P = |V̅||I̅| cos ϕ (5) 
Reactive Power: Q = |V̅||I̅| sin ϕ (6) 
Apparent Power = |S̅| = |V̅||I̅| = √P
2
+ Q
2
(7) 
Power factor defined as the ratio of the active power (P) to the apparent power (S) is an 
essential part of an AC circuit [38]. Power factor defines the phase angle between the voltage 
and current waveforms and is expressed mathematically as [38]: 
Power Factor =
P
S
=
VI cos θ
VI
= cos θ (8) 
In a purely resistive circuit, there is zero phase difference between the real and the apparent 
power as the voltage and current waveforms are in phase. Accordingly, the power factor will 
be unity. 
Power Factor = cos(0) = 1 (9) 
Unity power factor means that the actual power consumed is equal to the apparent power 
consumed. In a purely reactive circuit, the voltage waveform and the current waveform are 
90 degrees out of phase. Thus the power factor will be: 


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Power Factor = cos(90) = 0 (10) 
This means that the wattage consumed is zero, but there is a voltage and current supplying 
the reactive load. Lagging power factor refers to an inductive circuit where the current lags 
the voltage while a leading power factor refers to a capacitive circuit where the current leads 
the voltage. Improving the power factor by decreasing the reactive power component is 
therefore important to have efficient use of the power by the load. 
Energy consumption is divided into four major sectors as illustrated in Figure 2 below for 
European Union countries. From Figure 2, it is indicated that industry accounts for the highest 
consumption of electrical power at 36 % followed by households at 31 %, commercial sectors 
at 30 %, and finally transport at 3 % [12]. 
Figure 2: Energy Consumption by Sectors in European Union Countries [12]


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10 
2.2 Power Quality Problems 
Power quality issues are caused mainly by the use of sensitive electronic loads such as digital 
controllers and computers. Some of these devices have problems due to either their proximity 
to other electrical equipment or due to disturbances in the powerline since higher power 
loads generate greater disturbances. Examples of devices that create high power loads: 
electric variable speed drives, welders, and arc furnaces [1]. 
Impacts of poor power quality include accelerated tear and wear, overheating, improper 
function of electrical and electronic equipment, tripping of circuit breakers, and this 
sometimes results in hazardous conditions [13]. 
A survey by experts in power quality show that about half of all power quality problems are 
associated with ground current, ground loops, neutral to ground voltages, ground bonds, 
grounding, and other ground related issues [14]. 
Essential power parameters that affect the quality of power delivered include voltage sags, 
voltage swells, voltage flicker, voltage unbalance, voltage transients, voltage notching, 
brownouts, short-term and long-term power interruptions, direct current, electrical noise, 
harmonic distortion, inter-harmonics, and electromagnetic interference.
According to 
research conducted by EPRI, power quality problems arising from customers premises
account for 70 % of all disturbances, while the network side accounts for 30 % [15]. From 
these parameters, the most common power quality problems among American consumers 
were identified as voltage sags, voltage swells, voltage transients caused by capacitor 
switching, and harmonics among other related issues [16][17]. Figure 3 demonstrates the 
most common power quality problems, and this is discussed below. 


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11 
2.2.1 Voltage Sags 
Voltage sags, which are also known as voltage dips, define a decrease of the voltage supply 
level by 10 -90 % of the normal voltage, over a short duration of time (half a cycle to 1 minute) 
[18]. Voltage sags are usually caused by distribution and transmission system faults. 
Moreover, faults
in installations at the consumer premises, energization of the transformer 
and large motors starts, may result in voltage sags [19]. The following Figure 4 represents a 
voltage sag. 
48%
22%
15%
6%
5%
2%
1%
1%

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