การออกแบบวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านสำหรับการตรวจจับฮาร์มอนิกด้วยวิธีทฤษฎีกำลังรีแอกทีฟขณะหนึ่งในระบบรางไฟฟ้ากระแสสลับ
Low-Pass Filter Design for Harmonic Detection Based on the Instantaneous Reactive Power Theory in AC Electric Railway Systems
Abstract
บทความนี้นำเสนอการออกแบบวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านสำหรับกรองฮาร์มอนิกของกำลังแอกทีฟในขั้นตอนการตรวจจับฮาร์มอนิกด้วยวิธีทฤษฎีกำลังรีแอกทีฟขณะหนึ่ง (Instantaneous Reactive Power Theory) หรือวิธี PQ เพื่อคำนวณกระแสฮาร์มอนิกสำหรับใช้เป็นกระแสอ้างอิงของวงจรกรองกำลังแอกทีฟในการฉีดกระแสชดเชยเพื่อกำจัดฮาร์มอนิกในระบบรางไฟฟ้ากระแสสลับ การทดสอบสมรรถนะของวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านใช้การจำลองสถานการณ์ในโปรแกรม MATLAB/Simulink โดยแบ่งเป็นกรณีการทดสอบเลือกค่าความถี่ตัดพบว่าค่าความถี่ตัดที่เหมาะสมควรอยู่ในช่วงกึ่งกลางระหว่าง0 เฮิรตซ์ และค่าความถี่ฮาร์มอนิกอันดับแรกของกำลังแอกทีฟ นอกจากนี้เพื่อยืนยันสมรรถนะการตรวจจับฮาร์มอนิกของวิธีทฤษฎีกำลังรีแอกทีฟขณะหนึ่ง ได้มีการจำลองการกำจัดฮาร์มอนิกในระบบรางไฟฟ้ากระแสสลับด้วยเทคนิคฮาร์ดแวร์ในลูป (Hardware-in-the-loop; HIL) ผลการจำลองสถานการณ์ยืนยันว่าการออกแบบวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านที่นำเสนอสามารถคำนวณกระแสอ้างอิงได้อย่างถูกต้อง ส่งผลให้วงจรกรองกำลังแอกทีฟฉีดกระแสชดเชยได้อย่างมีประสิทธิผล โดยค่า %THD ของกระแสที่แหล่งจ่ายสามเฟส (iSA, iSB, iSC) มีค่าเท่ากับ 3.51% 3.53% และ 3.54% ตามลำดับ ซึ่งต่ำกว่าร้อยละ 5 ตามมาตรฐาน IEEE Std. 519-2022
This paper presents the design of a Low-Pass Filter (LPF) for extracting the harmonic component of active power in the harmonic detection process based on instantaneous reactive power theory (PQ theory). The objective is to accurately compute the harmonic current to be used as a reference current for Active Power Filters (APFs), which inject compensating currents to eliminate harmonics in AC electric railway systems. The performance of the proposed LPF is evaluated through MATLAB/Simulink simulations, with test cases classified according to the selected cutoff frequency. The simulation results indicate that the appropriate cutoff frequency should be selected within the mid-range between 0 Hz and the frequency of the first harmonic order of active power. Furthermore, to validate the harmonic detection performance of the PQ theory, this study conducts Hardware-in-the-Loop (HIL) simulations for harmonic mitigation in AC electric railway systems. The results confirm that harmonic detection based on PQ theory, combined with the LPF designed using the proposed method, can accurately compute the reference current. Consequently, the APF can effectively inject compensating currents to mitigate harmonics. The Total Harmonic Distortion (THD) values of the three-phase source currents (iSA, iSB, iSC) are 3.51%, 3.53%, and 3.54%, respectively, which are all below the 5% limit specified in IEEE Std. 519-2022.
Keywords
[1] D. K. Nishad, A. N. Tiwari, S. Khalid, and S. Gupta, “Power quality solutions for rail transport using AI-based unified power quality conditioners,” Discover Applied Sciences, vol. 6, no. 12, pp. 651, Nov. 2024, doi: 10.1007/s42452-024-06372-5.
[2] Z. Li and S. Liu, “Interference mechanism analysis and mitigation measures with railway signalling equipment from harmonics in the traction system,” Transportation Safety and Environment, vol. 2, no. 4, pp. 271–282, Dec. 2020, doi: 10.1093/tse/tdaa023.
[3] C. Panpean, N. Mangkhala, and K. Areerak, “The harmonic mitigation for heavy rail systems using shunt active power filter,” 2024 12th International Electrical Engineering Congress (iEECON), Mar. 2024, doi: 10.1109/ iEECON60677.2024.10537974.
[4] A. Elhussiny, S. H. E. A. Aleem, E. E. El-Kholy, A. F. Zobaa, and A. M. Zobaa, “Bi-Level multi-objective optimization of harmonic filters for PV penetration and harmonics mitigation in power distribution using Autismbased optimizer,” Ain Shams Engineering Journal, vol. 16, no. 8, Aug. 2025, doi: 10.1016/ j.asej.2025.103479.
[5] C. Panpean, K. Areerak, P. Santiprapan, K. Areerak, and S. Shen Yeoh, “Harmonic mitigation in electric railway systems using improved model predictive control,” Energies, vol. 14, no. 7, Mar. 2021, doi: 10.3390/en14072012.
[6] C. Che, B. He, Z. Gao, Q. Lu, Y. Chen, Z. Wang, J. Guo, and Y. Wang, “Analysis, design and control of a hybrid railway power conditioner considering power rating reduction,” Electric Power Systems Research, Feb. 2024, doi: 10.1016/ j.epsr.2023.109895.
[7] S. Xie and F. Zhong, “A novel harmonic resonance prevention measure for railway power conditioner–network–train interaction system,” Railway Engineering Science, vol. 33, no. 2, pp. 290–310, 2025, doi: 10.1007/s40534- 024-00357-1.
[8] H. Hingol, V. Deshpande, and A. V. Sant, “Modified symmetrical sinusoidal integrator and instantaneous reactive power theory-based control of shunt active filter,” Energy Reports, Jun. 2022, doi: 10.1016/j.egyr.2022.08.151.
[9] S. Sirasugol, T. Domkitpanya, T. Narongrit, and K. Areerak, “Harmonic elimination of AC electric railway systems using shunt active power filters,” 12th International Electrical Engineering Congress (iEECON), Mar. 2024, doi: 10.1109/iEECON60677.2024.10537979.
[10] S. Handoko and B. Winardi, “Comparison of conventional and adaptive hysteresis current control methods for power quality improvement using active filters,” Advance Sustainable Science Engineering and Technology, vol. 7, no. 4, Aug. 2025, doi: 10.26877/asset.v7i4.1981.
[11] C. M. Thuyen, “Improved p-q harmonic detection method for hybrid active power filter,” International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), vol. 8, no. 5, pp. 2910–2919, Oct. 2018.
[12] D. Wang, L. Yang, and L. Ni, “Performance and harmonic detection algorithm of phase locked Loop for parallel APF,” Energy Inform, vol. 7, no. 25, Apr. 2024, doi: 10.1186/s42162-024- 00325-3.
[13] S. R. Huang and B. N. Chen, “Harmonic study of the Le Blanc transformer for Taiwan railway's electrification system,” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 17, no. 2, pp. 495–499, Apr. 2002, doi: 10.1109/61.997925.
[14] B. Wang, “Signal processing based on butterworth filter: Properties, design, and applications,” Highlights in Science, Engineering and Technology, vol. 97, pp. 72–77, May. 2024.
[15] A. Koduah, G. Svinkunas, A. Bandza, and S. O. Fobi, “Investigations into higher-frequency hysteresis current controller for supraharmonic hybrid active filters,” Applied Sciences, vol. 14, no. 5, Feb. 2024, doi: 10.3390/app14051713.
[16] J. Sarawut, K. Areerak, and K. Areerak, “Harmonic detection for shunt active power filter using ADALINE neural network,” Energies, vol. 14, no. 14, Jul. 2021, doi :10.3390/en14144351.
[17] Z. Yao and G. Gao, “Improved harmonic detection method based on ip-iq theory,” E3S Web of Conferences, vol. 261, pp. 01028, May 2021, doi: 10.1051/e3sconf/20212610 1028.
[18] X. Ding, H. Shi, Y. Wang, Y. Zhuang, G. Yuan, and S. Zhu, “Research on harmonic management of single-phase AC charging pile based on active filtering,” Energies, vol. 16, no. 6, Mar. 2023, doi: 10.3390/en16062817.
DOI: 10.14416/j.kmutnb.2026.06.002
ISSN: 2985-2145
Email this article 
Hide
Show all