Metodologias não invasivas para atribuição de responsabilidades na geração de harmônicos e desequilíbrio em redes elétricas trifásicas - Arcadepani, Matheus Branco [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2025)
Esta tese de doutorado propõe metodologias não invasivas de atribuição de responsabilidades na geração de distorções harmônicas e desequilíbrios no Ponto de Acoplamento Comum (PAC). Inicialmente, são apresentadas quatro metodologias baseadas na Conservative Power Theory (CPT), três voltadas para distorção harmônica e uma para desequilíbrio. Para o desequilíbrio, é proposto um método baseado no fator de desbalanço da CPT. No caso da distorção harmônica, dois métodos são fundamentados na corrente residual (distorção) e na corrente dispersa total (que integra as componentes ativa e reativa dispersas) da CPT e outro emprega a caracterização (modelagem) de cargas por meio da decomposição do fator de potência. Tais abordagens mostram-se eficazes para identificar as contribuições individuais dos consumidores (cargas) quando os distúrbios no PAC são impostos pelas próprias cargas, mas não permitem atribuir responsabilidades de forma satisfatória quando os distúrbios têm origem no supridor (fonte). Com o intuito de superar essa limitação, esta tese apresenta uma nova metodologia com base na análise do fluxo de potência harmônica, considerando a diferença angular entre tensões e correntes harmônicas. Essa abordagem permite distinguir de forma clara as contribuições do supridor e dos consumidores, possibilitando não apenas identificar os responsáveis pela geração das distorções, mas também quantificar seu impacto na distorção harmônica de tensão do PAC. No entanto, as metodologias propostas caracterizam-se como multiponto, ou seja, requerem medições sincronizadas de tensão e corrente para cada ordem harmônica em todas as cargas conectadas ao PAC. A eficácia das metodologias propostas é validada por meio de comparações com técnicas consolidadas na literatura, utilizando quatro cenários (sistemas elétricos) práticos. O primeiro corresponde a uma microrrede de referência desenvolvida pelo CIGRE. O segundo retrata o sistema padrão proposto pelo IEEE para análise de atribuição de harmônicas. O terceiro representa um sistema industrial composto por três consumidores (com caraterísticas não lineares) conectados a um mesmo PAC. Por fim, o quarto é um sistema de baixa tensão comporto por cargas lineares e não lineares. Os resultados obtidos confirmam a relevância das contribuições e demonstram que a metodologia baseada no fluxo de potência harmônica amplia significativamente as possibilidades de análise e atribuição de responsabilidades em sistemas elétricos reais. Além disso, no caso do desequilíbrio, verificou-se que a metodologia baseada no fator de desbalanço da CPT também se mostrou eficaz quando comparada às abordagens existentes na literatura.

This thesis proposes non-invasive methodologies for assigning responsibility in the generation of harmonic distortion and unbalance at the Point of Common Coupling (PCC). Initially, four methodologies based on the Conservative Power Theory (CPT) are presented, three addressing harmonic distortion and one focused on unbalance. For the case of unbalance, a method based on the CPT unbalance factor is proposed. Regarding harmonic distortion, two methods are grounded in the void (distortion) and total scattering current (including the scattered active and reactive components) defined by CPT, while another employs load characterization through power factor decomposition. These approaches are effective in identifying individual contributions of consumers (loads) when disturbances at the PCC originate from the loads themselves. However, they are not satisfactory for assigning responsibility when disturbances originate from the supplier (source). To overcome this limitation, this thesis introduces a novel methodology based on harmonic power flow analysis, which considers the phase angle difference between harmonics voltages and currents. This approach enables a clear distinction between the contributions of the supplier and the consumers, allowing not only for the identification of the disturbance sources but also for the quantification of their impact on the voltage harmonic distortion at the PCC. However, the proposed methodologies are classified as multipoint methods, meaning that they require synchronized measurements of voltage and current at all loads connected to the PCC. The effectiveness of the proposed methodologies is validated through comparisons with established techniques in literature, using four practical scenarios (electric systems). The first is a reference microgrid developed by CIGRE. The second corresponds to the IEEE benchmark system for harmonic responsibility. The third represents an industrial system comprising three consumers (with nonlinear characteristics) connected to a common PCC. Finally, the fourth scenario consists of a low-voltage system with both linear and nonlinear loads. The results confirm the relevance of the contributions and demonstrate that the harmonic power flow-based methodology significantly enhances the analysis and responsibility allocation capabilities in real-world electrical systems. Moreover, in the case of unbalance, the CPT unbalance factor-based methodology also proved effective when compared to existing approaches in the literature.
Non-invasive methodologies for assigning responsibility for harmonic generation and imbalance in three-phase electrical grids
Keywords: Teoria de potência conservativa; Desequilíbrio; Distorções harmônicas; Conservative power theory; Unbalance; Harmonic distortion