Harmonic Amplification and Mitigation in a Modern Meshed Transmission System
Authors
Poulsen, Jakob Harder ; Stenseth, Maria Eli
Term
4. term
Education
Publication year
2019
Submitted on
2019-05-31
Pages
134
Abstract
This thesis investigates how electrical harmonics propagate and can be amplified in a modern meshed 400 kV transmission system with a high share of cables and power electronics, and how to mitigate adverse effects—particularly anti-resonance introduced by single-tuned passive filters. A realistic example grid developed for harmonic studies is modeled and simulated (PowerFactory supported by MATLAB and Python) to analyze system impedance, compare radial and meshed topologies, and assess harmonic levels both at buses and along overhead lines and underground cables. The results show that the higher susceptance of cables lowers resonance frequencies, increasing the risk of amplification at lower harmonic orders; that harmonic levels depend on the emission source location, local system impedance, and system-determined propagation gains; and that RMS harmonic levels along lines follow a sinusoidal profile, so within-line amplifications can exceed bus measurements. This creates particular risks of overcurrent in cables and overvoltage in overhead lines, especially in longer spans and at higher orders. The thesis proposes a practical method to estimate and locate maximum harmonic stresses within lines from end-of-line voltage and current and discusses accuracy limitations due to phase shifts. It explains how single-tuned filters alter system impedance, change current paths and propagation gains, and can trigger anti-resonance near the tuning frequency, with severity depending on the locations of sources and filters and on filter impedance. Finally, it outlines a system-aware filter tuning approach—adjusting filter rating and quality factor—to reduce the target harmonic while limiting undesired amplification of other orders.
Denne afhandling undersøger, hvordan harmoniske forvrængninger udbredes og kan forstærkes i et moderne masket 400 kV transmissionsnet med høj andel af kabler og effektelektronik, samt hvordan uønskede effekter – især anti-resonans fra enkeltindstillede passive filtre – kan begrænses. Et realistisk eksempelnet udviklet til harmonikstudier er modelleret og simuleret (PowerFactory understøttet af MATLAB og Python) for at analysere systemimpedans, sammenligne radialt og masket net, og vurdere harmoniske niveauer både i koblingspunkter (busser) og langs luftledninger og kabelstræk. Resultaterne viser, at kablets højere susceptans sænker resonansfrekvenser og øger risikoen for forstærkning ved lavere harmoniske rækker; at harmoniske niveauer afhænger af kildens placering, den lokale systemimpedans og netbestemte udbredelsesgevinster; samt at RMS-niveauerne langs linjer følger en sinusformet profil, så forstærkninger inde i linjer kan overstige det, der ses ved busser. Det giver særligt risiko for overstrøm i kabler og over-spænding i luftledninger, især i lange stræk og ved højere harmoniske rækker. Afhandlingen foreslår en praktisk metode til at beregne og lokalisere maksimale harmoniske belastninger i linjer ud fra spændings- og strømværdier ved begge lineender og belyser nøjagtighedens begrænsninger ved faseskift. Den forklarer, hvordan enkeltindstillede filtre ændrer systemimpedansen, påvirker strømbaner og udbredelsesgevinster og kan skabe anti-resonans nær mål-frekvensen, hvor alvoren afhænger af kildens og filtrets placering samt filterimpedansen. Endelig skitseres en systembevidst filterindstilling, hvor filterets mærkereaktiv effekt og kvalitetsfaktor justeres for at dæmpe målrettede harmoniske uden at fremkalde uønskede forstærkninger af andre rækker.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]